GAIL DIXON Traduit de l’anglais par Charles Frankel PAUL & PARSONS CLÉS POUR CO

GAIL DIXON Traduit de l’anglais par Charles Frankel PAUL & PARSONS CLÉS POUR COMPRENDRE LES GRANDES IDÉES DE LA SCIENCE 5O table des matières 27  La théorie microbienne 108 28 Les virus 112 29 Les gènes 116 30 L’évolution 120 31  La diaspora d’Homo sapiens 124 32 La double hélice 128 33 Clonage et OGM 132 34  La biologie de synthèse 136 35 La conscience 140 36 Le langage 144 37 Les ères glaciaires 148 38  La tectonique des plaques 152 39  Les extinctions de masse 156 40  Le changement climatique 160 41  La révolution copernicienne 164 42 Les galaxies 168 43 Le Big Bang 172 44 La matière noire 176 45 L’énergie sombre 180 46  Le destin de l’Univers 184 47 Les trous noirs 188 48 Le multivers 192 49 Les exoplanètes 196 50  La vie extraterrestre 200 Glossaire 204 Index 206 Introduction 3 01  Le principe de Fermat 4 02  Les lois de Newton 8 03  La gravitation universelle 12 04  L’électro­ magnétisme 16 05  La thermo­ dynamique 20 06  La relativité restreinte 24 07  La relativité générale 28 08  La mécanique quantique 32 09  Les champs quantiques 36 10  La physique des particules 40 11  L’énergie nucléaire 44 12  La théorie des cordes 48 13  La théorie de l’information 52 14  La théorie du chaos 56 15  Les ordinateurs quantiques 60 16  L’intelligence artificielle 64 17  Atomes et molécules 68 18  Le tableau périodique 72 19  La radioactivité 76 20  Les semi-conducteurs 80 21  Les supra­ conducteurs 84 22  Ballons de foot et nanotubes 88 23  La nano­ technologie 92 24  Les origines de la vie 96 25  La photo­ synthèse 100 26 La cellule 104 Introduction 3 3 introduction Albert Einstein se plaisait à dire que « les grands scientifiques sont aussi des artistes ». La remarque ne laisse pas de surprendre, car la science en général semble manquer singulièrement de créativité. Régie par des observations et des données, elle laisse peu de place en apparence à l’esprit créatif. C’est loin d’être exact : le message que cherche à faire passer Einstein est qu’en science les esprits novateurs sont justement ceux qui sont les plus créatifs. Ce sont leurs idées, plutôt que leurs compétences techniques, qui révolutionnent notre conception du monde. De temps en temps, en effet, un chercheur à la créativité extraordinaire surgit sur le devant de la scène, et sa vision du monde ne se limite pas à une évolu- tion, mais bouleverse complètement les idées reçues et nous propulse dans une nouvelle dimension du savoir. Ce fut le cas d’Albert Einstein lorsqu’il formula ses théories de la relativité ou de Charles Darwin lorsqu’il établit le principe de l’évolution par sélection naturelle. Ces chercheurs avaient aussi une grande compétence technique. Mais sans cette étincelle de génie créatif, même la maîtrise absolue des instruments mathéma- tiques ou une connaissance encyclopédique du monde naturel n’auraient pu leur permettre de révolutionner la science comme ils l’ont fait. Ainsi, il est bon de se rappeler que la science à l’école ne doit pas se résumer à apprendre des théories par cœur. Dans les chapitres qui vont suivre sont présentés les 50 plus grands concepts qu’ont échafaudés les chercheurs à travers les siècles. Les sujets retenus sont évidemment des choix personnels ; tout autre auteur aurait sans nul doute organisé ce livre différemment. Mais nous avons recherché un juste équilibre des thèmes, et nous espérons que le lecteur aura autant de plaisir à les décou- vrir que nous en avons eu à les présenter. Lorsque la place le permet, nous y avons joint de courtes biographies des chercheurs concernés, présentant leur parcours et leur vie personnelle. C’est donc à un fascinant voyage que nous vous convions, à la découverte des plus belles théories scientifiques élaborées par ces créateurs hors du commun. Et l’aventure continue : quelles idées nou- velles germent dans l’esprit des savants aujourd’hui et s’épanouiront dans les années à venir ? Paul Parsons & Gail Dixon 50 clés pour comprendre les grandes idées de la science 4 chronologie 984 Le mathématicien perse Ibn Sahl est le premier à énoncer les lois de la réfraction 1662 Pierre de Fermat propose que les rayons lumineux obéissent au principe de moindre temps 1744 Pierre-Louis de Maupertuis propose le principe de moindre action À l’époque de Fermat, les physiciens connaissaient déjà bien le phénomène de la « réfraction » : le changement de direction d’un rayon lumineux lorsqu’il passe d’un milieu à un autre. Trempez par exemple un crayon dans un verre d’eau : vu de profil, le crayon semble brisé en deux segments qui font entre eux un angle prononcé. Ce phénomène de réfraction a lieu lorsque les deux milieux n’ont pas la même « densité optique », à savoir que la lumière s’y propage à des vitesses différentes : l’angle de déviation du rayon lumineux est proportionnel au rapport de ces deux vitesses, selon une formule mathématique appelée loi de Snell-Descartes (voir encadré, page ci-contre). Restait à comprendre pourquoi. Fermat entre en scène Fermat proposa « le principe de moindre temps », à savoir que la lumière prend toujours la trajectoire la plus brève entre deux points. Cette hypothèse permettait d’expliquer mathématiquement la loi de Snell-Descartes. Une bonne analogie est celle du maître-nageur qui porte secours à une per- sonne en train de se noyer. Il se trouve en haut de plage et pas directement en face de la personne en détresse. Quelle distance doit-il courir sur la plage, puis nager dans l’eau, pour arriver au plus vite ? La distance la plus courte entre le maître-nageur et sa cible est bien sûr la ligne droite joignant les deux, donc on pourrait penser que c’est la trajectoire à À la fin du xviie siècle, le mathématicien français Pierre de Fermat décrit le comportement des rayons lumineux par une loi simple et élégante : pour voyager entre deux points, la lumière choisit le chemin le plus rapide. Ce concept a ouvert la voie à un principe encore plus fondamental de la physique moderne. 01  Le principe de Fermat Le principe de Fermat 5 1788 Joseph-Louis Lagrange dérive du principe précédent la mécanique analytique 1915 Le mathématicien allemand David Hilbert dérive des actions la relativité générale d’Einstein 1948 Le physicien américain Richard Feynman formule l’intégrale de chemin en théorie quantique suivre. Mais ce n’est pas le cas, car le maître-nageur court plus vite qu’il ne peut nager. Suivre une ligne droite l’amènerait à réaliser une trop grande partie du parcours dans l’eau. Courir le long de la plage jusqu’à se retrouver face à la personne avant de plonger n’est pas idéal non plus, car la distance courue est trop longue. La solution est un compromis entre les deux : courir en diagonale à travers la plage jusqu’à un point précisément calculé du rivage, puis changer d’angle lors de la mise à l’eau pour la seconde partie du par- cours – tout comme un rayon lumineux lorsqu’il se réfracte. L’explication physique qui sous-tend le principe de Fermat touche à la nature ondulatoire de la lumière, en particulier le phénomène d’in- terférence lorsque deux ondes se combinent en une seule. Si la crête d’une onde coïncide avec le creux d’une autre, elles s’effacent mutuellement. En revanche, si les deux ondes font coïncider leurs crêtes et leurs creux, leur somme est une onde amplifiée. Pour pratiquement chaque trajectoire suivie par une onde lumineuse, il en existe une autre qui interfère avec elle de façon destructive pour l’effacer. L’exception est la trajectoire de durée minimale : c’est celle où La loi de Snell-Descartes Bien qu’elle porte aujourd’hui les noms de Willebrord Snellius et René Descartes, la loi qui décrit la réfraction des rayons lumineux fut énoncée plus de 600 ans auparavant par le mathématicien perse Ibn Sahl. En présence d’une interface entre deux milieux, dans lesquels la vitesse de la lumière est respecti- vement v1 et v2, alors les angles respectifs θ1 et θ2 entre les rayons lumineux et une ligne perpendicu- laire à l’interface sont donnés par la formule sin θ1/sin θ2 = v1/v2 (où sin est la fonction trigonométrique sinus). θ1 θ2 v1 v2 Milieu où la vitesse de la lumière est plus rapide Milieu où la vitesse de la lumière est moins rapide 50 clés pour comprendre les grandes idées de la science 6 la lumière nous est donc visible. Le principe de Fermat explique aussi les lois qui gouvernent la réflexion de la lumière à l’interface entre deux milieux, y compris la « réflexion totale interne » selon laquelle un rayon de lumière est incapable de s’échapper d’un milieu lorsqu’il frappe son interface selon un angle rasant, propriété exploitée dans les fibres optiques. Le principe de Fermat allait lancer d’autres pistes. En 1744, le mathématicien Pierre-Louis de Maupertuis s’est ainsi demandé si au-delà du comportement des uploads/Science et Technologie/ feuille-tage 6 .pdf

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Science et Technologienewton force entre principe mouvement
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