Emmanuel FORT, ingénieur des Télécoms (Paris) et universitaire, physicien, Professeur de l’ESPCI Paris (Ecole Supérieure de Physique et Chimie Industrielles) à l’Institut Langevin, est venu nous présenter les recherches, qu’il dirige, sur les ondes des liquides. Cet Institut renommé a créé et soutient des entreprises pour l’application des résultats de ses travaux, avec le concours actif de la Fondation d’AXA.
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De nombreux lycéens férus de physique, des anciens professeurs, et des anciens élèves également curieux ont été plongés dans les jeux de la découverte scientifique, sous l’effet de la pédagogie d’E. FORT (relayée par des projections sur écran, sobres et illustratives) et de son enthousiasme contagieux.
1. Les antécédents: les lois des ondes lumineuses
Les recherches de l’équipe d’E. FORT s’inspirent de découvertes des XIXème et XXème siècles, y compris de la physique quantique. Le premier grand problème a consisté alors à déterminer la nature de la lumière: ondes ou particules?
Les grandes étapes ont été successivement
- les fentes d’YOUNG (1 773-1 829): envoyée dans une fente microscopique, la lumière se diffracte; en passant à travers deux fentes microscopiques voisines, ses ondes interfèrent etse combinent algébriquement; tout ceci plaide pour la nature d’ondes;
- les théories ultérieures de FRESNEL et MAXWELL ont formalisé cette conclusion que la lumière est un ensemble d’ondes ;
- I. TAYLOR (1886-1975), à l’inverse, a réalisé des expériences sur la lumière à faible intensité et ainsi montré que celle-ci était constituée de particules(les photons) se comportant statistiquement comme des ondes ;
De façon analogue, au début du XXème siècle, plusieurs expériences ont permis de montrer le caractère ondulatoire des particules massives. L. de BROGLIE a ensuite formalisé cette dualité onde-corpuscule de l’électron et de tout objet élémentaire. Cette dualité est intuitivement incompréhensible mais incontestable.
2. Les recherches de l’Institut Langevin
2.1 Gouttes et ondes des liquides
L’équipe d’Emmanuel Fort s’est fixé l’objectif d’analyser cette dualité onde-corpuscule dans un nouveau domaine, celui des vagues à la surface de liquides vibrés, dont les rides créées par le caillou jeté sur un plan d’eau est une illustration familière. A l’aide de films en caméra rapide qui permettent de ralentir la propagation des ondes, et restituent ainsi le déroulement de leur vie de manière spectaculaire sous nos yeux, il nous a montré successivement les résultats des premiers travaux :
- Lanon-coalescence de gouttes tombant sur un bain du même liquide: si normalement les gouttes se mélangent par coalescence aubain liquide, on peut les conserver séparées en induisant des vibrations sur la seringue distribuant les gouttes ou en produisant des écoulements dans le bain, par exemple en le faisant tourner sur lui-même…
- En faisant vibrer verticalement le bain, on empêche également la coalescence. La goutte rebondissant alors pendant un temps infini à la surface du bain et devenant un corps qui se conserve, et même devient autopropulsée, surfant sur la vague qu’elle crée elle-même lors de ses rebonds successifs : elle devient un marcheur;
- En complétant ces expériences par d’autres, on constate ici aussi la dualité onde + particule: si on enlève la goutte-particule, les ondes disparaissent, et inversement si on amortit les ondes, la goutte s’arrête. Il s’agit donc d’une entité macroscopique possédant une telle dualité.
2.2 Expériences sur ces marcheurs
L’équipe de recherche a ensuite effectué avec les marcheurs les mêmes expériences que celles de Young sur la lumière (cf. § 1 ci-dessus); les résultats sont spectaculairement voisins de ceux obtenus en mécanique quantique. En effet,
- les fentes inspirées de celles de Young produisent les mêmes effets.Les paquets d’ondes associés aux marcheurs interfèrent, se combinent algébriquement eux aussi lors du passage de la goutte dans la fente;
- Les gouttes sont déviées lors de leur passage par une des deux fentes. Leurs trajectoires sont distribuées de manière aléatoire mais elles suivent statistiquement une distribution de type ondulatoire comme en physique quantique.
2.3 D’autres phénomènes oscillatoires issus de la dualité onde-particule encore plus complexes
Deux autres expériences: effet «tunnel» qui montre la capacité des marcheurs à passer au-dessus de murs immergés d’épaisseur limitée (sur lesquels ils devraient être immobiles); confinement dans un puit de potentiel par aimantation de la goutte (remplie d’un fluide magnétique): les trajectoires des marcheurs prennent, dans le cas général, la forme de plats de spaghettis (plein de boucles), mais on constate qu’elles évoluent en trajectoires élémentaires particulières comme des cercles, des lemniscates et des trifoliums(en variant les paramètres de l’expérience). On retrouve aussi ici un ensemble discret de trajectoires stables se rapprochant de la quantification observable en physique quantique….
Les chercheurs ont aussi mis en évidence l’effet Narcisse (ce personnage mythologique qui adorait contempler l’image de son visage sur l’eau des flaques ou des pièces d’eau): la goutte laisse derrière elle un champ d’ondes qui interagit avec elle-même; une expérience montre en particulier qu’elle est attirée par les ondes laissées par sa trajectoire passée même quand on cesse d’appliquer au liquide des forces extérieures.
Dans tous ces phénomènes, l’instabilité de Faraday qui se produit lorsqu’un liquide est agité verticalement joue un rôle central. En se plaçant juste en dessous du seuil de déclenchement de cette instabilité, la goutte produit, lors de chacun de ses rebonds sur le bain, des ondes stationnaires qui conservent leurs oscillations quelque temps. Ce temps représente une sorte de mémoire pour le marcheur. Le paquet d’onde produit par le marcheur est ainsi constitué par l’accumulation de ces ondes élémentaires. Il encode sous forme d’onde une information sur la trajectoire au travers des chocs successifs. La dynamique du marcheur est issue de ce couplage fort entre le champ d’onde créé de façon itérative par la goutte et cette dernière qui, en retour, est pilotée par ce champ d’onde.
3. Le retournement du temps
Le miroir temporel et le retournement temporel, provoqués sur les mêmes liquides, nous interpellent encore plus, car ils soulèvent à leur manière le problème philosophique du retour, en arrière, dans le temps. Ils résultent directement des observations faites sur les marcheurs et du rôle de l’instabilité de Faraday. En effet, les paquets d’ondes entourant les gouttes sont constitués d’ondes stationnaires et contiennent donc des ondes divergentes et convergentes. Ces dernières peuvent être interprétées comme des ondes retournées temporellement et revenant sur les sources qui les ont émises. Il est ainsi possible de réaliser des expériences où, après création d’ondes, on applique au bain un choc brutal (vertical) qui a pour effet de modifier la vitesse de propagation des ondes: les ondes font alors demi-tour (sans avoir été renvoyés par les bords du bassin), c’est le retournement temporel, comme sous l’effet d’un miroir temporel. E. Fort nous l’a illustré spectaculairement par l’émission d’ondes à travers tous les trous d’une face de la micro-maquette de la Tour Eiffel, placée sous nos yeux: quand cette émission commence, on la voit se brouiller et cacher l’image de la Tour, puis quand on provoque le retour de ces émissions, l’image de la Tour réapparait.
Dans ce domaine, les résultats ont aussi permis de revisiter le « Démon» de Loschmidt (1825-91), proposition qui affirme que, dans un ensemble de particules qui bougent, l’inversion instantanée des vitesses provoque leur retour, mais n’a pas pu être vérifiée dans les particules (à cause de l’influence du bruit); en revanche, dans le domaine des ondes, cela correspond à un miroir temporel tel que découvert par l’équipe d’E. Fort.
Ce type nouveau de retournement temporel pourra peut-être un jour trouver des applications (avec des ondes non liquides)notamment en médecine où d’autres formes de retournement temporel (à l’aide de capteurs et de traitement informatique du signal) ont déjà montré leur pertinence pour détruire à distance, par focalisation d’ondes acoustiques intenses, des calculs rénaux ou des dépôts de calcaire obstruant le cœur.
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L’assistance a ainsi passé deux heures de découverte en découverte, comme si elle était immergée dans les bains de liquides ondulant et suivait les pas des « marcheurs «; après les questions-réponses, elle a chaleureusement applaudi le conférencier pour lui exprimer ses vifs remerciements. E. FORT a été nommé Membre d ‘honneur de notre association des Anciens de Hoche.
Vincent BOURGERIE, Vice-président de l’Association des Anciens de Hoche.
