Ep31 – Les sciences montrent l’invisible

Téléscope Hubble

Aujourd’hui, je vais vous montrer à quel point les sciences explorent un monde invisible pour nous. Un petit voyage pour faire un tour d’horizon des techniques scientifiques et de leurs champs d’observations.

Cet article fait partie d’une série

Je me suis lancé le défi de publier 31 articles en mars 2021 pour faire un tour d’horizon de la science. Celui-ci est le trente-et-unième publié (le premier est le sommaire du défi visible ici)

Un peu d’histoire

La science contemporaine est née lorsque Galilée a travaillé sur la chute des corps. Il a utilisé la suite méthodologique vue précédemment :

Le contexte

La physique du XVIIème siècle est celle d’Aristote et date d’environ 2000 ans…

La chute des corps disait que les objets plus lourds tombent plus vite, que la matière est constituée de 4 éléments : L’air, l’eau, la terre et le feu. Il existe un cinquième élément mais on ne le retrouve qu’après la lune.

La terre est un globe autour duquel tournent tous les astres. Il existe une sphère ultime qui contient les étoiles.

Le sujet retenu :

Galilée se pose cette question. Que dit la théorie de la chute des corps si je procède ainsi : j’attache un objet léger avec un objet lourd.

Son hypothèse : celle d’Aristote, il veut montrer qu’elle ne peut pas répondre à une question si simple…

En effet, Galilée invente l’expérience de pensée suivante :

Je fais tomber une pierre lourde A et une pierre plus légère B

Séparées, d’après Aristote, la pierre A arrive au sol avant B.

Maintenant j’attache les 2 pierres ensemble.

Que dit la loi d’Aristote ?

L’ensemble A+B étant plus lourd que A, il doit tomber plus vite sauf que B tombant moins vite doit ralentir la chute de A+B qui doit tomber moins vite que A… Comment une théorie autorise 2 résultats contraires ? Parce qu’elle est fausse.

Que faut-il pour que l’expérience soit justement décrite : Tous les corps tombent à la même vitesse dans le vide.

Le vide ? Mais ça n’existe pas (pas encore découvert…) !

Les sciences voient l’invisible

Voir loin, très loin, dans le passé

Et ça commence encore avec ce cher Galilée. Même s’il n’est pas l’inventeur de la lunette, il sera le premier à l’utiliser pour observer le ciel.

Ainsi, il va décrire 4 planétoïdes autour de Jupiter, invisibles à l’oeil nu, il les découvre avec sa lunette. Jupiter a 4 satellites comme un mini système solaire…

La lunette, puis le télescope inventé par Newton, permettent de découvrir et observer le lointain.

Aujourd’hui, on capte la première lumière de l’univers, émise il y a 13,7 milliards d’années lorsque l’univers n’avais pas 300 000 ans.

Quoi ? Regarder dans un télescope fait voir le passé ? Comment ça ?

La lumière ayant une vitesse de propagation, on voit les objets au moment où ils émettent la lumière qui nous arrive. Il faut 4,4 ans pour que la lumière de Proxima du Centaure nous parvienne, on voit donc cette étoile telle qu’elle était il y a 4,4 ans.

Voir petit, très petit.

Avec l’invention de la lunette, il suffit de regarder à l’envers pour grossir les petits objets…

Et ce serait encore notre cher Galilée qui inventa le microscope (conditionnel, on suppose mais sans certitude). Depuis, on regarde dans des microscopes de plus en plus performants. Il y a toutefois une limite, liée à la taille des photons, environ 2 microns, 2 millionièmes de mètre. C’est déjà pas si mal mais pour voir plus petit, on va utiliser des microscopes électroniques voire à effet tunnel qui « voient » le relief des atomes…

Lorsque l’optique visible atteint ses limites…

On vient de voir, la taille des photons empêche de voir plus petit que 2 microns. Alors on cherche une particule plus petite, l’électron, et on compose des « images » électroniques. Puis pour aller vers encore plus petit, on utilise des microscopes à effet tunnel, un effet quantique qui explique que les étoiles brillent. Bref, on change de messager.

En astronomie, les photons sont rois !

Et oui, ils voyagent dans le vide à la vitesse de la lumière. Mais ici encore, l’humain ne se contente pas des couleurs que ces yeux peuvent percevoir.

En fait, la gamme d’énergie des photons lumineux visibles est étroite. Alors on invente des capteurs pour d’autres longueurs d’ondes électromagnétiques.

Tout d’abord les lumières proches du visible Infrarouge et ultraviolet.

Plus on va sous le rouge et moins les photons sont énergétiques ( microondes, ondes radio). Inversement plus on monte au delà du violet, plus ils sont énergétiques (rayons X, rayons Gamma).

On capte différentes longueurs d’ondes pour voir des phénomènes différents. Rappelez-vous de la causalité couleur/température. Ça fonctionne très bien en astronomie.

Explorer d’autres sens

Notre ouïe est sensible aux ondes acoustiques c’est à dire la vibration d’un milieu.

En sciences, on fait pareil qu’avec la lumière : on étudie les sons audibles mais aussi les infrasons (plus graves) et ultrasons (plus aigus). Ces ondes peuvent être « écoutées » dans tout milieu capable de vibrer. Donc on étudie les sons sous marins, intra terrestres. Ces derniers étant les ondes sismiques…

Grace à nos connaissances des propagations des ondes, on reconstruit l’intérieur de notre planète sans jamais y être allé. On détecte des mouvements de liquides dans la croûte terrestre

Il y a des sens que contrairement aux pigeons, nous n’avons pas…

Nous ne captons pas le champ magnétique. Alors nous inventons la boussole… maintenant, quasiment toute sonde spatiale est équipée de son magnétomètre. L’humain « voit » le magnétisme.

Voir encore moins évident ?

En fait, chaque découverte d’un possible messager d’information fait naitre une discipline pour le faire parler :

Voir les neutrinos

Ce sont des particules « fantômes » car elles interagissent extrêmement peu avec la matière. Pourtant, les étudier est important dans la compréhension des phénomènes astronomiques. Alors on a développé des capteurs à neutrinos.

La relativité générale prévoit l’existence d’ondes gravitationnelles

Alors on construit des interféromètres capables de capter une déformation de l’espace-temps de l’ordre d’1/4 du diamètre d’un atome !!! Et on capte ces ondes gravitationnelles…

Le modèle standard de la physique des particules prédit l’existence d’un boson

Alors on configure la plus grande expérience de physique de l’histoire. Le grand collisionneur de hadrons au CERN à Genève. Et on découvre le boson de Higgs.

Trouver des exoplanètes

On va inventer pas mois de 4 méthodes distinctes pour détecter une planète autour d’une étoile lointaine. Et on en fait une grande moisson !

Pousser un messager dans ses subtilités

On a besoin d’apprendre plus avec les messages qui nous parviennent. Alors une onde lumineuse doit donner d’autres indices que la température…

On fait des spectres de lumière et on en étudie le décalage par rapport au spectre attendu : ceci nous permet de voir la vitesse de la source lumineuse par rapport à nous… Redshift, vous aves déjà entendu ?

Les ondes interagissent entre elles en formant de figures d’interférences.

Ce phénomène donnera le plus grand radiotélescope planétaire (12 000 km x 8 000 km)

Quoi ??? Pas possible, construire un truc si grand, c’est impossible !!!

Oui mais… en utilisant les interférences, il « suffit » de quelques radiotéléscopes bien dispersés sur Terre et on peut reconstruire l’image qu’aurait vu un télescope aussi vaste que leurs éloignements les uns des autres. Du coup, on voit un trou noir super massif de 6 milliards de fois la masse du soleil situé à 80 millions d’années lumière.

Et ce qu’on ne sait pas encore voir

Il existe des choses encore inconnues à découvrir.

On en suppose l’existence par les effets qu’on peut détecter.

Alors des expériences vont tenter d’en savoir plus sur la matière noire, l’énergie noire… De belles découvertes en perspective…

La science voit l’invisible

Vous comprenez d’où viennent ces connaissances du monde. Les sciences sont de plus en plus complexes car elle étudient des phénomènes de plus en plus fins.

Il reste une constante : plus on veut voir de façon décalée par rapport à nos sens, plus les appareils sont gros chers et techniques ! Et c’est peut-être ça qui va limiter nos découvertes futures… A voir…

Sources

Mon défi : Tour d’horizon de la science en 30 jours

Les règles que je me suis fixées :

  • Je publie un article par jour pendant le mois de mars 2021
  • Je traite de la méta question de LA science
  • Je fournis mes sources principales
  • Je suis faillible et peux faire des erreurs, je les reconnaitrai publiquement lors de la correction d’articles (et créditerai celui ou celle qui me le fera savoir) – pas pour des fautes d’orthographe non plus 😉 il n’y a pas d’intérêt.

J’aimerais votre avis sur mon défi :

  • est-ce une bonne idée ?
  • que souhaitez-vous que je traite ?
  • est-ce utile, avez-vous appris de mes articles ?

J’attends vos commentaires.

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