Sciences et Philosophie étaient auparavant mélangées et ne formaient qu'un... Aujourd'hui c'est rarement le cas. Ce blog est conçu pour que tous les gens s'intéressant aux Sciences (spécialistes ou non) puissent interagir et donner leurs opinions sur cette chose étrange qui parait retranscrire la réalité en équations.
Le C@fé des sciences est une communauté de blogs scientifiques en français.
Le blog La Science pour Tous est membre du c@fé depuis 2 ans environ. En 3 ans d’existence, le c@fé a intégré 22 blogs à partir d’une
sélection rigoureuse où chaque nouvelle demande a été examinée par les membres du c@fé et approuvée ou non par vote.
Le C@fé agrège les billets de tous les membres sur sa page principale et donne une liste alphabétique des
différents blogs mais il n’y a pas de vue globale des blogs par catégorie, d’où l’idée de faire une carte interactive des blogs du c@fé.
Pour voir la carte en plus grand format, cliquez ici.
Les tendances
Il est toujours délicat d’affecter une catégorie à un blog car la majorité des blogs scientifiques abordent de
nombreux sujets parfois divers. Cependant, les auteurs ont toujours des préférences qui se retrouvent dans leurs billets et on peut alors attribuer aux différents blogs une tendance
générale. Les différentes tendances sélectionnées sont les suivantes :
- Sciences et Vie de la Terre : dans cette section, les blogs peuvent parler de biologie, de
génétique, d’évolution mais également de zoologie ou de climatologie et d’environnement.
- Math/Physique : cette étiquette regroupe les blogs qui parlent de mathématiques et de physique ainsi
que de leurs applications technologiques et de leur histoire.
- Actualités : certains blogs sont spécialisés dans les faits scientifiques d'actualité. Ils sont souvent
tenus par des journalistes (scientifiques ou non).
- Sciences Humaines : les Sciences Humaines et Sociales ont également leur place au c@fé des sciences mais
sont encore peut représentées.
- Sciences générales : les blogs qui parlent de tous les sujets scientifiques sans réelle dominance sont
classés ici.
On peut également voir sur la carte que certains blogs sont proches de 2 continents car ils sont un peu entre 2
thématiques comme le blog de Tom Roud, Dr Goulu ou le Webinet des curiosités.
J'attends vos commentaires et suggestions pour améliorer cette carte dans l'avenir !
Sadi Carnot est considéré comme le père de la thermodynamique moderne en introduisant plus ou moins le deuxième principe de la thermodynamique.
J'ai déjà consacré 2 billets à la thermodynamique sur ce blog : Thermodynamique : Les bases et Thermodynamique : Principes et Applications. J'ai donc déjà parlé de Sadi Carnot mais je voulais vous informer que je
viens de publier sur le site de la bibliothèque numérique Bibnum une analyse au sujet du fameux texte de Sadi Carnot intitulé "Réflexions sur la
puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance" dans lequel il explique son fameux cycle de Carnot. Je vous invite donc à consulter cette analysequi permet de mettre en lumière la clairvoyance de Sadi Carnot pour son époque (le texte date de 1824). D'autant
que Sadi Carnot est mort relativement jeune, à 36 ans à cause d'une épidémie de choléra, pratiquement dans l'oubli général, alors qu'il a tout simplement révolutioné la thermodynamique et le
développement des machines thermiques, des moteurs de voiture aux moteurs des avions à réaction.
On peut s'étonner tout de même que le texte de Sadi Carnot n'est pas fait plus de bruit de l'époque, surtout qu'il était issu d'une très grande famille française. En effet, son père, Lazare
Carnot, était membre de la Convention nationale et un physicien de renom (son nom est d'ailleurs inscrit sur la Tour Eiffel), son frère Hyppolyte Carnot fut ministre de
l'instruction publique et son neveu qui s'appelait également Sadi Carnot (eh oui il ne faut pas les confondre) fût président du conseil de 1887 à 1894.
De plus, Sadi Carnot était polytechnicien comme on peut le voir sur sa peinture réalisée par Boilly en 1824 qui était alors un peintre de renom. Sadi Carnot jouissait donc, surtout à
cette époque, d'une bonne visibilité scientifique. Sûrement que ses écrits ne furent pas pleinement compris par ses contemporains. Il faudra attendre Clapeyron puis Clausius
plus de 25 ans plus tard pour reprendre les travaux de Carnot pour formaliser cette deuxième loi de la thermodynamique ainsi que ses implications sur les machines thermiques. De même,
c'est ce texte de Canot qui guidera Thomson (Lord Kelvin) vers la création d'une échelle de température absolue (le kelvin) en 1848 et qui donnera naissance à la
notion d'entropie en 1854.
Bref, je voulais juste saluer cet homme qui a beaucoup fait pour la Science et qui est mort dans l'indifférence comme beaucoup d'autres.
La physique des particules est une science étrange et fascinante. Elle a pour mission de réaliser le
bestiaire des particules qui nous entourent et d’expliquer les différents mécanismes entre particules qu’on appelle interactions. On trouve également la dénomination physique des hautes
énergies pour parler de la physique des particules car la plupart de ces petites choses se désintègrent très vite et n’existent que pendant quelques pouillèmes de seconde lors de collisions à
hautes énergies avant de se désintégrer. Ci-dessous : une particule en pleine action :
Il n’est pas chose aisée que d’établir une liste des particules de manière claire, même s’il existe des grandes
familles. Pour les néophytes, voici quelques règles simples à retenir avant tout :
1. Les particules élémentaires sont les constituants élémentaires de la matière qui nous entoure. A ce titre, elles sont insécables : on ne peut pas les diviser en de plus petites
entités. Exemple : un électron.
2. A chaque particule élémentaire est associée une antiparticule élémentaire de même masse et ayant
presque les mêmes propriétés mais avec une charge électrique opposée. Exemple : un antiélectron (aussi appelé positron).
3. Les particules élémentaires peuvent se regrouper pour former de nouvelles particules composites.
Exemple : un proton est composé de quarks.
4. Les atomes sont constitués de particules.
Exemple : un atome d’hydrogène est composé d’un proton et d’un électron.
5. Les molécules sont constituées d’atomes.
Exemple : une molécule d’eau (H2O) est composée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène.
6. Certaines particules sont stables, d’autres sont instables car elles se désintègrent très vite après leur création. Exemple : l’électron est stable, le muon est instable.
7. Il existe 4 forces d’interaction : la gravité, l’électromagnétisme, la force faible et la force forte. Pour plus de détails sur les interactions,
voir le billet Vous avez dit force ?
Les particules élémentaires
La physique des particules possède un modèle théorique pour décrire les particules élémentaires qui porte le
simple nom de modèle standard. A ce jour, toutes les particules du modèle standard ont été observées dans les accélérateurs de particules à l’exception d’une particule : le boson
de Higgs, qui devrait être détectée dans l’avenir avec le nouvel accélérateur de particule du CERN, le LHC.
Le modèle standard regroupe 25 particules élémentaires représentées dans le tableau ci-dessous (ainsi que
leurs 25 antiparticules associées que je ne citerai pas pour raison de lisibilité). Il existe 2 grandes familles de particules élémentaires :
-La famille des particules de matière : ce sont les fermions.
-La famille des particules de champ qui sont des médiateurs et permettent de véhiculer une force
d’interaction : les bosons de gauge.
Le modèle standard parle ensuite de 3générations qui sont dues à la différence de masse entre les
particules. La première génération rassemble les particules les plus légères qui sont stables et constituent la matière qui nous entoure alors que les générations 2 et 3 sont constituées de
particules plus lourdes créées artificiellement sur Terre dans les accélérateurs de particules et qui se désintègrent rapidement.
Il existe 12 fermions qui sont classés en 2 sous-familles :
- 6 leptons qui ne sont pas sensibles à l’interaction forte :
Première génération : l’électron et le neutrino électronique.
Deuxième génération : le muon et le neutrino muonique.
Troisième génération : le tauon et le neutrino tauonique.
- 6 quarks qui sont sensibles à toutes les interactions :
Première génération : quarksup et down.
Deuxième génération : quarksstrange et charmed.
Troisième génération : quarksbottom (aussi appelé beauty) et
top.
Il existe 13 bosons de gauge pour véhiculer 3 forces d’interaction ainsi que la masse aux différentes
particules :
- Le photon qui est le médiateur de la force électromagnétique.
- Les bosons W+, W- et Z0 qui véhiculent la force faible.
- Les 8 gluons qui sont responsables de la force forte.
- Le boson de Higgs qui conférerait leur masse aux particules (hypothétique).
Il y a aussi une particule hypothétique appelée graviton qui serait le médiateur de la force
gravitationnelle. Je le mentionne ici car cette particule me semble importante mais elle ne fait pas partie du modèle standard qui ne décrit pas les phénomènes gravitationnels. Il existe de
nombreuses autres particules élémentaires hypothétiques dans les différentes théories des physiciens (parfois un peu tarabiscotées) mais aucune d’entre elles n’a jamais été détectée, je n’en
parlerai donc pas dans ce billet.
Voila, vous connaissez à présent toutes les particules élémentaires du modèle standard qui permettraient
d’expliquer toute la physique!!
Les particules composites
Des particules élémentaires peuvent se regrouper sous l’influence des différentes interactions pour former de
nouvelles particules. Le meilleur exemple est le regroupement des quarks sous l’effet de la force forte, formant ainsi une nouvelle classe de particules composites appelées hadrons.
Les hadrons se décomposent en 2 familles :
- Les mésons qui sont composés par un nombre pair de quarks et d’antiquarks. Il en existe à ce jour plus
d’une dizaine dont, entre autres, les kaons et les pions.
- Les baryons qui sont composés de 3 quarks. On en dénombre plus d’une vingtaine mais les plus
connus sont les protons (2 quarks up + 1 quark down) et les neutrons (2 quarks down + 1 quark up).
La force forte agit comme un ressort sur les quarks : plus les quarks tentent de s’éloigner, plus la force
forte augmente. Il est ainsi très difficile de séparer des quarks liés, et c’est pour cela que l’on a longtemps pensé que les protons et les neutrons étaient des particules élémentaires. Encore
une fois, les différentes théories de la physique décrivent d’autres classes de hadrons, dit exotiques, dont je ne parlerai pas.
Les quasi-particules
Par commodité, la physique peut faire appel au concept de particule pour décrire des phénomènes sans qu’une
particule n’existe vraiment, on parle alors de quasi-particule. Une quasi-particule peut par exemple décrire un « manque de particule réelle », ce que l’on appelle un
« trou » pour parler de l’absence d’un électron en électricité ou bien encore la propagation d’ondes dans des structures cristallines (phonon).
Illustrations : Noémie Thiéblemont et Alexandre Moraux, que je tiens tout particulièrement à remercier pour
les différents dessins de particules présentés dans ce billet et qui permettront, je l’espère, à mieux se familiariser avec toutes ces petites particules ! C'est donc eux qu'il faut
féliciter !
Tout le monde l'a déjà constaté : en montagne, il fait plus froid qu'en plaine, mais pourquoi ? Quand
j'étais petit, je ne comprenais pas ce phénomène, car logiquement, il devrait faire plus chaud en altitude car on se rapproche du Soleil !! En fait, je me suis rendu compte plus tard que ce
facteur était négligeable car nous sommes à 150 millions de kilomètres du Soleil et gagner ne ce serait-ce que 10 kilomètres ne change rien du tout. La réponse vient du fait que l'air se raréfie
avec l'altitude et que cette raréfaction fait chuter la température, explication dans ce billet !
2 photos de moi prises au mois d’avril par un jour de beau temps dans les Alpes suisses : une à 800m et
une à 3000m.
Qu'est-ce qui fait varier la température de l'air ?
La température de l'air varie en fonction de plusieurs paramètres tels que la présence de nuages, de pluie ou
de neige, le type de végétation, le type de sol, la proximité d'eau, le degré d'humidité dans l'air, etc.
Ici, nous négligerons tous ces paramètres qui influencent la température de l'air de manière locale pour nous
intéresser seulement à l'influence de la variation de la pression atmosphérique sur la température, c'est précisément ce que les scientifiques appelles le gradient thermique
adiabatique, c'est le fameux : « on perd 1°C tous les 100m ».Un gradient thermique est une variation continue de la température en fonction d'une variable (ici
l'altitude) et l'adjectif adiabatique signifie qu'on néglige tout autre échange de chaleur avec l'extérieur.
L'atmosphère
Notre atmosphère est maintenue au dessus de nos têtes par gravité, c'est la masse importante de la Terre qui
retient en suspension une couche d'air de plusieurs centaines de kilomètres. Il n'y a pas vraiment de démarcation nette entre l'atmosphère et l'espace car notre atmosphère s'évanouit peu à peu
mais on prend souvent comme limite l'altitude de 120 km où les effets de l'atmosphère commencent à être notables.
A titre d'information, notre atmosphère possède une masse de 5 130 millions de milliards de kilogrammes
(5,13.1018 kg), cela représente un millionième de la masse de la Terre. Etant donné que la surface de la Terre est de 510 millions km², un rapide calcul permet d'estimer la masse d'air
qui « appui » sur le sol :
5,13.1018 / 510.1012 = 10 000 kg/m²
Eh oui, quand vous êtes allongé (un homme a une surface d'environ 1m² qui regarde vers le ciel), une colonne d'air
d'environ 10 tonnes vous appuie dessus ! Ceci constitue la pression atmosphérique. Comme l'accélération gravitationnelle de la Terre, g, est d'environ 10 m/s², l'air de l'atmosphère
créé donc une pression de 10 000 * 10 = 100 000 newton/m² = 100 000 pascal = 1 bar, CQFD !
L'atmosphère est découpée en plusieurs couches inégales portant des noms barbares se finissant par
« sphère ». Chaque couche est définie en fonction de l'évolution de la température : la température diminue dans la première couche, augmente dans la deuxième couche, puis diminue
encore dans la troisième pour raugmenter dans la quatrième. Voici les 4 couches en question :
- La troposphère : elle constitue environ les 10 premiers kilomètres de l'atmosphère et c'est ici que
nous vivons, que les avions volent et où les plus hautes montagnes demeurent. Cette couche, la plus fine de toute, contient 80% de la masse totale de l'atmosphère et la température diminue avec
l'altitude
- La stratosphère : entre 10 km et 50 km d'altitude, elle renferme une bonne partie de la fameuse
couche d'ozone si importante pour la vie.
- La mésosphère : située entre 50 et 80 km, elle est au milieu de l'atmosphère (méso signifie
milieu en grec). C'est dans cette couche que la plupart des météorites sont brulés par frottement avec l'air.
- La thermosphère commence à environ 80 km d'altitude pour s'étendre jusqu'à environ 620 kilomètres. C'est
dans cette couche que gravite la station spatiale internationale et où les aurores boréales se produisent.
Calcul du gradient thermique adiabatique théorique
Je rappelle que le gradient thermique adiabatique représente l'évolution de la température à cause du
changement de pression uniquement.
L'air peut être considéré comme un gaz parfait (tous les atomes sont assez éloignés les uns des autres de
manière à négliger les chocs entre eux) et dans ce cas, lorsque la pression atmosphérique diminue, la température diminue également, voir précédent billet sur la Thermodynamique. On peut alors mettre en relation un couple de pression et de température (P,T) par rapport à un
couple (Po,To) connu (par exemple au niveau de la mer où Po=1 013,25 hPa et To=15°C) :
où R est la constante des gaz parfait (R=8,13 J/(K.mol)) et Cp est la chaleur spécifique de l'air à pression constante
(Cp=710 J/(kg.K)). Cette formule permet de trouver le fameux gradient thermique adiabatique en théorie (pour de l'air sec, sans vapeur d'eau) et on obtient -9,76°C/km, soit une
chute d'environ 1°C tous les 100m: la fameuse "formule" qu'on apprend à l'école.
Le standard OACI
La formule théorique ci-dessus n'est pas forcément très juste à cause des hypothèse faites et il existe de
nombreux modèles plus ou moins complexes pour rendre compte du gradient thermique adiabatique dans les différentes couches. Le gradient de température se déduit du gradient de
pression donc avant toute chose, il faut un modèle de l'évolution de la pression dans l'atmosphère.
Un des modèles facile à appréhender, car simple, est celui de l'Organisation de l'Aviation Civile Internationale
(OACI) qui définit l'« atmosphère type OACI ». Il définit la pression et la température au niveau de la mer à 1 013,25 hPa (hectopascal) et 15 °C et la vapeur d'eau présente
dans l'atmosphère n'est pas prise en compte. La pression à une altitude donnée dans la troposphère est alors définie par l'expression suivante :
L'OACI définit ensuite un gradient thermique adiabatique constant dans la troposphère et qui est égal à -6,5°C par
kilomètre de manière linéaire.
Ainsi, la pression est de 900 hPa et la température de 8,5°C à 1000 m d'altitude, 553 hPa et -16,3°C à 4810m
(altitude du Mont Blanc), 314 hPa et -42,5°C à 8848m (altitude de l'Everest). L'air est donc plus de 3 fois plus rare en haut de l'Everest qu'au niveau de la mer et la différence de température
due à ce changement de pression est de 57°C !
Un nouveau site vient de voir le jour sur la toile : Wolfram
Alpha. A priori, rien d'exceptionnel, mais le principe et l'efficacité de ce « moteur » m'a plutôt impressionné... Evidement, il n'a pas réponse à tout, mais quand même... Quand on
tape « Dieu » (God anglais) on apprend que « god » est le 486ème mot le plus cité en anglais à l'écrit et le 273ème mot le
plus cité à l'oral (un mot sur 3300) mais Wolfram ne nous dit pas qui il est et s'il existe...
Je me suis retrouvé un peu bête la première fois devant la barre de recherche, je ne savais pas quoi taper alors
j'ai essayé simplement « helium » et le site m'a donné sa place dans le tableau périodique des éléments avec toutes les propriétés atomiques, chimiques, thermodynamiques et
magnétiques de l'hélium avec ses isotopes de manière joliment présentée avec toutes les unités configurables, plutôt pas mal, mais bon, rien d'extraordinaire non plus (j'aurais été impressionné
qu'il me donne la variation de chaleur spécifique en fonction de la température). J'ai également tenté « helium phase diagram » et il m'a fourni un beau diagramme de phase de
l'hélium (nettement mieux que ceux qu'on trouve habituellement sur le web).
Le site se définit comme un moteur de calcul des connaissances (computational knowledge engine).
En gros, c'est un peu une sorte de moteur de recherche comme Google mais Wolfram permet de calculer tout ce qui peut être calculé à propos de n'importe quoi, c'est le site qui le
dit : make it possible to compute whatever can be computed about anything. Désolé, le site est uniquement en anglais pour l'instant.
Wolfram fournit un résultat unique comme une encyclopédie, contrairement à un moteur de recherche classique
qui fournit une quantité impressionnante de sources où l'on peut souvent se perdre. L'idée est de faire une requête sur une question, quelle qu'elle soit et d'y répondre le mieux possible. Les
questions peuvent être évidemment scientifiques mais pas seulement, Wolfram répond aussi à des questions de géographie, de musique, de sport, d'histoire, etc. Bref, c'est un peu comme un
super Quid. La réponse est ensuite téléchargeable en format pdf.
Etant proche de la Suisse et aimant le gruyère, j'ai donc tenté de connaitre la densité du gruyère suisse, j'ai
donc tapé « cheese gruyère density » et Wolfram m'a répondu sans ciller 0,92 g/cm3:
L'algorithme utilisé par Wolfram utilise pas moins de 5 millions de lignes de codes écrites en langage
Mathematica pour ceux qui connaissent, sans commentaires.... Le tout est relié à une base de données qui contient (selon le site) environ 10 milliards d'entrées et plus de
50 000 types d'algorithmes et de modèles. J'ai également tenté de taper la ville où j'habite (Gex) et j'ai eu ma réponse :
Il y a également, toutes les possibilités de calcul de manière formelle comme dans Mathematica.
J’ai tapé « cos(2x) + sin(x) + tan(x)^2 » et Wolfram m’a répondu pleins de choses, entre autres :
En revanche, des déceptions, je n’ai rien trouvé en tapant : superfluid helium, Euler flow
et Théodulf (évêque d’Orléans pendant la Renaissance carolingienne).
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