La dangereuse vidange des lacs glaciaires

terre - par Fabienne Lemarchand dans mensuel n°356 daté septembre 2002 à la page 16 (1240 mots) | Gratuit
Les glaciers fondent à un rythme soutenu sur tous les continents. Gorgés d'eau, les lacs qu'ils alimentent en altitude menacent d'inonder les habitants des vallées dans les cinq à dix ans à venir. En toile de fond, une question désormais récurrente : ces vidanges glaciaires sont-elles liées au réchauffement climatique annoncé ?

Les glaciers de montagne sont extrêmement sensibles aux variations du climat. Ils grossissent ou maigrissent au gré des chauds et froids. La dernière grande crue remonte au petit âge glaciaire, une période qui a sévi du XVIe siècle à 1850 environ. Depuis, tous les glaciers ont reculé. Dans les Alpes, ils ont perdu le tiers de leur volume de 1820I. La diminution n'a toutefois pas été continue. Ainsi, s'ils ont fortement régressé entre 1942 et 1953, les glaciers alpins ont avancé entre 1954 et 1982. Depuis vingt ans, ils reculent à nouveau. Le glaciologue suisse Frank Paul, de l'université de Zurich, a montré, images satellitaires à l'appui, que la surface des glaciers alpins diminuait en moyenne de 1,5 % chaque année depuis 19851. La situation est comparable dans les Andes, où les petits glaciers ceux qui mesurent moins de 1 kilomètre de long ont perdu près des trois quarts de leur surface en moins d'un siècleII.

Lave torrentielle. Selon une étude menée récemment par une équipe de l'US Geological Survey et de la NASA dans le cadre du programme international Glims*, les glaciers himalayens, qui perdent en moyenne 30 à 40 mètres chaque année, connaissent un recul encore plus rapide2. Dans un rapport paru en avril, le Programme des Nations unies pour l'environnement PNUE et le Centre international de mise en valeur intégrée des montagnes Icimod* se sont inquiétés des risques engendrés par cette fonte massive. Très souvent, l'eau de fonte s'accumule au pied du glacier : comme c'est le cas cette année sur le versant est du mont Rose italien, un lac se forme entre le front de la langue glaciaire et une sorte de barrage naturel constitué de débris rocheux et de glace laissés par le glacier à une période plus faste photo ci-contre. Trop plein, ce lac peut déborder, voire se vider totalement en cas de rupture du barrage, déversant des millions de mètres cubes d'eau dans les vallées environnantes on parle de « lave torrentielle ». Déjà, en août 1985, la vidange soudaine du Dig Tsho, dans l'est du Népal, avait détruit 14 ponts et provoqué 1,5 million de dollars de dégâts. Une quarantaine au moins de lacs glaciaires du Népal et du Bhoutan seraient dans une situation préoccupante et pourraient se vider dans les cinq à dix ans qui viennent, mettant en danger des dizaines de milliers de vies humaines3.

« Ces phénomènes de vidange ont toujours existé et sont bien connus des glaciologues. Ils se produisent à chaque période de récession glaciaire », rappelle Louis Reynaud, du laboratoire de glaciologie et de géophysique de l'environnement de Grenoble LGGE. De fait, plusieurs dizaines d'accidents ont été recensés au cours du siècle dernier dans les Alpes ou dans les Andes, où de nombreux lacs sont apparus à la fin du petit âge glaciaire. L'un des plus meurtriers eut lieu en 1970, dans la Cordillère blanche, au Pérou : 18 000 personnes périrent et la ville de Yungay fut entièrement détruite par une gigantesque coulée boueuse.

De telles catastrophes ont ponctué l'histoire de la Terre. Les géologues en ont retrouvé la trace dans les dépôts sédimentaires. Ainsi, à la fin de la dernière période glaciaire, il y a environ 20 000 ans, la région de Channeled Scabland, dans l'Etat de Washington, aux Etats-Unis, fut totalement inondée, probablement en raison de la rupture soudaine d'un gigantesque lac glaciaire. Le débit des coulées boueuses aurait atteint 20 millions de mètres cubes par seconde !4

Il est possible de se prémunir contre de telles catastrophes en aménageant un canal afin de réaliser des vidanges contrôlées et évacuer le trop-plein d'eau. Un tel exutoire a été installé en 1986 sur le glacier d'Arsine, dans le massif des Ecrins Hautes-Alpes5. Un autre est en cours de construction sur le Tsho Rolpa, un lac situé à 4 580 mètres d'altitude, à une centaine de kilomètres au nord-est de Katmandou Népal. A la fin des années 1960, ce lac himalayen ne formait qu'un petit bassin de 0,23 km2. Sa superficie a depuis décuplé, en raison de la fonte rapide du glacier de Tradkarding, et il s'étend aujourd'hui sur 1,68 km2. Si la digue naturelle de roches et de glace qui le retient venait à céder, quelque 80 millions de mètres cubes d'eau se déverseraient dans les vallées voisines de Rolwaling et de Tama Koshi, où vivent plus de 10 000 personnes... Un accord entre les gouvernements népalais et néerlandais a été signé en 1998 pour la construction d'un canal régulateur et l'installation d'un réseau de capteurs et de sirènes afin que les 19 villages menacés soient alertés en cas de montée intempestive des eaux. L'objectif ? Abaisser le niveau du lac d'une trentaine de mètres. Reste que le coût d'une telle opération près de 3 millions de dollars est prohibitif. Et seule une aide internationale de grande ampleur permettrait d'effectuer des travaux comparables sur les lacs les plus dangereux comme sur le Rapshtreng Tsho, au Bhoutan, dont la superficie est passée de 1,54 km2 en 1986 à 2,2 km2 aujourd'hui.

Données insuffisantes. Plus personne ne le conteste : les glaciers du monde entier reculent depuis 1820. Mais les causes de ce retrait restent mal comprises : signe-t-il le réchauffement climatique prédit par les modèles ? Ou résulte-t-il de fluctuations naturelles du climat ? « Pour l'heure, il est impossible de trancher car l'ampleur réelle du retrait reste mal connue », précise Christian Vincent, du LGGE. « Elle est en général déduite des variations de longueur et de surface des glaciers. Celles-ci sont faciles à mesurer sur les cartes topographiques ou les images satellitaires. Malheureusement, elles n'offrent pas une image directe des fluctuations climatiques. Seules les variations du volume des glaciers sont significatives. » Et pour accéder à ce paramètre, il faut mesurer très précisément l'épaisseur de la glace. Ce qui n'est pas sans poser quelques problèmes pratiques, notamment dans l'Himalaya où les glaciers, généralement situés à plus de 4 000 mètres d'altitude, restent parmi les moins connus de la planète. « Ces données sont rares et pas suffisamment anciennes. Elles ne remontent qu'à 1946 pour la Scandinavie et à 1949 pour les Alpes. Ailleurs, elles sont quasi inexistantes », poursuit le glaciologue.

Les mesures réalisées de façon systématique sur quelques glaciers alpins depuis une vingtaine d'années par Christian Vincent et ses collègues ont montré que le volume glaciaire est étroitement corrélé aux précipitations en particulier hivernales et au bilan énergétique en surface en gros des températures estivales6. Autre constat, le recul des vingt dernières années, bien que d'amplitude comparable à celui des années 1942-1953, n'est pas de même nature. Les faibles précipitations hivernales et les étés chauds avaient alors joué de concert pour faire reculer les glaciers tandis qu'une succession d'étés exceptionnellement chauds suffit à expliquer le retrait actuel. Enfin, « le recul des glaciers alpins déduit de ces variations de volume est deux fois moins important que celui déduit des simples mesures de surface », conclut Christian Vincent. En d'autres termes, les glaciers fondent mais peut-être moins que ne le laissaient supposer les observations de surface. Si ces résultats se confirment, les projections pour le XXIe siècle devront elles aussi être revues à la baisse.

Par Fabienne Lemarchand

 DOCUMENT       larecherche.fr       LIEN

À la poursuite du spin manquant

physique - par Serge Kox et Jean-Marc Le Goff dans mensuel n°391 daté novembre 2005 à la page 52 (2052 mots)
Les particules qui composent le noyau des atomes représentent 99 % de la masse qui nous environne. Bien qu'elles aient été découvertes dans la première moitié du XXe siècle, leur structure interne recèle encore bien des mystères. On commence seulement à entrevoir comment se construit l'une de leurs caractéristiques quantiques fondamentales, le spin.

La revue que vous tenez entre les mains, vos mains elles-mêmes, et plus généralement toute la matière qui nous entoure est formée d'atomes, assemblages d'électrons et de noyaux. Les composants de ces noyaux, les nucléons, sont les protons, de charge électrique positive, et les neutrons, électriquement neutres. Les nucléons sont eux-mêmes constitués de particules plus fondamentales encore : les quarks et les gluons qui lient ces derniers entre eux. Cette description est bien établie depuis maintenant une trentaine d'années. Mais retrouver les propriétés d'une structure à partir de celles de ses constituants est parfois difficile. C'est le cas pour la construction des nucléons à partir des quarks et des gluons, et cela est

particulièrement vrai pour ce qui concerne le « spin », une propriété qui caractérise tous les objets de l'infiniment petit.

Les physiciens ont longtemps pensé que le spin des nucléons résultait principalement du spin des quarks. Mais une expérience réalisée il y a une quinzaine d'années au laboratoire européen pour la recherche nucléaire, le CERN, près de Genève, a montré que la contribution des spins des quarks au spin du nucléon était très faible ! Ce résultat totalement inattendu sema le trouble dans la communauté des physiciens. Que nous dit-il sur la façon dont la matière est organisée ? D'où vient alors le spin des nucléons ? Ces questions posées, ce que l'on a appelé la « crise du spin » suscita une intense activité de recherche à la fois théorique et expérimentale. La preuve, l'article du CERN qui déclencha la controverse est l'une des trois publications expérimentales les plus citées en physique des particules. Ces recherches commencent aujourd'hui à porter leurs fruits.

Sauts quantiques
Le spin est une grandeur qui n'a de sens que lorsque l'on se place dans le cadre de la mécanique quantique. Son existence permet d'expliquer de nombreux phénomènes physiques, tels que le magnétisme et les spectres d'émission lumineuse des atomes. Une image courante pour expliquer ce qu'est le spin est de se représenter les particules comme des toupies tournant sur elles-mêmes. Si l'on se situait dans le cadre de la physique classique, ces toupies seraient caractérisées par une grandeur appelée « moment cinétique intrinsèque ». Puisque cette grandeur dépend de la masse, du rayon et de la vitesse de rotation, elle pourrait prendre toutes les valeurs possibles. Le spin, en revanche, spécifique au monde subatomique, ne peut prendre que des valeurs particulières séparées par des « sauts quantiques ».

En général, les caractéristiques individuelles d'un système de particules en interaction s'ajoutent pour donner ses propriétés globales à l'ensemble. C'est le cas par exemple pour la charge électrique du nucléon : on l'obtient en additionnant la somme des charges portées par les quarks qui le constituent. Six types de quarks existent « up », « down », « étrange », « charme », « bottom » et « top », mais deux seulement sont présents de manière permanente dans les nucléons : un quark down et deux quarks up pour le proton ; deux down et un up pour le neutron. La charge électrique du proton est ainsi la somme des charges des deux quarks up 2/3 et de celle du quark down - 1/3, soit une fois la charge électrique élémentaire. Pour la composition des spins, bien que les règles de la mécanique quantique compliquent un peu les choses, un raisonnement similaire peut s'appliquer. Ainsi, les physiciens s'attendaient à ce que le spin du nucléon provienne essentiellement des trois quarks, up ou down , qui le composent.

Pour mettre à nu la structure interne des nucléons, une finesse d'observation adaptée à leur très petite taille, qui est de l'ordre du millionième de millionième de millimètre, est requise. Or, plus les objets sont petits, plus l'énergie nécessaire à leur observation doit être grande. Les « microscopes » que les physiciens utilisent sont ainsi de puissants accélérateurs qui projettent à très grande vitesse des particules contre des nucléons cibles. Deux types de particules sont utilisés pour cela : les électrons, et leurs « cousins » plus massifs, les muons, qui portent tous les deux une charge électrique. En effet, ces particules ont l'avantage de ne pas posséder de structure interne, ce qui facilite l'interprétation des résultats, et la théorie de l'électrodynamique quantique décrit avec une très grande précision les interactions qui se produisent entre particules chargées. Les expériences sont réalisées avec des particules « polarisées », c'est-à-dire que leurs spins pointent tous dans une direction donnée lire ci-dessous « Les particules selon leur spin ». On mesure alors le nombre d'interactions entre les projectiles et les nucléons dans les cas où leurs spins sont orientés soit dans le même sens, soit dans un sens opposé. La différence entre ces taux de réaction permet de déduire la contribution des quarks au spin du nucléon.

La piste des gluons
C'est de cette manière que les physiciens de l'expérience European Muon Collaboration EMC du CERN mesurèrent pour la première fois en 1988 la contribution du spin des quarks au spin du nucléon [1] . Énorme surprise : la valeur était très faible, il était même possible qu'elle soit nulle ! On soupçonna immédiatement une erreur expérimentale. Des expériences plus précises conduites ultérieurement par la collaboration SMC au CERN de 1992 à 1996, par différentes collaborations au SLAC en Californie de 1992 à 1997, puis par la collaboration Hermes auprès de l'accélérateur DESY à Hambourg à partir de 1995, ont « essentiellement » confirmé les résultats de EMC, en les revoyant néanmoins un peu à la hausse. La contribution du spin des quarks au spin du nucléon, qui est aujourd'hui établie à 25 % environ, reste encore bien au-dessous de ce à quoi les physiciens s'attendaient.

Quelques mois après la présentation des résultats de l'expérience EMC, des recherches théoriques conduisirent toutefois à leur réinterprétation [2] . Du fait de complications mathématiques inhérentes à la théorie de la chromodynamique quantique, qui décrit les interactions entre les quarks, EMC et les expériences suivantes ne mesuraient en fait pas toute la contribution des spins des quarks : le résultat était réduit d'une fraction de la contribution du spin des gluons. On entrevit ainsi un scénario où la crise du spin disparaissait : la contribution des gluons y serait telle que l'on retrouverait la contribution importante des quarks à laquelle on s'attendait. Pour le vérifier et tenter d'avoir une compréhension plus précise de la structure des nucléons, une collaboration internationale de 250 chercheurs s'est regroupée au CERN en 1997 pour réaliser l'expérience Compass.

Contrairement aux quarks, les gluons n'ont pas de charge électrique. On ne peut donc pas faire interagir directement des faisceaux d'électrons ou de muons avec des gluons pour étudier leur spin. Néanmoins, on peut avoir recours à une approche indirecte. L'interaction entre un muon et un proton se produit par l'intermédiaire d'un photon. Dans une grande majorité de cas, ce photon interagit avec un quark ce qui donne lieu à de nombreuses particules produites dans la direction de la quantité de mouvement * du photon.

Plus rarement, le photon interagit avec un gluon, ce qui produit une paire formée d'un quark et d'un antiquark, son équivalent d'antimatière. Dans ce cas, des particules peuvent être produites dans une autre direction

que celle du photon, ce qui permet de savoir que l'on a bien « vu » un gluon. Comme pour les quarks, c'est la différence entre les taux de réaction selon l'orientation des spins qui permet de déduire la contribution du spin des gluons. Telle est la méthode expérimentale sur laquelle se fonde la collaboration Compass, qui utilise notamment une nouvelle génération de détecteurs

dont le principe a été proposé par Georges Charpak, Prix Nobel de physique en 1992.

En avril 2005, la collaboration a présenté les résultats de la première moisson de données. Ils suggèrent que la contribution du spin des gluons est très faible. La piste des gluons n'est toutefois pas abandonnée. Car Compass n'a pris en compte qu'une certaine catégorie de gluons, ceux dont la quantité de mouvement est telle qu'ils pouvaient effectivement interagir avec le faisceau de particules accélérées. Après un arrêt d'une année, Compass prendra à nouveau des mesures à partir du

printemps 2006 avec un appareillage amélioré. Celui-ci devrait permettre d'obtenir d'autres résultats par une méthode complémentaire, fondée sur l'identification du type de particules produites plutôt que sur leur direction de propagation.

Contribution du « spin orbital »
Par ailleurs, une collaboration internationale de physiciens travaillant au laboratoire RHIC, à Brookhaven, près de New York, cherche elle aussi à mesurer la contribution des gluons. Pour cela, elle fait collisionner l'un contre l'autre deux faisceaux de protons polarisés. L'un des faisceaux est utilisé en quelque sorte comme un faisceau de quarks pour « voir » les gluons dans l'autre proton. En 2006, les données déjà enregistrées depuis trois ans devraient permettre d'obtenir un résultat pour des gluons ayant des quantités de mouvement différentes de ceux observés par Compass. On peut donc espérer savoir d'ici peu si la contribution des gluons est à même de résoudre la crise du spin.

En attendant, et puisque la contribution des gluons semble pour le moment faible, l'attention se focalise sur une troisième contribution possible au spin des nucléons. Celle-ci est associée aux mouvements relatifs des quarks et des gluons à l'intérieur même du nucléon. En effet, pour reprendre l'analogie où l'on représente une particule comme une toupie en rotation autour

de son axe, celle-ci peut également tourner autour du « centre » du nucléon, comme les

planètes gravitent autour du Soleil, qui matérialise le centre du système solaire.

On dispose de plusieurs indications sur l'existence de cette forme de spin au sein du nucléon, que l'on appelle aussi le « spin orbital ». La plus probante a été apportée par une expérience

réalisée en 2004 au laboratoire Thomas Jefferson, en Virginie, à laquelle vingt-deux équipes internationales ont participé [3] . Les physiciens ont bombardé une cible de neutrons avec un faisceau d'électrons, dont les caractéristiques permettaient d'étudier une configuration rare où l'un des trois quarks porte à lui seul presque toute la quantité de mouvement du nucléon. Ils ont constaté que, lorsque ce quark était un quark down , son spin pointait dans la direction opposée à celle du spin du nucléon. Or, selon la théorie de la chromodynamique quantique qui décrit les interactions entre les quarks, ce résultat est inexplicable si l'on néglige le spin orbital. La contribution de ce dernier au spin du nucléon doit donc vraisemblablement être prise en compte.

Ce résultat qualitatif encourage les physiciens à mesurer la contribution du spin orbital. Les travaux réalisés notamment par le théoricien Xiang-Dong Ji, un physicien de l'université du Maryland, offrent l'espoir d'y parvenir un jour [4] . Car les formalismes sur lesquels il travaille depuis 1996, appelés « distributions de partons généralisées », permettent de décrire à la fois la quantité de mouvement des particules selon un axe et leur position dans un plan perpendiculaire. C'est-à-dire exactement ce qui est nécessaire pour calculer le spin orbital. Toutefois, accéder à la contribution du spin orbital

reste encore une gageure. Car, pour se servir de ces

outils théoriques, il faut réaliser des expériences où toutes les particules produites sont détectées, et utiliser

plusieurs accélérateurs couvrant une très large gamme

d'énergie. Lorsque l'on y parviendra, la combinaison de

ces percées théoriques et expérimentales permettra

d'obtenir pour la première fois une image tridimensionnelle de la structure la plus intime de la matière.

EN DEUX MOTS Dans le monde subatomique, tous les objets sont caractérisés par une propriété quantique fondamentale : le spin. Une image courante pour expliquer ce qu'est le spin est de représenter ces objets comme des toupies en rotation sur elles-mêmes. Les physiciens ont longtemps pensé que le spin des particules qui composent le noyau des atomes, les nucléons, provenait essentiellement des briques les plus élémentaires de la matière, les quarks. Mais les mesures réalisées depuis la fin des années 1980 ont toutes infirmé cette hypothèse, ce qui mettait en cause les modèles sur la structure des nucléons. Cette « crise du spin » a déclenché une intense activité de recherche dont on voit poindre aujourd'hui les résultats.

Par Serge Kox et Jean-Marc Le Goff

DOCUMENT       larecherche.fr       LIEN

1 - La gravité quantique à boucles en 5 questions

dossier - par Bernard Romney dans mensuel n°458 daté décembre 2011 à la page 38 (2607 mots) | Gratuit
En quelques années, la théorie de la gravité quantique à boucles, qui cherche à quantifier la gravitation, a changé de statut et gagné une certaine maturité. Quels sont les fondements de cette théorie ?

F in mai 2011, Madrid accueille une communauté particulière de physiciens : tous les spécialistes de la « gravité quantique à boucles » s'y réunissent pour célébrer les 25 ans de l'article fondateur de cette théorie. Dans son allocution, l'auteur de cette publication, le physicien d'origine indienne Abhay Ashtekar, dépeint l'essor actuel de cette approche théorique, notamment en cosmologie. On est donc loin de la théorie longtemps considérée comme exotique, n'intéressant que quelques théoriciens travaillant à une reformulation mathématique de la loi de la gravitation.

Aujourd'hui, ce modèle de quantification de l'espace-temps est cohérent et a acquis une nouvelle assise. Tout tourne autour de l'idée que l'espace n'est plus continu mais formé de petits grains élémentaires. Bien sûr, cette théorie, très difficile à tester, est encore spéculative. Mais décrire la structure intime de l'espace-temps, comme passer « de l'autre coté du Big Bang » motive toute cette communauté de physiciens. « Les boucles » ont passé un cap : c'est donc l'occasion d'en expliquer les fondements.

1 Quels sont les objectifs de cette théorie ?
Imaginée à partir du milieu des années 1980, la gravité quantique à boucles est une théorie qui, comme son nom l'indique, cherche à quantifier la gravité, et tente ainsi de répondre à l'une des questions clés de la physique actuelle. En effet, le début du XXe siècle a vu l'émergence des deux théories de la physique contemporaine. La mécanique quantique qui décrit les propriétés de l'infiniment petit : molécules, atomes, particules élémentaires... Et la relativité générale, théorie relativiste de la gravitation, qui décrit l'Univers à grande échelle. Dans leurs domaines respectifs, ces deux théories font des merveilles. Pour autant, elles sont totalement incompatibles, et conduisent à deux représentations du monde radicalement différentes. D'un côté, des phénomènes quantiques aléatoires, incertains et discontinus, ayant cours dans l'espace-temps parfaitement plat et figé de la microphysique. De l'autre l'espace-temps courbe et dynamique, mais parfaitement lisse et continu de la relativité générale.

Exigence conceptuelle donc, mais pas seulement. En effet, si elles sont peu nombreuses, certaines questions, comme le début de l'Univers ou la fin de vie d'un trou noir, requièrent, pour être abordées dans leur intégralité, une théorie à même de rendre compte de situations où les effets gravitationnels se font sentir à l'échelle microscopique. Ce dont seule une théorie quantique de la gravitation serait capable.

Dès 1916, Einstein prend conscience de la nécessité de quantifier la gravitation. Mais les physiciens y sont d'abord parvenus pour les autres interactions fondamentales : la force électromagnétique et les interactions nucléaires faible et forte. C'est d'ailleurs l'un des triomphes de la physique du siècle dernier d'avoir forgé une théorie à la fois quantique et relativiste de ces trois dernières interactions. Et le résultat de ce tour de force est synthétisé dans ce que les physiciens des particules appellent le modèle standard.

À l'inverse, malgré un siècle d'efforts, personne n'a réussi à proposer une version quantique entièrement satisfaisante de la gravitation. Et pour cause : alors que les outils mathématiques utilisés pour quantifier les autres forces fondamentales ne sont utilisables que dans le cadre d'un espace-temps plat, celui de la gravitation est fondamentalement mouvant.

Pour contourner le problème, plusieurs tentatives ont consisté à étudier le cas de petites déformations de l'espace-temps sur une trame considérée comme plate et fixe. Mais toutes se sont confrontées à d'incontournables incohérences mathématiques les rendant in fine inutilisables.

Aujourd'hui, il existe essentiellement deux grandes théories concurrentes, et à ce stade encore spéculatives, qui proposent de quantifier la gravitation : la théorie des cordes lire L'ambitieuse théorie des cordes, p. 41 et la gravité quantique à boucles. La première évolue sur un espace-temps parfaitement figé. Et c'est ce qu'un certain nombre de théoriciens lui reprochent. Selon eux, pour cette raison, la théorie des cordes ne peut pas être l'ultime théorie quantique de la gravitation. Et ils lui préfèrent la gravité quantique à boucles, a priori plus modeste. N'ayant pas pour ambition d'unifier toutes les interactions, elle se concentre en effet exclusivement sur la quantification de la gravitation. De plus, l'approche « cordiste » part d'une hypothèse ad hoc - l'existence des cordes -, alors que les « bouclistes », et c'est leur force, ne se fondent que sur de la physique connue : la mécanique quantique et la relativité générale.

2 Comment les boucles quantifient-elles la gravitation ?
Pour les spécialistes des boucles, une véritable théorie quantique de la gravitation ne doit formuler aucune hypothèse sur la géométrie de l'espace-temps. Comme en relativité générale, c'est le contenu en matière de l'Univers qui fixe de façon dynamique sa géométrie. Les physiciens parlent ainsi d'approche « indépendante du fond ».

À partir de là, il s'agit d'appliquer les techniques standard de quantification à la gravitation. C'est-à-dire à l'espace-temps lui-même, puisque selon les équations d'Einstein, la force qui fait « tomber les pommes » est une manifestation directe de la déformation que la matière imprime à la trame de l'espace-temps.

Certes, de multiples tentatives ont montré toute la difficulté d'appliquer un tel programme. Mais pour les promoteurs de la gravité quantique à boucles, c'est justement le fait d'avoir privilégié des approches non indépendantes du fond qui a été à l'origine des échecs passés. Car en figeant la trame de l'espace-temps, elles empêchaient que ne se révèle son éventuelle structure quantique.

Concrètement, l'origine de la gravité quantique à boucles réside dans une reformulation de la relativité générale proposée en 1986 par Abhay Ashtekar, alors à l'université de Syracuse, aux États-Unis [1] . L'exercice est d'une extrême technicité mathématique. Sauf que réécrites sous cette forme, les équations décrivant la géométrie mouvante de l'espace-temps ressemblent désormais à celles qui décrivent les lignes de champ électrique dans la théorie de Maxwell. Ce que remarquent Carlo Rovelli et Lee Smolin, alors à l'université Yale aux États-Unis, au tournant des années 1980 et 1990 [2] .

Les deux physiciens suggèrent d'exporter les méthodes utilisées pour dériver la version quantique de l'électromagnétisme, quoique sous une forme très largement remaniée, dans le champ de la relativité générale et de la gravitation. Ainsi naît une théorie quantique de la gravité, dont le nom, gravité quantique à boucles, vient du fait qu'elle s'appuie sur le calcul de la variation de l'orientation de surfaces d'espace le long de lignes fermées d'espace-temps, autrement dit des boucles. Calculs auxquels sont associées des incertitudes fondamentales équivalentes à celles qui, en mécanique quantique, empêchent de déterminer simultanément la position et la vitesse d'une particule microscopique.

3 À quelle vision de l'espace-temps conduit la gravité quantique à boucles ?
En 1994, Carlo Rovelli et Lee Smolin, alors aux universités de Pittsburgh et de Syracuse, montrent que cette théorie conduit à une représentation de l'espace-temps radicalement nouvelle [3] . Alors que l'espace-temps de la théorie d'Einstein est lisse à toutes les échelles, celui de la gravité quantique à boucles, d'après les calculs des deux théoriciens, présente une structure discontinue si on le regarde aux échelles les plus petites.

Ainsi, de la même manière que l'énergie d'un atome ou d'une molécule ne peut prendre que certaines valeurs, la gravité quantique à boucles indique que l'espace lui-même n'est pas insécable à l'infini. Les calculs conduisent à une longueur élémentaire, la plus petite possible, équivalente à la longueur de Planck, soit 10-35 mètre. Ce qui mène à une surface élémentaire d'Univers de 10-70 mètre carré, et en trois dimensions à un volume élémentaire, le plus petit « cube » d'espace envisageable, de 10-105 mètre cube. L'Univers entier devenant alors une sorte de gigantesque « lego » composé de volumes élémentaires certes minuscules, mais insécables. De la même manière que la matière, d'apparence lisse et continue à notre échelle, résulte de l'agencement de particules dont la taille est finie.

Étonnant ? Peut-être. Si ce n'est que ces « grains » d'espace n'ont rien d' ad hoc , mais sont au contraire une conséquence implacable des calculs à base de boucles. Plus précisément, chaque fois que les équations de la théorie parcourent une boucle de façon abstraite, elles engendrent du même coup un nouveau quantum de volume [fig. 1] .

L'année suivante, Carlo Rovelli et Lee Smolin raffinent leur approche. Plus précisément, ils réalisent que la structure granulaire de l'espace peut être décrite par une gigantesque toile, ou réseau, dont chaque noeud représente un volume élémentaire et chaque lien la surface séparant deux volumes adjacents. Cette représentation leur a été inspirée par des travaux réalisés quinze ans plus tôt par Roger Penrose, à l'université d'Oxford. Et c'est donc auprès du célèbre mathématicien que les deux théoriciens peaufinent leurs idées durant l'été 1994, lors d'un séjour à Vérone, en Italie.

Pour autant, cet espace-temps granulaire ne suffit pas à faire alors de la théorie quantique à boucles une théorie quantique de la gravité. Encore faut-il qu'elle indique comment la dynamique de l'espace-temps met en oeuvre ces quanta d'espace dans des situations physiques concrètes, de la même manière que la relativité générale décrit l'extension de l'Univers dans l'espace-temps comme une solution des équations d'Einstein.

Les premières équations d'évolution d'un Univers quantique sont le fait de Thomas Thiemann, alors à l'université de Penn State, en Pensylvanie, en 1996. Accueillies avec un immense enthousiasme, elles laissent entrevoir la possibilité de calculer les probabilités quantiques précises de chaque modification de l'espace-temps quantifiée. Elles conduisent aussi à se représenter ce dernier telle une « mousse » faite de petits volumes d'espace et de temps, la quatrième dimension - le temps - devenant également une grandeur discontinue, dont le plus petit incrément est environ égal au temps de Planck, soit 10-43 seconde [fig.2] .

Néanmoins, l'euphorie est de courte durée : les équations de Thiemann sont si difficiles à manipuler qu'elles ne sont presque d'aucune utilité pratique. Sans compter qu'à l'horizon des années 2000 personne n'est en mesure de garantir l'unicité des règles conduisant à la quantification de l'espace-temps dans le cadre de la gravité quantique à boucle. D'où un risque de conduire, pour une situation physique donnée, à des prédictions différentes et contradictoires et donc d'invalider la théorie.

Aussi faut-il attendre ces toutes dernières années pour que plusieurs physiciens, notamment Laurent Freidel, à l'institut Perimeter, à Waterloo, au Canada, Etera Livine, à l'école normale supérieure de Lyon, et le groupe de Carlo Rovelli, au Centre de physique théorique, à Luminy, prouvent définitivement le caractère univoque de la gravité quantique à boucles [4] . Et en donnent une formulation permettant de l'utiliser pour réaliser des calculs.

4 Quels sont les succès de cette théorie ?
Tout d'abord, la gravité quantique à boucles est la seule théorie qui propose une description quantique de l'espace-temps, et donc de la gravitation, qui intègre à la fois les exigences de la mécanique quantique : description probabiliste des phénomènes physiques, relations d'incertitude, caractère discontinu de la réalité... et le caractère fondamentalement dynamique de l'espace-temps de la relativité générale.

Par ailleurs, John Barrett, Winston Fairbairn et leur groupe de recherche, à l'université de Nottingham en Grande-Bretagne, ont récemment prouvé qu'à grandes échelles la gravité quantique à boucles se résume effectivement à la relativité générale [5] , de même que dans le domaine des faibles champs de gravitation, la relativité générale ne fait qu'une avec la théorie newtonienne.

Dans le même esprit, Eugenio Bianchi et You Ding, à l'université de Aix-Marseille, ont montré que la gravité quantique à boucles permet de décrire certaines propriétés de l'espace-temps en terme de propagation de gravitons, particule élémentaire imaginée être associée au champ de gravité. Et là encore, ses prédictions sont conformes à celles de la relativité générale. Elle permet aussi de retrouver les équations dites de Friedman qui décrivent l'expansion de l'Univers dans le cadre de la théorie d'Einstein de la gravitation.

Mais ce n'est pas tout. L'une des plus grandes réussites de la gravité quantique à boucles concerne la cosmologie. Ainsi, elle permet de dépasser les difficultés posées par la singularité mathématique associée au Big Bang, dont le sens physique est inexistant. Plus précisément, elle montre que notre univers en expansion pourrait résulter du « rebond » d'un univers en contraction qui l'aurait précédé lire « De l'autre côté du Big Bang », p. 46.

Enfin, la gravité quantique à boucles s'est illustrée dans la description de la physique des trous noirs lire « Comment la théorie des boucles voit les trous noirs », p. 44. En effet elle a permis à Carlo Rovelli, dès 1996, de retrouver la formule de l'entropie d'un trou noir. En des termes profanes, l'étrange résultat obtenu au début des années 1970 par Stephen Hawking, à Cambridge, et Jacob Bekenstein, alors à Princeton, selon lequel un trou noir, astre dont la relativité générale indique qu'il est impossible de s'en extraire, émet néanmoins, comme tout corps, un rayonnement thermique lié au fait qu'il possède une température. Et dont le physicien Stephen Hawking avait montré qu'il ne peut s'expliquer qu'en introduisant une dose de mécanique quantique dans la physique de ces astres noirs.

5 Est-il possible de tester la gravité quantique à boucles ?
Sachant que les prédictions de la gravité quantique à boucles concernent des domaines - échelle de Planck de l'espace-temps , Big Bang, trous noirs - totalement inaccessibles à l'expérimentation directe, la réponse est difficile. Et, il y a encore quelques années, d'aucuns auraient assuré que cette théorie, comme du reste toute théorie quantique de la gravitation, ne pourrait jamais être testée. Aujourd'hui, les avis sont partagés. Mais quelques pistes existent.

Ainsi, même s'il n'y a pas consensus sur la question, il n'est pas impossible que la granularité de l'espace prédite par les « boucles » s'accompagne d'une violation du sacro-saint caractère de la vitesse de la lumière. En effet, lorsqu'elle se propage entre les atomes d'un solide, la lumière, si sa longueur d'onde est très grande par rapport à la distance inter-atomique, ne subit pas d'influence du réseau cristallin, comme si elle ne le « voyait » pas. Et sa vitesse est la même que dans le vide. A l'inverse, si sa longueur d'onde est de l'ordre de grandeur de la distance inter-atomique, ou plus petite, elle devient sensible à l'influence du milieu dans lequel elle se propage. Sa vitesse dépend alors de sa longueur d'onde. Il n'est donc pas impossible qu'un photon de très petite longueur d'onde, de l'ordre de la longueur de Planck, puisse voir sa vitesse de propagation dans le vide affectée par la structure quantique de l'espace-temps telle que prédite par la gravité quantique à boucles.

Pour le savoir, les astrophysiciens comptent en particulier sur l'observation de ce qu'ils appellent des sursauts gamma, soit des bouffées de lumière ultra intenses - pendant quelques centaines de secondes, elles sont jusqu'à 10 fois plus lumineuses que toute la galaxie - émis par des galaxies anciennes situées à plusieurs milliards d'années-lumière de la Terre. Ainsi, un décalage constaté dans l'arrivée des photons de différentes longueurs d'onde pourrait être un signe favorable en faveur des boucles.

Autre possibilité : la piste cosmologique. En effet, les calculs montrent que la structure granulaire de l'espace-temps aurait pu imprimer sa marque dans le fond diffus cosmologique, la plus ancienne lumière aujourd'hui observable dans l'Univers. Effets qui pourraient être décelés par les nouveaux télescopes spatiaux. Avec tout de même un bémol : l'impossibilité de prévoir, étant donné l'indétermination qui règne sur certains paramètres de la théorie, si ces modulations dans le fond diffus ne seraient pas plus grandes que l'Univers observable. Auquel cas, même si elles existent, elles resteront à jamais inaccessibles.

Certains « bouclistes » optent enfin pour une approche probabiliste, et se demandent par exemple quelle est la probabilité que la gravité quantique à boucle engendre un Univers compatible avec les propriétés du nôtre. À ce jeu, il sera difficile de vérifier cette théorie.

Par Bernard Romney

 DOCUMENT    larecherche.fr     LIEN

Paris, 12 février 2016
Des robots humanoïdes dans les usines aéronautiques de demain

Développer des technologies de robotique humanoïde pour effectuer des tâches difficiles dans les usines aéronautiques, c'est le programme de recherche commun, d'une durée de quatre ans, du Joint Robotics Laboratory (CNRS/AIST)1 et d'Airbus Group. Il sera officiellement lancé le 12 février 2016 à l'ambassade de France à Tokyo2. L'introduction d'humanoïdes sur les lignes d'assemblage aéronautiques permettra de décharger les opérateurs humains des tâches les plus laborieuses ou dangereuses. Ils pourront ainsi se concentrer sur des tâches à plus forte valeur ajoutée. La principale difficulté pour ces robots sera de travailler dans un environnement exigu : comment réaliser certains mouvements sans entrer en collision avec les nombreux objets alentours ? C'est la première question à laquelle devront répondre les chercheurs, en développant de nouveaux algorithmes de planification et contrôle des mouvements précis.
Du fait de la taille des appareils aéronautiques (par exemple des avions de ligne) et du très grand nombre de tâches à effectuer sur peu d'unités, l'utilisation de robots spécialisés à base fixe, déjà utilisés dans l'industrie automobile, est impossible dans l'industrie aéronautique. D'autres difficultés s'ajoutent : même si des robots constitués d'une base mobile et d'un bras manipulateur peuvent être utilisés par l'industrie (comme chez Airbus Group par exemple), ceux-ci sont limités dans leurs déplacements. Ils n'ont, en effet, pas la possibilité de monter des escaliers ou des échelles, de passer des obstacles au sol, etc. De son côté, le Joint Robotics Laboratory (JRL, CNRS/AIST) développe, à partir des modèles de robots HRP-2 et HRP-43, des nouvelles technologies de locomotion dites multi-contacts : en s'aidant de tout son corps pour prendre contact avec son environnement, et non seulement avec ses pieds, ce type de robot peut monter des échelles et entrer dans des endroits exigus. La possibilité d'avoir des contacts multiples permet aussi d'accroître la stabilité du robot et la force qu'il peut appliquer lorsqu'il effectue une tâche. De plus, la forme anthropomorphique de ces robots offre une polyvalence utile pour effectuer un grand nombre de tâches différentes dans des environnements variés.

La collaboration entre les chercheurs du JRL et Airbus Group a donc pour but de permettre aux robots humanoïdes d'effectuer des tâches de manipulation dans un environnement contraint et limité, les lignes d'assemblage, où ils devront faire un usage coordonné de leur corps pour mener à bien leur mission. Les espaces exigus requièrent en effet des postures particulières. Le calcul de telles postures s'avérant mathématiquement complexe, les chercheurs devront tout d'abord développer de nouveaux algorithmes, bien plus puissants que ceux existants actuellement, tout en gardant ces calculs suffisamment rapides pour que les mouvements des robots restent efficaces. Les tâches typiques que les robots auront à effectuer seront, par exemple, de serrer un écrou, de nettoyer une zone de ses poussières métalliques ou d'insérer des pièces dans la structure de l'appareil. Ils pourront également vérifier le bon fonctionnement des systèmes une fois la fabrication terminée.

Ces algorithmes seront testés sur un ensemble de scénarios tirés des besoins des différentes branches d'Airbus Group (Aviation Civile, Hélicoptères, et Spatial), et dont le réalisme ira croissant au fil des années. Du côté de la recherche en robotique, en plus de l'apport des nouveaux algorithmes, cette collaboration mettra peut-être en lumière des insuffisances des robots actuels (design, précision ou puissance, par exemple). Elle pourrait également permettre de spécifier le cahier des charges de la première génération de robots humanoïdes dédiés à la manufacture de grandes structures, d'ici 10 à 15 ans.

 DOCUMENT         cnrs        LIEN