Le Kaléidoscope de la Physique

258 Pages·2014·101.59 MB·French

by  Andrei Varlamov

BIBLIOTHÈQUE SCIENTIFIQUE
Le kaléidoscope
de la physique
Attilia Rigamonti • Andrey Varlamov • Jacques Villain
e Ii n
POUR LA SCIENCE
8. rue Férou -75278 Paris cedex 06
www.editions-belin.com - www.pourlascience.com
Sommaire - - - - - - -
Avant-propos ........................................................................................................... 5
Physique en plein air ...................................................................... s
Chapitre 1. Fleuves, méandres et lacs ........................................................... 10
Chapitre 2. Guides d'onde artificiels et naturels ........................................ 16
Chapitre 3. Les couleurs de la mer et du ciel ............................................. 23
Chapitre 4. Le pendule de Foucault et la force de Coriolis ..................... 34
Chapitre 5. Flux et reflux des marées .......................................................... 44
Chapitre 6. Bulles et gouttes ............................................................................ 51
Chapitre 7. Le climat : alerte sur les températures !. ................................ 62
Chapitre 8. Traces sur le sable ......................................................................... 74
Chapitre 9. Des cristaux de neige au verre à vitre ................................... 82
La physique de tous les jours .............................................
90
Chapitre 10. Conversation dans un train ..................................................... 92
Chapitre 11. L'héritage de Stradivarius ....................................................... 100
Chapitre 12. Verres silencieux et verres chanteurs ................................. 109
Chapitre 13. L'énergie : servante docile
ou maîtresse tyrannique? .......................................................1 13
Chapitre 14. Nunc est bibendum .................................................................... 122
Cl Éditions Belin 2014 ISSN 0224-5159 ISBN 978-2-7011-6487-B
. . . t
Le cu1s1mer savan .............................................................................
134
Chapitre 15. En attendant que le thé soit prêt ............................................. 136
Chapitre 16. Quand la physique envahit la cuisine ..................................... 144
Chapitre 17. Ab ovo ................................................................................................ 153
Chapitre 18. Réflexions sur la préparation d'une pizza .............................. 162
Chapitre 19. Nouilles, spaghetti et physique ................................................ 169
Chapitre 20. La physique d'un bon (et d'un mauvais) café ....................... 176
Chapitre 21. Science, cuisine et glace à l'azote liquide ............................... 184
L'étrange monde quantique ..................................................... rns
Chapitre 22. L'incertitude, fondement de la physique quantique ........... 190
Chapitre 23. Physique, géométrie et beauté ................................................ 201
Chapitre 24. Mouvement perpétuel dans les supraconducteurs ........... 206
Chapitre 25. Propriétés et applications des supraconducteurs ............... 217
Chapitre 26. Des boules de neige dans l'hélium .......................................... 227
Chapitre 27. Le corps humain dévoilé par l'IRM .......................................... 232
Chapitre 28. Semi-conducteurs et nanoscience ........................................... 241
Bibliographie······················:··················································································· 252
Index ......................................................................................................................... 255
Dans la même collection aux Éditions Belin-Pour la Science- -
• Cédric RAY et Jean-Claude POIZAT, • Adolphe NICOLAS, Futur empoisonné - Quels défis ?
La physique par les objets quotidiens, 2• édition, 2014. Quels remèdes ?, 2007.
• James LEQUEUX, Thérèse ENCRENAZ, • Jean-Paul DELAHAYE, Complexités, 2006 .
L'exploration des planètes, 2014 . • Denis SAVOIE, Cosmographie - Comprendre
• Jean-Michel COURTY, Édouard KIERLIK, les mouvements du Soleil, de la Lune et des planètes, 2006.
La physique surprise, 2014. • Louis BOYER, Feu et flammes, 2006.
• Jean-Paul DELAHAYE, Inventions mathématiques, 2014. • François FORGET, François COSTARD & Philippe LOGNONNÉ,
• Danielle BRIOT, Noël ROBICHON, La planète Mars - Histoire d'un autre monde,
Ce que disent les étoiles, 2013. 2• édition, 2006.
• Georg GLAESER, Konrad POLTHIER, • Alain NICOLAS, Parcelles d'infini
Surprenantes images des mathématiques, 2013. - Promenades au jardin d'Escher, 2005.
• Jean-Paul DELAHAYE, Merveilleux nombres premiers, • Bernard VALEUR, Lumière et luminescence, 2005.
réédition augmentée et corrigée, 2013. • Yaël NAZÉ, Les couleurs de l'Univers, 2005.
• Gilbert PIETRYK (sous la direction de), Panorama de la • Thérèse ENCRENAZ et Fabienne CASOLI,
physique, 2• édition, 2012. Planètes extrasolaires, 2005.
• Nunzio LANOTTE et Sophie LEM, Sportifs high tech, • Michel BLAY, Les figures de l'arc-en-ciel, 2005.
2012. • Pierre CAUSERET, Jean-Luc FOUQUET & Liliane
• Bernard VALEUR, La couleur dans tous ses éclats, 2011. SARRAZIN-VI LAS, Le ciel à portée de main, 2005.
• Étienne GUYON, Jean-Pierre HuuN & Luc PETIT, • Jean-Paul DELAHAYE,
Ce que disent les fluides - La science des écoulements Les inattendus mathématiques, 2004 .
en images, 2• édition, 2011 . • Anny CAZENAVE & Didier MASSONNET,
• Étienne GUYON, Alice PEDREGOSA, Béatrice SALVIAT, La Terre vue de l'espace. 2004
Matière et matériaux. De quoi est fait le monde ?, 2010. • Jean LEFORT, L'aventure cartographique, 2004 .
• Pierre CAUSERET, Jean-Luc FOUQUET & Liliane SARRAZIN- • Thérèse ENCRENAZ,
VILAS, La Lune à portée de main, 2010. À la recherche de l'eau dans l'Univers, 2004.
• Yaël NAZÉ, L'astronomie des anciens, 2009. • Adolphe NICOLAS, 2050 Rendez-vous à risques, 2004.
• Audouin DOLLFUS, Les autres mondes, 2008. • Armand LE NoxAÏC, Les métamorphoses du vide, 2004.
• Bernard VALEUR, Sons et lumière, 2008. • Roland TROMPETTE,
• Nollert HANS-PETER et Ruder HANNS, Carnets de La Terre - Une planète singulière, 2003.
voyages relativistes, 2008. • Denis SAVOIE, Les cadrans solaires, 2003.
• Yves CoRBOZ, Météorologie, 2008. • Jacques DURAN, Sables émouvants
• Alain DORESSOUNDIRAM et Emmanuel LELLOUCH, - La physique du sable au quotidien, 2003 .
Aux confins du système solaire, 2008. • John L. HEILBRON, Astronomie et églises, 2003 .
• Hervé THIS, De la science aux fourneaux, 2008. • Jean-Michel COURTY, Édouard KIERLICK &
• Alessandra BENUZZI-MOUNAIX, La fusion nucléaire, Roland LEHOUCQ, Les lois du monde, 2003.
2008. • Hervé THIS, Casseroles et éprouvettes, 2002.
• Robert DELMAS, Serge CHAUZY, Jean-Marc VERSTRAETE, • Jean-Paul DELAHAYE, L'intelligence et le calcul
Atmosphère, océan et climat, 2007. - De Gode/ aux ordinateurs quantiques.
• Bernard FRANCOU et Christian VINCENT, • Paul ARNAUD, Si la chimie m'était contée, 2002 .
Les glaciers à l'épreuve du climat, 2007. • Pierre CAUSERET & Liliane SARRAZIN,
• Hervé THIS, De la science aux fourneaux, 2007. Les saisons et les mouvements de la Terre, 2001.
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- - - - - - -- Avant-propos
La physique touche à notre vie quotidienne par de multiples aspects
semblables aux métamorphoses d'un kaléidoscope. Ce livre s'adresse
à ceux qui ont envie de comprendre quelques-uns des phénomènes
naturels étranges dont nous sommes les spectateurs. Pourquoi le ciel
est-il bleu? Comment un arc-en-ciel se forme-t-il? Quel est le moteur
des marées? Pourquoi la mousse de la bière ou celle d'un torrent est
elle blanche? Telles sont quelques-unes des questions auxquelles nous
essayons de répondre dans la première partie de ce livre.
Par ailleurs, l'Homme a considérablement enrichi la liste des phéno
mènes physiques qu'il nous est donné de contempler: comment fonc
tionne un four à micro-ondes ou une plaque à induction? Comment
notre électricité est-elle produite? Ces phénomènes introduits par
l'Homme seront l'objet de la deuxième partie de ce livre.
La troisième partie est plus détendue. Nous la dédions à nos amis
et amies les cuisiniers et cuisinières. Si un poulet est deux fois plus
lourd qu'un autre, faut-il le faire rôtir deux fois plus longtemps? Nous
n'avons certes pas la prétention d'enseigner la cuisine aux cuisiniers
et cuisinières, mais peut-être apporterons-nous des réponses à des
questions qu'ils se posent sur leur art; ou au moins leur fournirons
nous un passe-temps pour meubler l'attente pendant que leurs bons
plats mijotent.
La quatrième et dernière partie est la plus ambitieuse. Nous tentons de
révéler certains des aspects les plus mystérieux de la science contem
poraine, d'expliquer comment, depui un siècle, notre manière de voir
la Nature a été bouleversée par la mécanique quantique; et comment,
un peu avant et un peu après l'an 2000, ces bouleversements ont fait
l'objet d'observation expérimentales directes.
Sommes-nous trop ambitieux? Nous espérons que le lecteur aura,
dans les trois premières parties, acquis l'élan et l'ardeur nécessaires
pour aborder la quatrième.
Ce lecteur, nous devrons quelquefois supposer qu'il a quelques bases
cientifiques, en gros le bagage mathématique d'un baccalauréat
scientifique. Mais dans la mesure du possible, nous éviterons les com
plications et nous emploierons un langage simple. De même, nous
éviterons d'écrire des équations chaque fois que nous le pourron ,
mais quelquefois les équations simplifient les choses. Nous croyons
que, si des pages d'équations sont rebutantes, une ou deux équations
de temps en temps viennent utilement rompre la monotonie d'un
texte scientifique et appeler l'attention là où elle est nécessaire. De
AVANT-PROPOS • 5
toute façon, par rapport à un étudiant ou un lycéen qui rev1se ses
cours, le lecteur d'un tel livre a un grand avantage: il peut sauter
les passages qui lui semblent rébarbatifs, de niveau trop élevé ou au
contraire trop élémentaire, et se reporter sur d'autres chapitres ou
paragraphes que, nous espérons, il trouvera à son goût.
Pour réveiller le lecteur qui s'assoupirait à la lecture de ce livre, nous
lui proposons à l'occasion quelques exercices: soit des équations à
écrire et à résoudre, soit des expériences simples.
Ce livre est en grande partie inspiré par des ouvrages étrangers,
notamment des textes de Lev Aslamazov, physicien russe éminent,
disparu tragiquement. Les chapitres 1, 4, 6 et 8 développent des
thèmes auxquels il avait consacré plusieurs articles. D'autres cha
pitres reprennent des thèmes traités précédemment dans Wonders
of Physics (A. Yarlamov et L. Aslamazov, 3• édition, World Scientific,
2012) et dans Magico caleidoscopio della fisica (A. Rigamonti et A.
Varlamov, La Goliardica Pavese, 2007). Tous ces chapitres ont été
complétés et mis à jour.
6 JI LE KALÉIDOSCOPE DE LA PHYSIQUE
Remerciements
Les auteurs dédient ce livre à leurs petits-enfants, qui entrent dans un monde
transfiguré par les physiciens, un monde considérablement différent de celui
qu'avaient connu leurs grands-parents quand ils avaient leur âge; un monde plus
confortable, où il est devenu difficile de s'ennuyer, mais où il n'est pas forcément
plus facile qu'autrefois de trouver sa place et son bonheur:
à Margherita Selene Strozzi Rigamonti,
à Mathilde et Lucas Schmitt,
à Michail Varlamov.
Enfin, nous remercions tous ceux qui ont accepté de relire des chapitres de façon
critique, et qui, autant que faire se peut, nous ont aidés à ne pas être aveuglés par les
lumières du kaléidoscope et à trouver notre chemin dans les recoins d'une science
complexe dont même les professionnels ne connaissent pas toutes les finesses.
En particulier: Alain Aspect, Giuseppe Balestrino, Sébastien Balibar, Claude Berthier,
Marc de Boissieu, Hélène Bouchiat, Patrick Bruno, Alexandre Buzdin,
Christiane Caroli, Anne-Marie Cazabat, Alexei Chepelianskii, Robert Dautray,
Guy Dellaval, Daniel Estève, Stephan Fauve, Yuri Galperin, Sylvie Guérin,
Catherine Hill, Jean-Pierre Hulin, Maurice Goldman, Denis Gratias, Isabelle Grillo,
Jacques Lambert, William-Louis Marne, Valérie Masson-Delmotte, Philippe Nozières,
Sergei Parnovsky, Jean-Louis Pautrat, Raymond Pierrehumbert, Olivier Pierre-Louis,
Pierre Pugnat, David Quéré, Y. Saito, Stefania Tentoni, Hervé This,
Alexandre Valance.