Parus ou à paraître

297
Parus ou à paraître
Nous avons lu
par Bruno VELAY
14 rue de Kerbezo - 44350 Guérande
[email protected]
Comprendre Einstein en animant soi-même l’espace-temps
Stéphane DURAND
Éditeur : Belin
Parution : 2014
Nombre de pages : 96
Prix : 15 €
ISSN/ISBN : 978.2.7011.9284.0
Public visé : Tout lecteur dès la terminale mais motivé quand même
L’auteur : Stéphane Durand est physicien théoricien, enseignant/
chercheur (Centre de recherche mathématiques / Université de Montréal).
Travaux de vulgarisation récompensés par l’Association canadienne-française
pour l’avancement des sciences (ACFAS).
Une feuille cartonnée dotée d’une fente permettra à chacun de la faire glisser sur
les lignes et surfaces d’Univers. Découverte animée des concepts de durée, de longueur
et de simultanéité induits par le mouvement (vitesse), dans l’espace-temps de la relativité restreinte d’Einstein (1905 / année merveilleuse !). Phénomènes bien réels, logique
différente de celle de notre quotidien (faibles vitesses), compris comme effet de perspective dynamique (rotation / pivotement dans l’espace-temps).
Suivre rigoureusement les règles du jeu (cas de deux dimensions) :
1 - inclinaison des lignes d’Univers reliées à la vitesse ;
2 - translation toujours perpendiculaire à la fente ;
3 - ce qui apparaît dans la fente en mouvement, est ce qui est perçu par les sens.
L’interdépendance (essence de la relativité), vitesse (inclinaison des lignes / surfaces d’univers), longueur (largeur des lignes / surfaces vues dans la fente) et durée
(défilement des points sur la ligne d’univers), est mise en évidence de façon lumineuse.
De même pour la simultanéité ; un même événement est à la fois dans le présent de
l’un, dans le passé de l’autre ou dans le futur d’un autre. Le tout clairement exposé par
les animations graphiques dans un espace euclidien, donc simplifié.
Vol. 109 - Février 2015
Bruno VELAY
Nous avons lu et testé
Union des professeurs de physique et de chimie
298
Union des professeurs de physique et de chimie
Perturbé (malgré les précautions prises et maintes fois répétées par l’auteur) par
l’inversion des effets prédits par la théorie. Pour avoir été confronté au problème de
vulgariser ce même sujet, avoir bricolé une pseudo-solution : (deux tiges en X articulées
autour d’un axe, schématisant les deux cônes de lumière et que l’on translate sur la
ligne d’univers de chaque jumeau). Elle ne prétend pas à la généralisation (trois effets /
durée, longueur, simultanéité) si bien réussie par l’auteur. Vouloir zapper le formalisme
_b, ci est louable, mais délicat, même si les démonstrations (géométrie / train /  t l = ct )
restent simples. Penser d’abord en images, évidemment ! Faut-il attribuer l’inversion à la
métrique de Minkowski _ds 2 = dx 2 – c 2 dt 2i , réduite à deux dimensions (x ; ict), et donc
à la nature complexe, associée à la dimension temporelle ? Certes l’espace-temps n’est
pas une simple juxtaposition de l’espace et du temps. Tout cela est décortiqué en fin
d’ouvrage.
Cela n’enlève rien à la volonté de l’auteur à tirer l’essentiel de la nouvelle cinématique :
1 - tous les effets relativistes s’expliquent en termes de rotations dans l’espace-temps ;
2 - ce que chacun appelle espace et temps dépend de son état de mouvement ;
3 - les phénomènes existent hors du temps et de l’espace ; ils existent indépendamment d’un choix
particulier d’axes temporel et spatial.
Se souvenir aussi de la réflexion de Dirac sur son équation (l’équation était plus
intelligente que moi) pour prolonger cette réflexion sur le caractère complexe de la
dimension temporelle. Comme si rien ne devait déranger la déraisonnable efficacité
des mathématiques.
Deux paradoxes classiques (grange/jumeaux) sont chahutés, toujours accompagnés
d’animations graphiques. Rotations et simultanéités y font leur nid dans l’espace-temps
simplifié où l’inversion ne porte pas du tout à conséquence. Comment chacun peut-il percevoir
l’autre ? Levée du paradoxe revient à lever la symétrie des situations de chaque observateur dans l’espace-temps. Synchronisation de l’ouverture des portes de la grange, âge
des jumeaux lors du retour. Ce dernier cas pointe le changement de direction de la
ligne d’univers de la fusée. Les accélérations ne sont pas prises en compte, et pour cause,
car elles interviennent très peu (des coudes devraient remplacer les angles). Il suffit de
doubler, de tripler les distances pour vérifier le peu d’influence de ces coudes. Seul le
changement de direction de la ligne d’univers, donc de référentiel, est essentiel dans la
rupture de symétrie.
Le principe de causalité n’est justifié que par la présence imposée d’une vitesse
limite et universelle, d’une pente limite des lignes d’univers (ds = 0/photons). L’inertie
(pas la masse) de l’objet dépend aussi de sa vitesse ; une limite s’impose encore à cette
dernière pour éviter de touiller les infinis gênants (exemple du chariot sur rails avec
retour sur la responsabilité de l’effet géométrique (rotation) dans l’espace-temps).
Parus ou à paraître
Le Bup n° 971
299
Quelques approfondissements destinés aux physiciens (amateurs !). L’auteur
revient sur les perspectives imposées : humer facilement l’essence de la relativité par
des animations, intriquant les conséquences du mouvement sur trois effets, conscient
des problèmes posés par leur simplification. Paradoxe des jumeaux, diagrammes de
Minkowski, temps imaginaire, aberrations visuelles, champs électrique et magnétique,
notion de courbure du contenu (masse-énergie) sur le contenant (espace-temps) et
vitesse de la lumière (constante d’Einstein) sont visités avec intelligence. Peut-être
un clin d’œil sur le cube d’Okun où les trois (ou quatre) constantes de la physique
(G/C/h/k) se donnent la main.
Du bon, très bon travail. Oui, un véritable bijou pédagogique et culturel.
Bibliographie
On pourra compléter ces réflexions par un retour sur quelques ouvrages :
♦♦ S. Bergia, Einstein, le père du temps moderne, Belin, Pour la Science, p. 68, 2004.
♦♦ J.-M. Vigoureux et B. Vigoureux, L’univers en perspective : relativité restreinte, Ellipses,
p. 113, 2006.
♦♦ J.-P. Luminet, Le destin de l’univers (I), Gallimard, Folio essais, p. 83 à 86, 2010.
♦♦ J.-Cl. Boudenot et Cl. Cohen-Tannoudji, Comment Einstein a changé le monde, EDP
Sciences, p. 95, 2005.
♦♦ J.-Ph. Pérez, Relativité et invariance : fondements et applications, Dunod, p. 48, 2005.
♦♦ S. Bais, Une relativité bien particulière, Gallimard, Folio essais, p. 156, 2012.
Jacques CAZENOVE
La Physique des particules en images
Tom WHYNTIE et Oliver PUGH
Éditeur : EDP Sciences
Collection : Aperçu
Parution : 2014
Nombre de pages : 192
Prix : 9,90 €
ISSN/ISBN : 978.2.7598.1230.1
Public visé : Dès le lycée
Un second volume de cette nouvelle collection de petits livres
de « vulgarisation » au format « poche » et au prix des plus raisonnables. Cela consiste à traiter d’un sujet de physique générale, mais avec une forme
attrayante de nature à « motiver » le « jeune » lecteur (montages de photos N&B
d’expériences et de portraits de scientifiques qui interviennent dans le « récit » par de
Vol. 109 - Février 2015
Bruno VELAY
Nous avons lu et testé
Union des professeurs de physique et de chimie
Union des professeurs de physique et de chimie
300
courts propos dans des bulles, façon BD ou équivalent). Moi, j’aime bien.
Ce livre-ci déroule une présentation synthétique, mais linéaire de l’évolution historique de la physique des particules, depuis « longtemps » jusqu’à maintenant. Mine
de rien, il y a beaucoup à apprendre pour « parfaire » une culture générale scientifique
qui, pour le lecteur lambda, en est restée peut-être à ses atomes de Cours de chimie de
seconde, peut-être à une radioactivité de terminale. Le professeur de physique appréciera sans doute que la physique ne soit pas que « moderne », mais aussi « contemporaine ».
Bruno VELAY
Illusions d’optiques
30 expériences visuelles hallucinantes
Exploratorium
Éditeur : Marabout
Parution : 2014
Prix : 20 €
ISSN/ISBN : 978.2.501.09699.7
Public visé : Tout public
Proposé sous la forme d’un album cartonné aux couleurs vives
et aux « pages » épaisses, reliées par une grosse spirale, ce cahier d’expériences présente
un ensemble de trente situations pratiques où le lecteur peut mettre concrètement en
pratique la réalisation et/ou l’observation des principales illusions d’optique pour la
vision humaine. Certaines sont franchement spectaculaires.
On ne saurait évidemment reprocher aux auteurs un manque d’originalité dans le
choix des illusions retenues tant un certain nombre d’entre elles sont incontournables
et bien connues (comme le confirmera votre collègue de SVT favori).
Par contre, c’est la forme retenue pour les présenter qui est originale, dynamique,
distrayante et surtout probante. De forme quasi carrée (18 cm × 20 cm), la structure
matérielle de l’album est dans la lignée des livres animés et interactifs pour enfant, avec
des pages qui se tirent, des fenêtres qui s’ouvrent… La réalisation est de qualité tant par
son design, ses coloris dynamiques, la solidité des pages que par le choix des graphismes,
des photos et des explications.
Les explications restent le plus souvent à un niveau de technicité simple (d’aucuns
diraient basique) parfaitement approprié aux enfants comme au « grand public ».
Je trouve que cet album est une réussite ; il sera parfait pour expérimenter en
famille, mais pas que.
Bruno VELAY
Parus ou à paraître
Le Bup n° 971
301
La Physique en applications
150 problèmes corrigés contemporains
Renaud CARPENTIER et Benoît DÉPRET
Éditeur : Ellipses
Parution : 2014
Nombre de pages : 885
Prix : 49 €
ISSN/ISBN : 978.2.340.002111
Public visé : Classe préparatoire Licence
Voilà en neuf cents pages et cent cinquante problèmes corrigés
un beau paquet de physique, particulièrement réjouissant par l’esprit
dans lequel les thèmes sont choisis et traités : on part systématiquement de problèmes concrets de telle sorte que la contextualisation est parfaitement
naturelle et non pas plaquée a posteriori comme c’est trop souvent le cas. Ainsi, au lieu
de partir du traditionnel calcul de champ électrostatique d’un anneau uniformément
chargé et d’en imaginer une contextualisation artificielle, les auteurs font de cet anneau
l’élément clef de la machine électrostatique de Kelvin. Ou encore, lorsqu’à propos du
télescope Herschel on indique la nécessité de réajuster sa trajectoire tous les vingt-trois
jours, le lecteur est amené à faire le lien avec l’instabilité de sa position d’équilibre au
point de Lagrange L2. De nombreux sujets s’appuient sur des documents (extraits de
revues, articles Wikipédia, photographies d’expériences…) allant ainsi, sans excès, mais
de manière convaincante, dans le sens souhaité par les nouveaux programmes.
Le niveau de technicité et le degré d’autonomie requis sont indiqués pour chaque
problème. S’agissant du degré d’autonomie, il m’a paru souvent sous-évalué par rapport
à ce que sont capables de faire mes étudiants actuels. À cet égard, ce livre est une mine
de sujets pour les professeurs, mais il me semble que dans le cadre d’une utilisation
autonome (exercice, devoir…), une réécriture plus progressive de certains sujets sera
sans doute nécessaire pour la plupart des étudiants. Mais on peut aussi imaginer que ces
sujets soient utilisés à l’oral dans le cadre d’un dialogue entre l’étudiant et le professeur.
En conclusion, je recommande vivement ce livre qui explore réellement des voies
nouvelles et donne une image ambitieuse de la physique en CPGE (Classes préparatoires aux grandes écoles).
Stéphane OLIVIER
N’oubliez pas, pour compléter cette rubrique, de consulter le site de l’UdPPC :
http://www.udppc.asso.fr - Rubrique « Lu et testé  Ouvrages »
où vous trouverez des analyses d’ouvrages qui ne sont pas, faute de place, publiées dans
Vol. 109 - Février 2015
Bruno VELAY
Nous avons lu et testé
Union des professeurs de physique et de chimie
Union des professeurs de physique et de chimie
302
ce numéro du Bup. Pour ce mois-ci vous trouverez :
970-4599 : Électrotechnique par Marcel Jufer et Yves Perriard.
970-4596 : Les Glucides par Pierre Krausz, Vincent Sol et Robert Granet.
970-4595 : Le Temps en image par Craig Callender et Ralph Edney
970-4593 : Comprendre la physique par David Cassidy, Gerald Holton
970-4593 : et James Rutherford.
970-4592 : La Miraculeuse efficacité de la théorie quantique par Philippe Miné
970-4592 : et Jean-Pierre Pharabod.
970-4591 : Principes de chimie par Peter William Atkins, Loretta Jones et Leroy Laverman.
970-4590 : Hippolyte Fizeau par James Lequeux.
970-4588 : L’Exploration du système solaire par Peter Bond.
970-4587 : Le Kaléidoscope de la physique par Attilio Rigamonti, Andrei Varlamov
970-4587 : et Jacques Villain.
Pour toute remarque ou renseignement concernant cette rubrique, s’adresser à
Bruno Velay (cf. coordonnées en début d’article).
Bruno VELAY
Professeur agrégé
Département mesures physiques
Institut universitaire de technologie (IUT)
Saint-Nazaire (Loire-Atlantique)
Parus ou à paraître
Le Bup n° 971