[i]
En mai 1959, Sir Charles Percy Snow, baron Snow de Leicester, chimiste et écrivain de science-‐fiction (1905-‐1980) s’est rendu célèbre pour une conférence donnée sur les « deux cultures », portant sur le dé-‐ calage grandissant entre culture scientifique et humanités.
« Il m’est arrivé souvent de me trouver dans des réunions de personnes, qui selon les critères de la culture traditionnelle, passent pour hautement instruites, où elles exprimaient avec grande délectation leur effare-‐ ment devant le manque de culture des scientifiques. [si j’avais] demandé à l’assistance […] « Qu’entendez-‐vous par masse, ou accélération ? », ce qui serait l’équivalent scientifique de « Savez-‐vous lire ? », pas plus d’un individu sur dix parmi les plus instruits aurait eu le sentiment que je parlais la même langue que lui. Si bien qu’à mesure que s’élève le grand édifice de la physique moderne, les gens les plus intelligents du monde occi-‐ dental en savent pour la plupart à peu près aussi long que leurs ancêtres du Néolithique.
Cité dans : Ian Stewart, « 7 équations qui ont changé le monde », Robert Laffont 2012, p. 248.
[ii]
Cela est dit explicitement dans le « le socle commun de connaissances et de compétences » établi par le ministère de l’éducation en directive générale des programmes d’éducation du système scolaire. Le qua-‐ trième pilier de ce socle dit : « À l'issue de leur scolarité au collège, les élèves doivent disposer d'une cul-‐ ture scientifique et technologique leur permettant de se construire une première représentation cohé-‐ rente du monde qui répond autant que possible à leurs questionnements. Ils doivent être capables de mobiliser des connaissances scientifiques pour expliquer le fonctionnement d'objets, d'organismes, de phénomènes du monde naturel et acquérir de nouvelles connaissances. ». Il est triste que le résultat ne soit pas à la hauteur des ambitions.
[iii]
Akhenaton, 10e pharaon de la XVIIIe dynastie du Nouvel Empire égyptien (XIIIe siècle avant J.C.) a créé la première religion monothéiste connue, consacrée au culte du disque solaire Aton.
[iv]
Il existe des exceptions. La vie autour des fumeurs noirs des dorsales océaniques dans les grands fonds marins ne repose pas sur la photosynthèse mais sur la chimiosynthèse à partir de molécules d’hydrogène (H2) ou de sulfure d’hydrogène (H2S). Toute une chaine alimentaire se développe à partir de bactéries sulfato-‐réductrice capables de produire de la matière organique à partir de cette source d’énergie chi-‐ mique. De même, il existe, dans les suintements froids, par exemple à 3 000 m de profondeur dans le Golfe du Mexique, des zones riches en méthane dont se nourrissent des bactéries méthanotrophes elles-‐mêmes à l’origine de tout un écosystème. L’exploration de ces formes de vie inhabituelles n’est pas encore très avancée. Il n’existe pas de plantes dans ces écosystèmes exotiques, la chaine alimentaire est une chaine de prédateurs carnivores qui démarre avec des bivalves filtrants, comme les moules et les couteaux, entre autres.
D’importantes questions sont posées par l’existence de ces formes de vie. Ce pourrait-‐il que ces bactéries originales soient à l’origine de la vie sur Terre ? Elles sont souvent extrêmophiles, supportant de fortes pressions, températures, salinités, acidité, résistant à l’empoisonnement par l’arsenic. Elles pourraient être apparues dans un lointain passé terrestre quand les conditions environnementales étaient très diffé-‐ rentes de celles rencontrées aujourd’hui. Pourraient-‐elles exister sur d’autre corps célestes de notre sys-‐ tème solaire ?
[v]
Les aurores boréales
sont la conséquence spectaculaire de l’ionisation de l’air par les particules ioni-‐ sées en provenance du Soleil qui suivent les lignes de champs magnétiques de la Terre et pénètrent dans l’atmosphère à la hauteur des pôles là où ces lignes de champs rejoignent notre globe. Ces particules ioni-‐ sent l’air en produisant ces superbes rideaux lumineux observables dans les pays du Nord et plus rare-‐ ment à notre latitude.
[vi] Le noyau d’un atome est constitué d’un assemblage de protons chargés positivement et de neutrons neutres. C’est le nombre de protons qui fixe le nombre d’électrons chargés négativement qui tournent autour du noyau et fixe les propriétés chimiques de l’atome. Le nombre de neutrons qui ne change pas les propriétés chimiques est variable d’un atome à un autre formant une famille d’isotopes. Le potassium, de symbole K (Kalium) possède 24 isotopes connus dont trois existent dans la nature. Le potassium-‐40, 40K, possède 19 protons et 21 neutrons dans son noyau, il est radioactif par émission d’électrons, et sa durée de demi-‐vie de 1,248 milliard d'années. Après désintégration ß le noyau possède un proton supplémen-‐ taire et l’atome correspondant est le 40Ca, calcium.
[vii] Henri Bequerel (1852-‐1908) est le scientifique qui a découvert la radioactivité. Il reçu en 1903 la moi-‐ tié du Prix Nobel avec Pierre et Marie Curie pour cette découverte. Son nom a été donné à l’unité de me-‐ sure du nombre de désintégrations le Bq.
[viii]
Le million de tonnes équivalent pétrole (Mtep) est une unité de mesure de l’énergie utilisée en éco-‐ nomie pour pouvoir comparer les énergies en référence au pétrole. 1 Mtep = 4,19 1010 J. Chaque forme d’énergie à une valeur particulière dans ce système d’unité.
[ix]
Le Soleil est en effet une gigantesque explosion thermonucléaire qui, au cours d’un cycle publié dans le célèbre article αβγ (Ralph A. Alpher, Hans Bethe & George Gamow, The origin of chemical elements, Physi-‐ cal Review, 73, 803-‐804 (1948)) transforme l’hydrogène original en éléments chimiques plus lourds avec émission de rayonnements. Compte tenu de la masse d’hydrogène encore disponible, cette explosion géante devrait pouvoir durer encore 5 milliards d’années.
[x]
La constante solaire est la quantité d’énergie que reçoit la Terre, chaque seconde, sur une surface per-‐ pendiculaire aux rayons du Soleil au sommet de l’atmosphère. Elle vaut 1361 W/m2. La quantité d’énergie récupérable au sol est plus faible. Elle dépend de la latitude, de la nébulosité, de la pureté de l’atmosphère, de la journée et de l’heure dans la journée.
[xi]
Il n’existe pour le moment que des spéculations très générales tournant autour de l’énergie du vide que l’on rencontre en mécanique quantique et de l’énergie sombre nécessaire à la cosmologie, mais rien de concret.
[xii]
Juste pour le plaisir. La superficie du comté de Lancaster en Pennsylvanie est de 2500 km2 et les Amish y sont 65 000 en 2013. La surface agricole utile de la Terre est de 50 millions de km2 et pourrait donc accommoder 1,3 milliards d’habitants vivant avec l’économie des Amish. Cette valeur correspond bien à la population humaine au moment de la révolution industrielle dont les techniques agricoles étaient proches de celle des Amish modernes. La population mondiale actuelle étant de 7,2 milliards, il faudrait donc cinq Terres et demi comme la nôtre pour que nous puissions tous vivre à la mode Amish.
[xiii]
Le pendule qui stabilise le fonctionnement des horloges est un très bon exemple de passage de l’énergie cinétique à l’énergie potentielle. Au moment où le pendule passe par sa position verticale sa vitesse et donc son énergie cinétique est maximum, son énergie potentielle est minimum. Au contraire, lorsqu’il atteint sa position haute, sa vitesse est nulle et son énergie potentielle maximum. La somme des deux quantités est constante au cours du balancement.
[xiv]
Une pile simple de Volta est constituée d’un disque de cuivre et d’un disque de zinc séparés par une feuille de drap imbibée d’eau salée. Le zinc perd plus facilement ses électrons que le cuivre au contact de la solution saline. Un atome de zinc qui passe en solution dans l’eau salée libère deux électrons ; si les deux disques sont reliés extérieurement par un conducteur, les électrons libérés se propagent, en formant un courant électrique, jusqu‘au cuivre où ils dissocient deux molécules d’eau dont les oxygènes oxydent le cuivre et les hydrogènes se lient pour former une molécule de gaz dihydrogène, H2. Le zinc se dissout peu à peu dans l’électrolyte que constitue l’eau salée. L’énergie potentielle d’une pile est constituée par les liaisons chimiques des atomes du zinc qui se dissocie lentement. Ces liaisons chimiques sont le résultat d’attractions électriques entre les atomes de zinc, c’est pourquoi cette forme d’énergie peut se classer dans la catégorie des énergies potentielles d’origine électromagnétiques.
[xv]
Noyaux, atomes et radioactivité. Le noyau est le cœur d’un atome, il contient les charges, nommées protons, autour desquelles gravitent les électrons. Protons et électrons ont la même charge électrique, seul le signe de la charge est différent : positif pour le proton et négatif pour l’électron. Le proton est 1 836 fois plus lourd que l’électron et donc l’essentiel de la masse d’un atome est contenue dans le noyau. L’atome d’hydrogène est le plus simple, c’est lui qui apparaît le premier dans l’Univers, son noyau est fait d’un seul proton autour duquel gravite un seul électron à une distance caractéristique de 53 picomètres (53 millionièmes de millionièmes), 63 000 fois plus grande que la taille du proton. Si on représente le noyau d’hydrogène par une bactérie et bien c’est à Pékin qu’il faut placer l’objet qui représente l’électron ! Un atome est surtout constitué de vide ! Comme tous les éléments il possède des isotopes, c’est à dire des noyaux qui contiennent un proton plus un ou plusieurs neutrons. Comme ce sont les électrons qui confère aux atomes leurs propriétés chimiques, les isotopes se comportent chimiquement de la même manière.
La figure de gauche, ci-‐dessus, montre les trois isotopes de l’hydrogène. Le deutérium et le tritium ont respectivement un et deux neutrons en plus qui « collent » au proton. L’hydrogène est le premier élément dans le tableau de Mendeleïev. Les divers éléments sont construits dans l’ordre en ajoutant un proton après l’autre et un nombre de neutrons variable pour les coller ensemble. Le second élément est l’hélium qui possède deux protons et deux neutrons (figure de droite ci-‐dessus). Certains isotopes des éléments on trop peu de neutrons pour être stables, les protons se repoussent et de temps en temps un noyau se casse en deux, c’est la fission. Certains noyaux qui ont trop de neutrons peuvent aussi être instable en essayant d’en expulser sous la forme d’un noyau d’hélium, c’est la radioactivité alpha. Dans les noyaux, les neutrons peuvent être instables et se transformer en un proton et un électron, le noyau monte alors d’une unité dans l’échelle des éléments et un électron est expulsé par le noyau, c’est la radioactivité bêta. La radioacti-‐ vité gamma est d’un type différent : après un des modes de désintégration que nous venons de voir un noyau peut se retrouver avec un excès d’énergie dont il se débarrasse en émettant de l’énergie électroma-‐ gnétique. Les rayons gamma sont de la « lumière » à très haute énergie, au-‐delà des rayons X.
Voyons maintenant la fusion.
La figure de gauche ci-‐dessus montre la fusion directe de 4 noyaux d’hydrogène en 1 noyau d’hélium. La probabilité pour qu’une telle rencontre se produise dépend de la densité de proton présents dans le mi-‐ lieu, elle ne peut se produire qu’au cœur des étoiles les plus massives, Notre Soleil ne permet pas d’entretenir une telle réaction. D’autant moins qu’il faut que dans la réaction 2 protons fusionnent avec 1 électron pour qu’apparaissent les deux neutrons nécessaires au « collage » des deux protons de l’hélium. Cette dernière réaction est elle-‐même très peu probable. On comprend sur la figure de droite ci-‐dessus que la fusion d’un noyau d’hydrogène avec un noyau de tritium est beaucoup plus probable. D’une part, une seule collision est nécessaire, relâchant ainsi la contrainte sur la très haute pression et les conditions au cœur de notre Soleil sont suffisantes pour permettre cette fusion, de l’autre les 2 neutrons nécessaires à la fin de la réaction sont déjà présents à son début.
[xvi] Ce rapport de un million qui sépare l’électromagnétisme du nucléaire explique parfaitement la très forte réticence des physiciens quand on leur annonce la transmutation des éléments à basse énergie ou bien la fusion froide qui reviennent à accepter l’idée de réactions entre noyaux d’atomes à des énergies de quelques électrons Volts. Non, il ne s’agit pas d’une réaction sectaire comme aiment quelques fois le faire croire des média en quête d’audience, il s’agit de la démarche scientifique ordinaire.
En 1964, Corentin Louis Kervran, publia le livre « Transmutations à Faible Énergie, Librairie Maloine S.A., Paris, 1964. » dans lequel il formulait l’hypothèse de l’existence de transmutation à faible énergie dans le domaine biologique. Son travail repose sur un nombre très important d’observations et a su intéresser quelques physiciens comme Costa de Beauregard, par exemple. Ce dernier, physicien théoricien, ne s’est malheureusement intéressé à ce travail que d’un point de vue épistémologique et personne n’a repris les travaux expérimen-‐ taux de Kervran pour vérifier ses observations. Il se pourrait que nous soyons en train de passer à côté de quelque chose d’important scientifiquement, mais que cela n’intéresse personne, même si je crois cela
hautement improbable. De fait nous ne disposons d’aucun outillage théorique pour comprendre un tel phénomène, s’il existe. Un peu peut-‐être comme la foudre en boule, dont on est sûr de l’existence, mais dont la compréhension ne progresse que très lentement (Jianyong Cen, Ping Yuan et Simin Xue, « Observa-‐ tion of the Optical and Spectral Characteristics of Ball Lightning », Physical Review Letters, vol. 112, no 3, 17 janvier 2014 (DOI 10.1103/PhysRevLett.112.035001).
On lira avec intérêt la page Wikipédia sur Kervran https://fr.wikipedia.org/wiki/Corentin_Louis_Kervran En mars 1989, Martin Fleischmann et Stanley Pons annoncèrent dans la presse économique avoir observé des réactions de fusion de l’hydrogène en hélium à basse énergie. Leur observation était le résultat d’une simple électrolyse de l’eau avec une électrode en palladium. Le palladium est bien connu pour sa forte capacité d’absorption de l’hydrogène produit par l’électrolyse et ce résultat avait une teinture plausible. Plus de 20 années de travaux de par le monde, financés souvent par les industriels de l’énergie ou de l’automobile, 20 années de polémiques sans fin n’ont pas permis d’arriver à quelque conclusion ferme que ce soit. Le constat que l’on peut faire cependant est que si cela marchait vraiment une véritable industrie de la génération d’énergie nucléaire basée sur cet effet aurait vu le jour, ce qui n’est pas le cas.
On lira avec intérêt la page wikipedia : https://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_froide
Je ne souhaite pas laisser l’impression que nous sommes peut-‐être en train de passer à côté de quelque chose d’important sans rien faire. Le propre de la démarche scientifique consiste d’abord à exercer son esprit critique, à essayer de trouver la faille, l’erreur dans le raisonnement ou les expériences des autres. Un résultat nouveau n’est accepté qu’après avoir subi la critique de la communauté scientifique. Même après avoir été accepté un résultat peut-‐être remis en cause dans des situations particulières nouvelles. Voyons un exemple de ce qu’est cette démarche : Henri Becquerel découvre, en 1896, que la pechblende émet sans intervention de l’extérieur, un rayonnement mystérieux. Cette observation est en complète contradiction avec ce qui est déjà quasiment devenu un dogme : la conservation de l’énergie. Comment se peut-‐il que ce caillou produise de l’énergie sans contrepartie ? Il a fallu la persévérance d’une Marie Curie et de son mari Pierre, d’un Rutherford, d’un Fermi, d’un Einstein et le travail d’une armée de sans grade pour qu’une découverte fortuite devienne la physique nucléaire ; puis est venu le temps d’exploiter cette énergie qui se produit sans cause extérieure.
[xvii]
La Lune, par sa masse, attire la Terre selon la ligne qui joint leurs centres. L’eau des océans subit cette attraction et s’élève. Cette élévation parcourt le globe terrestre à mesure de sa rotation. Mais cela ne per-‐ met pas de comprendre l’existence de deux marées par jour ? La Lune est 80 fois moins massique que le Terre de sorte que le centre de gravité de ces deux astres est à « seulement » 1 700 km sous la surface de la Terre sur l’axe qui les relie. Terre et Lune tournent donc de concert autour de ce centre de gravité et sur la face de la Terre opposée à la Lune, l’eau des océans subit une force centrifuge qui est la cause d’une deuxième marée décalée de douze heures.
[xviii] En élevant de 10 m une masse de 1 g on stocke 100 J d’énergie sous forme d’énergie potentielle gra-‐ vitationnelle. Si on laisse retomber en une seconde ce poids, on dispose pendant la chute d’une puissance disponible de 100 W. Si dans un barrage on pompe à 10 m d’altitude un volume de 1000 m3 d’eau (un cube de 10 m de côté) on dispose d’une énergie potentielle de 100 millions de Joules. En relâchant cette eau lentement pendant 12 jours on dispose d’une puissance de 100 W pendant cette durée, de quoi s’éclairer chichement. Ce type de stockage suppose de lourds investissements sous forme de barrages ou de struc-‐ tures dédiées, mais en contrepartie son rendement est très attractif car quelques pourcents seulement sont perdus dans le pompage et le turbinage de l’eau.
[xix]
En utilisant la réaction de Fischer-‐Tropsch. Lorsque l’on met en présence, à haute température du CO2 et de l’eau H2O on produit du monoxyde carbone et de l’hydrogène qui réagissent en formant des hydro-‐ carbure selon la réaction générique : en présence de cataly-‐ seurs adéquat.
[xx]
Le 1er principe de la thermodynamique s’énonce ainsi : dU= dQ/T, la variation d’énergie interne d’un système thermodynamique est égale à la variation de la chaleur qu’il échange avec l’extérieur divisée par sa température absolue dans le cas d’une transformation réversible.
[xxi]
Le 2e principe s’énonce dS > dU/T où S, l’entropie, est une quantité qui mesure le degré de désordre du système que l’on considère. Dans toute transformation thermodynamique d’un système fermé le dé-‐ sordre du système croît. Dans toute transformation réversible la variation d’entropie est plus grande que la variation d’énergie interne du système thermodynamique considéré divisée par sa température abso-‐ lue.
[xxii]
Sur les principes en physique. La physique n’explique pas toute chose, elle se heurte à des observations dont elle ne peut pas donner d’explication et que les physiciens considèrent comme étant des fondements de leur science qu’il leur faut accepter tels qu’ils sont. Il est ainsi du principe de conservation de l’énergie.
Le principe de causalité, qui dit que la cause précède l’effet, se traduit par des relations mathématiques entre des paires de quantités physiques comme, par exemple, l’absorption de la lumière par un matériau en fonction de la longueur d’onde et la vitesse de propagation de la lumière dans le matériau (indice de réfraction). Ce principe repose sur notre expérience journalière et pourrait être pris en défaut dans des conditions particulières. Après des siècles de recherche infructueuse sur les mouvements perpétuels, les physiciens décident d’ériger cet échec en principe : il n’est pas possible de réaliser des mouvements per-‐ pétuels. Une autre conséquence très importante des principes de la thermodynamique est l’impossibilité de transformer de la chaleur en énergie mécanique sans perte, le rendement d’une telle transformation est toujours inférieur à 1. C’est ce qu’induit l’expression