Voir la présentation d'Edouard Brézin - CNRS Alsace

Les avancées conceptuelles de de la sciencen’intéressent-elles que les scientifiques?NON!!Exemples:• l’historicité du vivant (Darwin),• de la Terre (Wegener, tectonique des plaques)• de l’Univers (Einstein & Hubble)

La physique est une ‘vieille science’Est-elle en voie d’achèvement et sommes nousen train de nous battre sur des détails?

Du rôle de la recherchefondamentale• L’électricité n’a pas été découverte encherchant à améliorer les bougies…• La main de Mme Roentgen (1895)

GPS• 24 satellites qui orbitent à 20 000 kms• Tout point de la surface du globe est visible par au moins 4 satellites• La lumière parcourt 300 mètres en une microseconde, il faut deshorloges atomiques• Horloge atomique : une seconde, temps nécessaire pour9 192 631 770 périodes de la radiation produite par la transition entredeux niveaux hyperfins du Cs133 ; précision une seconde en 50 millionsd’années.• Précision 10 -10 , i.e. centimètresmais…

• Le satellite se déplace par rapport à nous. Seshorloges nous « semblent » plus lentes(relativité restreinte).• L’effet est un retard de 7 microsecondes parjour

Relativité générale• Les masses courbent l’espace et le temps• Le temps est influencé par la gravité (relativitégénérale)• Toute horloge, même atomique, à l’altitude dusatellite nous semblera en avance de 45microsecondes par jour• Total 45-7 = 38 microsecondes/jour soit plus de10kmsSi on ignorait la relativité le GPS serait inutilisable

Exemple : les lasers• CD, DVD, pointeurs, lecteurs de codes-barres, etc.Lorsqu’ils furent découverts (Townes et al. 1960), ils étaientconsidérés comme des objets qui n’auraient d’intérêt quepour le laboratoire.

Lasers (suite)• Einstein (1916) émission stimulée : s’il y a N photons defréquence donnée dans une cavité, la probabilité qu’unatome excité émette un photon identique est proportionnelleà (N+1)• Pompage optique pour peupler l’état excité (A. Kastler, J.Brossel)• Cavité pour garder les photons

Spintronique• Magnétisme quantique : contrôle du transport de spin.• Magnéto-résistance géante des multicouches magnétiques (A.Fert), têtesde lecture…• Structures hybrides : matériaux magnétiques + semiconducteurs :microprocesseurs reprogrammables…?

“Loi “ de Moore

Questions ouvertes• Juillet 2005, 125ème anniversaire de Science quipublie une liste de 125 problèmes ouverts• Certains sont déjà résolus ou ont beaucoup évolué•Exemple : la conjecture de Poincaré sur S 3 est résolue(Perelman)

‣ Est-ce que la nature de ce que nous appelons laconscience, ce caractère collectif du paquet deneurones dont nous sommes équipés qui donne lesens du soi, cette question qui a été pendantlongtemps l’apanage des philosophes, va t’elledevenir enfin une question scientifique, c’est-à-direrésoluble par la combinaison d’une démarcheexpérimentale et de l’exercice de la raison ?

• Le problème de la « constante cosmologique » : l’expansionde l’Univers semble s’accélérer sous l’effet d’une formed’énergie « noire » qui l’étire : 70% énergie noire, 27%matière noire, 3% matière visible.• La gravitation à l’échelle quantique implique que l’espacen’est plus indéfiniment divisible, qu’il y a des dimensionssupplémentaires qui ne sont pas accessibles à nos sens et ànos appareils de mesure(théorie des supercordes)

• ‣ Les biologistes, tels les alchimistes quivoulaient transformer le plomb en or, saventaujourd’hui faire les transferts nucléairesnécessaires à la production de chats, de souris, demoutons etc.. Mais nos collègues biologistes nousdisent que ce qui se passe réellement dans l’ovocytequi permet de reprogrammer le noyau cellulaire estencore largement incompris. L’enjeu est bien sûr detraiter des maladies aujourd’hui incurables.

• ‣ Est-ce que les lois de la physique peuvent êtreunifiées ? Les constantes de la nature qui lescaractérisent, vitesse de la lumière, constantes deNewton, de Planck, etc, sont-elles le fait du hasardou le résultat d’un principe qui nous échappe.?Certains théoriciens voient aujourd’hui notreUnivers comme plongé dans un paysage demultivers qui n’ont pas de raisons de ressembler aunôtre.

• Quelle est l'origine du champ magnétique terrestre etquelles sont les causes de ses renversements? (ceux-cipermettent aujourd’hui aux géophysiciens de préciser denombreux épisodes de l’histoire de la Terre).Hypothèse de l’effet dynamo renforcée par des expériencesrécentes sur l’apparition spontanée d’un champ magnétiquedans un flot turbulent de sodium liquide ; celui-ci serenverse également de manière ± aléatoire. (S.Fauve et al2006)

‣ Pourrions nous prédire comment une protéine va sereplier, simplement en connaissant sa structure?Parmi les myriades de possibilités ouvertes derepliement, ces protéines font leurs choix in vivo enquelques microsecondes alors qu’à l’heure actuellecette détermination à partir de la séquence chimiqueprendrait des dizaines d’années de calcul!

• ‣ Quelle est la structure de l’eau, tant il n’est pasbesoin d’aller chercher des objets ésotériques pourrencontrer de l’inconnu ? L’eau est un liquidesingulier ; il n’est déjà pas simple de comprendrepourquoi la glace, l’eau solide, flotte sur le liquide.Mais les raisons physico-chimiques précises qui ontpermis l’éclosion de la vie dans ce milieu sontencore bien incomprises. Peut-on imaginer d’autressolvants dans l’Univers qui autoriseraient une autreforme de vie, certes différente de la nôtre, laquestion est en débat.

L’eauLiquide très singulier :• Le solide flotte sur le liquide• Les températures de cristallisation et d’ébullitionsont anormalement élevées• Sa chaleur spécifique est énorme (facteur 10 parrapport au fer) : stabilisation de la température de laterre

Pourquoi l’eau est-il ce solvantqui a permis la vie?• Liquide coopératif du point de vuediélectrique (constante diélectrique = 80,facteur 6 par rapport à la molécule isolée)• Cette polarisation donne aux liquidesphysiologiques (et à l’eau de mer) leurcapacité à dissoudre de grandes quantitésd’ions

• ‣ Les biologistes du développement, nous disentque l’on est loin encore de comprendre commentles organes et les organismes savent qu’il fauts’arrêter de croître. Nos deux jambes ont à peu prèsla même longueur et le cœur d’une grenouilles’arrête de croître sans chercher à égaler celui dubœuf ! D’où est venue l’instruction qui leur asignalé qu’il était temps de s’arrêter ?

Qui était donc LUCA ?• Last Universal Common Ancester

• La structure détaillée de l’arbre phylogénétique dela vie est encore loin d’être comprise et de fairel’unanimité. Certes nous ne parlons pas ici ducréationnisme, ou du dessein intelligent, formehypocrite de la même antiscience, qui déferle surles Etats-Unis.

Sujets majeurs• Nano-électronique au silicium (quantum dots)• Communication au térabit• Diodes laser de puissance• Semiconducteurs à grand gap• Nanomagnétisme• Nanotubes de carbone

La cosmologie

De COBE à WMAP

• Ces résultats, obtenus grâce au satellite WMAP dela NASA, confirment les mesures des expériencesBoomerang, Maxima et Archeops embarquées surballon stratosphérique.Elles montrent des oscillations correspondant auxpics acoustiques prédits par le modèle du Big Bang.

Encore de l’astrophysique!• Existence d’un trou noir au sein de notrepropre galaxie• Découverte des exoplanètes• Accélération de l’expansion de l’Univers (leproblème de la constante cosmologique!!)

Large Hadron Collider• Higgs• Supersymétrie ?• Dimensions supplémentaires?• Surprises violemment espérées…

Vitalité de la mécaniquequantique• La technologie de notre temps est largementquantique, semi-conducteurs, lasers, supras,spintronique, horloges atomiques…Intrication : non-séparabilité de la mesure ,cryptographie quantique, information quantique,étude des sauts quantiques sur une particule unique,étude de la décohérence…Piégeage radiatif, condensats de Bose-Einstein,rapprochement entre physique atomique et matièrecondensée.

Physique et le vivant• La physique est-elle instrumentation ou méthoded’approche?• Manipulation de molécules biologiques uniques,• Effet des fluctuations et robustesse• Etude des moteurs moléculaires• Etude des transitions avec brisure de symétrie dans laphysiologie (ex l’audition)• Mécanique statistique du repliement des protéines

Imagerie médicale

Imagerie (suite)Figure 4. Détection de la maladie d’Alzheimer grâce à la tomographie par émission de p ositrons (TEP). Lacam&éra détecte des variations du débit sanguin, grâce à l’injection d’un marqueur du métablisme énergétique,un analogue du glucose marqué au fluor 18 ,le 18 F-FDG. A gauche, cerveau normal ; au milieu, maladiedébutante ; à droite, maladie sévère.

• ……IRM fonctionnelle

Conclusion• Le XXème siècle a montré que lestechniques les plus innovantes sont issues deprogrès a priori purement conceptuelscomme la mécanique quantique (lasers,semiconducteurs…) et la relativité.• Rien ne permet de penser qu’il n’en sera pasainsi également au XXIème siècle