ARTheque - STEF - ENS Cachan | Science et magie : quelle différence ?

SCIENCE ET MAGIE

QUELLE DIFFÉRENCE?

Ivan GILLET, Georgette GILLET·POLIS Unité autonome, Liège

MOTS·CLÉS : MAGIE SCIENCE PILES TRANSPORTS ROUTIERS -RESPIRATION CELLULAIRE

RÉSUMÉ: À partir d'un petit spectacle de magie faisant intervenir le public, l'atelier mène progressivement vers la science des piles électriques pour déboucher sur la question des transports routiers et la nature de la respiration cellulaire dans les mitochondries. Lors de cet atelier, les participants sont aussi impliqués dans un large échange de vues relatif aux conséquences diverses de l'aspect souvent mystérieux de la science.

SUMMARY : Starting with a magic show where the public is acting, the workshop gradually leads to the science of electric batteries and opens on to the malter of road transport and the nature of respiration in mitochondria.Inthis workshop, the participants are also involved in a large discussion regarding various consequences of the frequently mysterious aspect of science.

1. SPECTACLE DE MAGIE

Aux participants de l'atelier, nous montrons tout d'abord une petite horloge électronique à affichage numérique (cristaux liquides). Son fonctionnement est alimenté par une petite "pile-bouton". La pile a été retirée de son logement et, dans celui-ci, les contacts ont été prolongés par deux fils électriques d'une certaine longueur qui permettent de faire marcher l'horloge avec la pile à l'extérieur.

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Lorsqu'on débranche la pile, l'affichage disparaît du cadran de l'horloge. Quand on rebranche la pile, l'affichage réapparaît et l'horloge se remet en marche.

Cette première présentation étant faite, nous annonçons que la mise en marche et l'arrêt de l'horloge vont maintenant être actionnés par une "transmission magique"à distance. Pour cela, nous demandons un volontaire parmi les spectateurs.Àcôté du magicien et de l'animatrice, il n'y a aucun complice dans la salle.

Nous donnons la pileàce volontaire qui l'emporte et retourneà sa place. L'instruction est la suivante:

"Vous allez commander la mise en marche et l'arrêt de l'horloge en tenant la pile entre vos doigts à 10 cm environ devant votre bouche et en disant d'une voix/orte : "Marche" et puis, après quelques instants, quand vous voulez, "Arrêt". Vous recommencerez l'opération3ou4fois pour que tout le monde voit bien ce qui se passe. De cette façon, vous allez émettre des ondes qui vont actionner la commande. Mais pour recevoir ces ondes,ilnousfaut une antenne en boucle".

Pour constituer cette antenne, nous demandons deux autres volontaires. Ceux-ci vont former, avec le magicien, une boucle fermée sur les deux fils qui sortent de l'horloge. Pour que les "contacts" soient bons, les trois personnes constituant l'antenne doivent se tenir, non pas directement par les mains, mais par l'intermédiaire de petites cuillers métalliques. Et pour parfaire les contacts, chacun doit humecter ses doigts avec un "liquide magique". Ce liquide est préparé devant la salle en dissolvant une "poudre magique" dans de l'eau.

Tout cela étant prêt, le spectacle commence. Le premier volontaire commande: "Marche" ... "Arrêt" ... "Marche" '" " Arrêt" ... etc ... et chaque fois l'horloge obéit parfaitement. La magie est au rendez-vous Il

Dans cet atelier, nous faisions une présentation qui avait été conçue initialement pour des adolescents et des adultes à peu près sans culture scientifique.

Nous adressant iciàdes didacticiens des sciences, nous étions un peu inquiets de savoir s'ils n'allaient pas immédiatement déjouer le tour de magie.

Eh bien, non 1Faceànotre boniment dans les rôles du magicien et de sa complice, ils ont si bien tenu leur rôle, ils ont tellement bien joué le jeu qu'on aurait pu croire qu'ils étaient réellement mystifiés par ce petit tour de magie.

2. SCIENCE

Après ce petit spectacle, le magicien quitte ce rôle pour reprendre celui de scientifique. Science et magie: quelle différence? Voilà la question.

Nous rappelons alors qu'un magicien ne dévoile jamais son "truc", Car il y en a un ici évidemment, comme d'habitude. Un scientifique, au contraire, chercheàcomprendre,àtrouver le "truc", ou, pour un enseignant, à amener les élèves à le découvrir.

C'est ce que nous faisons en demandant deux nouveaux volontaires de la salle pour venir observer de près "l'antenne en boucle" pendant que l'expérience est recommencée.

En moins d'une minute, ces observateurs remarquent que le magicien ne tient pas la cuiller de sa main droite comme les autres: au lieu de la tenir par le bout, il la tient entre le pouce et l'index au milieu du manche. Lors de la commande "Marche" son petit doigt entre en contact avec le bout de la cuiller; lors de la commande "Arrêt", son petit doigt quitte ce contact.

"Ah, on a trouvé le truc 1"

Alors nous expliquons que des ondes ont bien été transmises comme annoncé. Ce sont des ondes sonores ("Marche", "Arrêt") qui arrivent aux oreilles du magicien, lesquelles transmettent l'information à son cerveau. Celui-ci traite rapidement cette information et commande les muscles du petit doigt.

Mais pour faire marcher l'horloge, il faut du courant électrique. Et l'onde sonore, ce n'est pas du courant électrique! Alors, on n'a fait que déplacer le problème; il Y a un second "truc" derrière! Pour le découvrir, nous demandons encore d'autres volontaires pour venir observer minutieusement comment est constituée ce que nous avons appelé "l'antenne en boucle".

Ces observateurs regardent, posent des questions... et constatent que le bout du manche des cuillers en acier inoxydable est recouvert de papier d'aluminium; puis que ce papier est fixé, au milieu du manche, par un ruban adhésif incolore... et isolant. C'est sur cette "plage isolante" que s'appliquent le pouce et l'index du magicien pour tenir la cuiller de sa main droite.

Nous leur faisons ensuite goûter le "liquide magique" qui a humecté les doigts...,ilest salé. La "soi-disant poudre magique" n'est rien d'autre que du sel de cuisine, du chlorure de sodium. Le "liquide magique" est donc une solution aqueuse d'ions chlorure (Cl-) et d'ions sodium (Na+).

Or,le liquide physiologique du corps humain a la même composition. Notre corps est plein d'ions et, grâce à ces ions, porteurs de charges électriques, il est conducteur du courant électrique comme le savent bien ceux qui ont déjà eu l'occasion de recevoir une décharge électrique!

3. LA PILE ÉLECTRIQUE

En résumé, la "soi-disant antenne en boucle" est composée d'une série de trois "éléments" constitués chacun par un "conducteur ionique" (le corps de chacune des trois personnes) entre deux métaux différents (aluminium et acier inoxydable). C'est exactement la constitution de la "pile de

deux métaux différents (par exemple cuivre et zinc), en alternance et toujours dans le même ordre, en interposant, entre chaque paire de rondelles métalliques, une rondelle de feutre imbibée d'eau salée ou d'un autre liquide conducteur ionique.

Lors du "tour de magie", notre horloge électronique est donc alimentée, non par la "pile bouton", mais par une "pile de Volta" de trois "éléments" donnant chacun le tiers de la tension électrique nécessaire pour faire marcher l'horloge.

Dans l'évolution de la science, l'invention de Volta, publiée en mars 1800 (1), a été un événement de toute première importance, car c'est elle qui a permis le développement, au cours du XIXe siècle, de toute la science électrochimique, de toute la science électrique et d'une grande partie de la science chimique.

Sans en changerleprincipe fondamental, la pile de Volta a été progressivement perfectionnée par différentes modifications jusqu'à la "pile Leclanché" (1865) qui est encore la plus utilisée actuellement.

4. LA SCIENCE MYSTÉRIEUSE ?

Afin d'amorcer une réflexion où chacun des participants puisse vraiment prendre sa part, nous avons proposé un travail en sous-groupes de quatre.Àchaque sous-groupe nous avons demandé de répondre ou de réagir à la question suivante:

"Pour chacun de vous, quels sont les avantages et les inconvénients (voire les pièges) du caractère mystérieux des phénomènes étudiés par la science? Avantages et inconvénients pour l'apprentissage scientifique et/ou pour la construction d'une culture scientifique".

11 est manifeste en effet que, pour beaucoup, la science apparaît souvent mystérieuse dans les phénomènes qu'elle étudie et aussi dans les écrits et discours scientifiques qui traitent de ces phénomènes. Le petit spectacle de magie était destiné, entre autres,àmontrer certains aspects de ce caractère mystérieux:.

Après ce travail, les rapporteurs ont exposé pour tout le monde les réponses et réactions des membres de leur sous-groupe, et une large discussion s'est alors engagée où chacun a eu de nouveau la possibilité d'intervenir.

De cette production collective et de tous ces échanges extrêmement riches, nous pouvons tirer, dans la mesure du possible, la synthèse suivante.

En préliminaire, il convient de mentionner une remarque essentielle faite par l'un des participants :

"Ce n'est pas le mystère de la science en soi (sa magie, son spectacle, etc ...) qui détermine sa valeur d'avantage ou d'inconvénient, mais c'est la perception que s'en fait chaque personne". Le caractère, l'histoire personnelle et le contexte socio-culturel de chacun sont donc des facteurs détenninants.

On peut voir là, une fois de plus, un appui essentiel à l'idée selon laquelle, dans l'enseignement et le développement d'une culture scientifique, il convient de partir des représentations des élèves ou du public.

Cela étant dit, voici en résumé les avantages énumérés.

Devant le spectacle d'un phénomène d'aspect mystérieux ou magique, certaines personnes ont la curiosité excitée par l'étonnement, l'émerveillement. Cette curiosité détermine leur motivation à essayer de comprendre et à y prendre plaisir, émotion positive. Étant ainsi mobilisées, captivées, elles peuvent se mettreàréfléchir, à imaginer, à rêver, et aussi à poser des questions etàrechercher des compétences pour les aideràcomprendre.

Le petit spectacle de magie que nous avons présenté visait aussi à montrer l'avantage que peut en tirer l'enseignant en suscitant la curiosité des élèves par l'étonnement, puis en répondant à cette curiosité par une démarche un peu analogue à celle de la recherche où les élèves découvrent progressivement l'explication des phénomènes par eux-mêmes et par des questions au professeur.

Du côté des inconvénients, l'aspect mystérieux de la science et de ses jargons pour certaines personnes peut les amener à des attitudes et des comportements regrettables. Ainsi, par exemple, le fatalisme de ceux qui se croient incapables de comprendre, renoncent, démissionnent et, de ce fait, abandonnent le pouvoir aux scientifiques. Cette attitude facilite la désinformation et prépare les esprits à accepter les dogmatismes sans réfléchir. La manipulation, la mystification, la tromperie sont ainsi favorisées et l'utilisation mercantile n'est pas loin comme le montre l'exemple suivant:

Il y a quelques années, on trouvait dans certains magasins de cadeaux des horloges originales avec la mention: "Horloge bipatate fonctionnant sans pile". Celles-ci étaient vendues à des prix prohibitifs (environ dix fois leprixde revient).

À la même époque, un petit article dans la presse signalait une horloge du même type avec un début d'explication pseudo-scientifique complètement erronée:

"DITES L'HEURE AVEC DES FLEURS .,. Les fleurs produisent des quantités infinitésimales de substances chimiques permettant de produire un courant électriquede six micro-ampères. Pasdequoi faire fonctionner votre rasoir électrique, mais suffisant pour animer le mouvement d'une montre digitale. Cette horloge àfleurs est commercialisée aux États-Unis.Lefabricant ne dit pas quelles fleursilutilise ... "

(LeSoir illustré, 5 septembre 1985) Ivan Gillet et son collègue etami René Cahay, de la faculté des sciences, ont réagi en publiant un petit article (2) pour démystifier cette tromperie mercantile et expliquer que ces horloges étaient simplement alimentées par des "piles de Volta" où les deux métaux différents étaient unfùde cuivre et une lame de zinc et où le conducteur ionique était soit de la pomme de terre, soit la terre du pot de fleur. Dans le cas du cuivre et du zinc, deux éléments en série suffisent pour faire fonctionner l'horloge, d'où l'expression "horloge bipatate". Une telle "horloge bipatate" a été montréeàl'atelier.

Ceci n'est qu'un exemple de tromperie mercantile ou publicitaire. Chacun peut en trouver d'autres en regardant bien autour de soi. Ces cas ne viennent pas toujours de commerçants peu scrupuleux, ils peuvent aussi être le fait d'agents publicitaires ayant une formation scientifique ou

Devant une telle désinfonnation, une autre réaction est fréquente: c'est le sentiment d'être infantilisé, pris pour un arriéré... et la peur d'être roulé, dupé. Cela peut induire une méfiance à l'égard des scientifiques ou des "technocrates", une attitude "anti-science" qui pousse certains vers un imaginaire et des comportements irrationnels et une réelle croyance à la magie, à l'ésotérisme, à l'occultisme.

Au cours du travail de l'un des sous-groupes, la discussion est revenue sur la question initiale de la différence entre le magicien et le scientifique. Une seconde différence a été proposée à côté de celle déjà mentionnée : "Le magicien est à l'intérieur de la situation, il agit, tandis que l'expérimentateur scientifique est à l'extérieur, il observe". Cela a provoqué un très vive réaction d'autres participants. L'une de ces personnes a vouluécrireexplicitement sa réplique, la voici :

"Pas d'accord! ... L'expérimentateur est aussi dans la situation, avec ses émotions, sa personnalité, son langage, ses compétences.. La vision actuelle du scientifique, construite par les hommes occidentaux des derniers siècles, n'est pas à accepter comme ça. On peut en imaginer une autre. On peut ne pas éduquer à ça".

Il y a là une question fondamentale, liée aussi à la définition de l'objectivité, en rapport avec la subjectivité intrinsèque des êtres humains y compris les scientifiques. Cette question n'a été qu'effleurée à l'atelier, mais elle mériterait de longs développements.

Dans la discussion générale, d'autres questions sont encore venues sur le tapis, notamment sur le fonctionnement des piles, et ceci peut être le point de départ de tout un cours d'électrochimie.

5. RELATION ENTRE LES PILES, LES TRANSPORTS ROUTIERS ET LA RESPIRATION CELLULAIRE

Cette relation est extrêmement peu connue, au point de paraître mystérieuse à beaucoup. Nous savons maintenant que les transports routiers actuels sont terriblement polluants, et que cette pollution est due au type de fùière énergétique qu'ils utilisent pour leur propulsion.

Cette filière pan de l'énergie chimique d'un combustible fossile, le pétrole, transfonné en carburant. La combustion de ce carburant dans le moteur à explosion donne de la chaleur et de l'énergie mécanique. La transfonnation de chaleur en énergie mécanique est dite "thermodynamique" parce qu'on y passe de l'énergie thermique (chaleur) à l'énergie de mouvement ou énergie

dynamique.Cenom a été étendu à toute la filière, c'est la''filière thermodynamique".

Dans cette filière, la combustion du carburant fossile produit du gaz carbonique ou dioxyde de carbone (CÜ2) qui contribue à la croissance de "l'effet de serre" et à la perturbation des climats. Et comme il s'agit d'une combustion thermique à haute température, elle produit aussi toute une série de polluants chimiques parmi lesquels les inéluctables oxydes d'azote, source de pluies acides, le monoxyde de carbone (CO) hautement toxique, des hydrocarbures incomplètement brûlés, source d'autres nuisances, etc... Quant à la transfonnation de chaleur en travail mécanique, elle est la cause d'un gaspillage énorme d'énergie dû à une limite théorique de rendement connue depuis 169 ans (principe de Carnot, 1824). Et comme l'énergie gaspillée pollue de la même manière que l'énergie

utile, puisqu'elles passent toutes les deux par la combustion thermique, cela augmente considérablement la pollution. Pour chaque unité d'énergie utile, on a 3 à 5 unités de pollution au lieu d'une (3, 4)!

Et pourtant, cette pollution n'a pas toujours existé. Il y a deux siècles, avant l'ère industrielle, les transports terrestres n'étaient pas polluants.

Comment se déplaçait-on alors?Àpied, à cheval ou en voiture à cheval (ou d'autres animaux), c'est-à-dire grâceà l'énergie musculaire. D'où vient l'énergie mécanique musculaire? De l'énergie chimique des aliments. Et d'où vient cette énergie chimique des aliments? De l'énergie du rayonnement solaire par l'intermédiaire de la photosynthèse végétale et de la "chaîne alimentaire". Il s'agit donc d'énergie renouvelable contrairement aux combustibles fossiles, sources en voie d'épuisement.

Comment l'énergie chimique des aliments se transforme-t-elle en énergie mécanique musculaire? Par une filière biochimique complexe dans laquelle une étape centrale et essentielle est ce que les biologistes appellent la "respiration cellulaire" dans les mitochondries des cellules vivantes.

Alors une autre question fondamentale se pose: Quelle est la nature de cette conversion biologique d'énergie ?

On ne connaît que deux types de filières pour passer de l'énergie chimique à l'énergie mécanique : la filière thermodynamique dont il vient d'être question, et la filière électrochimiqueoù l'on utilise une batterie de piles ou d'accumulateurs alimentant un moteur électrique.Laconversion biologique d'énergie peut-elle être de nature thermodynamique? Un calcul simple, basé sur la formule de Carnot, permet de démontrer que c'est absolument impossible! Alors, il faut bien penser que la conversion biologique d'énergie est de nature électrochimique. Encore faut-il démontrer que c'est possible (5).

Le petit tour de magie débouchant sur une leçon d'électrochimie nous a permis de montrer que, pour constituer une pile, il faut un "conducteur ionique" en contact avec deux métaux ou autres "conducteurs électroniques" différents. Alors que, dans un conducteur ionique, les particules mobiles chargées qui conduisent le courant électrique sont des ions, dans un conducteur électronique, ce sont des électrons.

Trouver des ions dans une cellule vivante, ce n'est pas un problème, il y en a beaucoup. Mais où pourrait-on bien trouver des conducteurs électroniques dans cette même cellule? En 1941, A. Szent - Gyorgyi a émis l'hypothèse que les protéines pourraient avoir une structure électronique analogue à celle des "semi-conducteurs électroniques" (5). La conductivité électronique de certaines protéines humides a été confirmée par la suite (5). Cela a conduit plusieurs auteurs à proposer le concept selon lequel la cellule biologique fonctionnerait comme une "pile à combustion électrochimique" (5).

Un autre argument à l'appui de la nature électrochimique de la conversion biologique d'énergie peut être trouvé dans le caractère ordonné et directionnel ("vectoriel") des deux types de processus (électrochimique et biologique) contrairement au caractère désordonné et non directionnel ("scalaire") de la conversion thermique (5, 6).

Mais, en fait, qu'est-ce qu'une "pile à combustion électrochimique"? Cest une pile électrique qui fonctionne selon le même principe qu'une "pile de Volta" ou une pile classique (Leclanché, ete...) en transformant directement en énergie électrique l'énergie chimique de "réactifs" ou matières premières (par exemple: zinc et eau dans la pile de Volta, ou zinc et dioxyde de manganèse dans la pile Leclanché). Mais contrairement à la pile classique que l'on remplace entièrement lorsque les réactifs sont épuisés (après quelques dizaines d'heures), la pile àcombustion est alimentée continuellement en réactifs (par exemple : air et zinc ou hydrogène, ou méthanol, ou polyol, ou glucose, etc...) au fur et à mesure qu'elle fournit du courant électrique. Elle peut donc fonctionner sans changement pendant des dizaines de milliers d'heures et fournir des puissances électriques aussi grandes que l'on veut,à température ambiante ou modérée, avec un bon rendement et sans pollution (3, 4, 5).

De telles piles à combustion électrochimique ont fait leurs preuves, techniquement, dans les capsules spatiales et sur la lune. Mais, pour les applications terrestres, elles attendent encore des décisions politiques (choix de société), ainsi que d'importantes recherches scientifiques et techniques pour en améliorer les performances, abaisser leur prix de revient et pouvoir ainsi être utilisées dans les transports routiers.

On aurait alors des transports routiers propres grâce à la filière électrochimique en version technique nouvelle. C'est possible puisque la nature emploie une filière électrochimique pour ses conversions d'énergie depuis de nombreux millions d'années.

6. CONCLUSION

Nous pensons qu'il est important de "relier" les apprentissages scientifiques aux questions actuelles vécues par les gens.À partir de notre petit spectacle de magie, la compréhension du fonctionnement de la pile de Volta est une entrée utile pour aborder un problème crucial, tel celui des transports routiers, et montrer ainsi la possibilité de solutions novatricesàce sujet.

Cet aspect relatif aux sciences et techniques de la matière et de l'énergie nous a également permis de toucher à d'autres questions comme celle de la différence entre science et magie, ainsi que celle des avantages et inconvénients que peut avoir le caractère souvent mystérieux de la science et de ses jargons pour certaines personnes.

En relation avec ces inconvénients, énumérés plus haut, l'atelier s'est terminé par une discussion sur une question d'avenir: "Que devrions-nous faire pour transformer la perception négative que beaucoup ont de la science en une perception plus positive qui excite leur curiosité et leur donne envie d'en savoir plus ?"

La réponse à cette vaste question n'a pu être abordée que très brièvement dans le temps disponible. Néanmoins, deux facteurs essentiels ont été mentionnés: 1°) L'établissement d'une meilleure communication avec les personnes victimes d'une perception négative de la science (7). Du fait de cette perception négative, ces personnes sont exclues d'une certaine culture scientifique qui leur permettrait d'accéderàune plus grande participation sociale: car enfin, la science est à tout le

monde, il faut la partager! 2°) Les conditions d'usage responsable de la compétence scientifique et de l'autorité qui peut en résulter (8). Ces deux points sont évidemment en rapport avec la phrase d'Albert Jacquard:"Lascience peut être un outildelibération, mais peut aussi devenir un outil d'oppression; pour éviter ce détournement, ceux qui la font progresser doivent partager leur savoir en s'exprimant defaçonàêtre entendus de tous" (9).

BIBLIOGRAPHIE

(1)VOLTA (A.), On the electricity excited by the mere contact of conducting substances of different kinds,Philosophical Transactions, 1800,90, p. 403-430.

(2) CAHAy (R.),GILLET (1.), La pile de Volta est-elle magique ?,Science et Culture, 1986,28. (3) Gll..LET (L), Énergie et environnement,Bulletin de l'ABPPC (Association Belge des Professeurs de Physique et de Chimie), 1990, 106, p. 135-151.

(4) GILLET (1.), Éduquer pour l'énergie et l'environnement, Actes des Xllle Journées Internationales sur l'Éducation Scientifique, 1991, p. 202-212.

(5) GILLET(1.),Fuel ceUs in biomass utilisation,Biomass Handbook, Gordon and Breach science publishers, 1989, p. 623-637 et les nombreuses références qui y figurent.

(6) LEHNINGER (A.),Biochemistry, New-York: Worth Publishers Inc, 1970, chap. 17, 18,27. (7) GILLET-POLIS (G.), Apprentissage Gordon et Intercaractérologie,LaPersonnalité, 1983,7. (8) GILLET-POLIS (G.), Autorité au quotidien,LaPersonnalité, 1993.