Zurich | 11–17 juillet |

Un océan d'étoiles


Par Lionel Philippoz, team leader IPhO 2015 et membre du comité académique IPhO 2016

Voilà déjà quelques jours que nos aventures olympiques sur le sous-continent indien ont pris fin et, peu à peu, nous reprenons nos tâches quotidiennes en terres helvétiques, non sans se remémorer notre séjour à Mumbai.

Comme de coutume, nos capacités de concentration, de résistance et parfois même de diplomatie furent mises à rude épreuve lors de la discussion des examens, de même que lors des sessions de modération permettant aux leaders de défendre les performances de leurs étudiants face aux correcteurs locaux. Fort heureusement, des périodes de repos figuraient au programme officiel, nous laissant le loisir de visiter les environs. C'est ainsi qu'entre deux sessions de préparation, je décidai de profiter de mon après-midi et me mis à longer la côte, rêvassant face à l'océan indien présentant à mon regard ses flots agités.

Cette étendue en mouvement me fit immédiatement penser à des ondes gravitationnelles se propageant dans notre espace-temps. A vos yeux écarquillés, j'imagine que d'aucuns ne sont sans doute que peu familiers du contenu de la relativité générale d'Einstein dont sont issus ces concepts et peuvent tout naturellement se demander ce qu'une image aussi concrète qu'un océan agité peut bien avoir à faire avec d'abstraites représentations de notre univers. Afin de vous permettre de mieux saisir la situation, laissez-moi vous exposer une autre analogie.

Imaginons ainsi une nappe faite d'un tissu élastique. Si rien ne se trouve à sa surface, la nappe demeure plate. Logique. Mais si l'on y dépose à présent une bille, cette dernière va s'enfoncer, créant une dépression dans le tissu; plus la bille est massive, plus importante sera la déformation. Ceci est exactement pareil en relativité générale : la présence d'une masse ou d'énergie (notre bille) courbe et déforme l'espace-temps (notre nappe); la courbure générée sera d'autant plus importante que le corps est massif. Intuitif, n'est-ce pas ? Et pour les ondes gravitationnelles, rien de plus simple : en accélérant la bille (masse), la nappe (espace-temps) va naturellement se mettre à vibrer et des perturbations (ondes gravitationnelles) vont se propager à sa surface.

En réalité, l'amplitude des ondes générées est extrêmement faible, et pour un jour espérer directement les détecter, il faut considérer des systèmes dont les dimensions dépassent le sens commun. Comme par exemple deux étoiles à neutrons tournant l'une autour de l'autre (ce que l'on appelle un système binaire); la densité d'une telle étoile n'a pas d'équivalent dans notre quotidien, imaginez plutôt : pour obtenir une étoile à neutron, il faudrait condenser notre soleil dans une sphère de 10 km de rayon ! Il existe évidemment des systèmes bien plus denses, comme une étoile à neutron et un trou noir, deux trous noirs, voir des sources plus exotiques encore, mais ceci est une autre histoire...

La prochaine fois que vous vous trouverez face à une étendue d'eau, peut-être y verrez-vous alors plus que de simples vagues...

Zurich, le 17 juillet 2015

Tuk-Tuk, klaxons et quintes de toux


Par Marco Gerber, Manager Hospitality and Events IPhO 2016

Récemment, j’ai fait un voyage en Inde, un pays dont je me faisais une représentation quelque peu idéalisée. Divers documentaires et films d’auteur sur l’Inde rurale ou coloniale m’avaient laissé une forte impression, qui s’est bien sûr révélée fausse. J’avais la vision de rues grouillant de monde – et naturellement de vaches –, encombrées de voitures, de motos et surtout de cyclopousses. Or, les rickshaws à propulsion humaine ont été rattrapés par la réalité et presque totalement remplacés par des pousse-pousse à moteur, appelés tuk-tuk. Les vaches sont également moins nombreuses que je le pensais. Soit.

En Inde, les rickshaws motorisés font partie du paysage. Ils sont des milliers à sillonner les rues souvent très engorgées des grandes villes. Du fait de leur petite taille, ils peuvent se faufiler dans les embouteillages et remonter les files de véhicules à l’arrêt, même si cela exige parfois des manœuvres plutôt risquées. Il ne sont pas pilotés avec un volant, mais avec un guidon. Les tuk-tuk doivent leur popularité au fait qu’ils permettent aux clients de se déplacer à un tarif bien plus avantageux qu’avec un taxi ordinaire. En tout cas lorsque les charmants conducteurs – on voit rarement des femmes au guidon – enclenchent le compteur kilométrique. Avec les touristes aux yeux clairs, ils omettent souvent de le faire et appliquent alors des prix «légèrement» majorés qui contribuent à augmenter quelque peu leur marge. Mais on devrait le savoir.

Malgré leur drôle d’apparence, ces engins à trois roues klaxonnent aussi fort que les voitures et les camions. Même si ces coups d’avertisseur intempestifs n’ont pas beaucoup d’effet dans le brouhaha des embouteillages. Les tuk-tuk doivent d’ailleurs leur nom pétaradant au bruit typique de leur moteur diesel à deux temps.

En Inde aussi, ce sont justement ces moteurs et l’absence de catalyseurs qui font que les tuk-tuk tombent progressivement en discrédit pour des raisons écologiques. A Delhi, où la pollution atmosphérique due à la forte concentration de particules fines devient préoccupante, un tribunal a contraint tous les propriétaires de tuk-tuk à passer au gaz naturel. Mumbai pour sa part a déjà complètement interdit ces véhicules bruyants et polluants dans la partie sud de la ville, dont le rôle est particulièrement important pour l’industrie financière et touristique.

C’est bien dommage. Mais qui sait, les ingénieurs et les physiciens de demain développeront peut-être des idées innovantes et des systèmes de propulsion plus écologiques, pour éviter que les tuk-tuk subissent le même destin que les cyclopousses. Avant qu’ils soient finalement rattrapés par la réalité et disparaissent totalement.

Mumbai, le 13 juillet 2015

De la lumière laser, du soleil, des principes extrémaux et des réacteurs nucléaires


Par Daniel Oehry, Leader de la délégation de la Principauté de Liechtenstein

Les IPhO de Mumbai sont à ce jour les cinquièmes olympiades auxquelles j’ai participé en tant que leader du Liechtenstein. Le moment où sont présentées les épreuves théoriques et les expériences est toujours passionnant. D’un côté parce que la manière dont sont présentés les problèmes et dont est menée la discussion en dit long sur les gens, et d’un autre côté bien sûr pour la physique. Maintenant les épreuves sont terminées, et je peux donc donner un aperçu des exercices.

Puisque 2015 a été déclarée année de la lumière, la partie expérimentale traitait de la diffraction de la lumière laser. Dans l’une des expériences, un faisceau laser a été dirigé sur un très petit ressort. A partir du schéma de diffraction qui en résulte, différents paramètres du ressort (épaisseur de fil, angle d’hélice, espacement des fils) ont pu être déterminés de façon très précise. Le plus curieux dans cette expérience est qu’une idée similaire – mais à partir de rayons X et non de lumière laser – a permis à Rosalind Franklin de démontrer la structure en double hélice de l’ADN en 1953.

Les exercices théoriques sont connus pour être moins évocateurs, et leurs calculs requièrent une bonne dose de mathématiques. Je dois pourtant dire que les trois problèmes posés en Inde m’ont beaucoup plu.

Le soleil et sa physique étaient au centre de la première épreuve. Entre autres calculs, il a fallu déterminer la température intérieure et extérieure du soleil. Par ailleurs, une partie du problème abordait la question de savoir «comment» brille le soleil, et comment nous pouvons le savoir, bien que nous nous trouvions à 150 millions de kilomètres.

Le deuxième problème traitait de ce qu’on appelle le «principe extrémal» en physique. Ce principe affirme que de nombreux phénomènes se déroulent de manière à maintenir une certaine valeur la plus petite possible. La lumière par exemple suit toujours le chemin pour lequel le temps dont elle a besoin est le plus court. Ce problème traitait de la physique du XVIIe au XXe siècle, de la mécanique à l’optique, en passant par la mécanique quantique.

L’Inde est un pays qui mise sur l’énergie atomique. C’est pourquoi dans le dernier problème, il s’agissait de concevoir un réacteur nucléaire qui utilise des barres de combustible en dioxyde d’uranium naturel et de l’eau lourde comme modérateur. Il a pu être calculé qu’un tel réacteur a un diamètre d’environ 6 mètres et approximativement 6 mètres de hauteur, et qu’il nécessite près de 100 tonnes de combustible.
J’ai mentionné au début de ce texte que la manière de présenter les problèmes en dit long sur les gens. A cet égard, les physiciens indiens m’ont vraiment convaincu. Au cours des discussions, ils ont montré être toujours prêts à accepter les critiques et à chercher la meilleure solution possible, et on pouvait noter que la préparation des problèmes avait été faite avec un grand engagement et beaucoup de compétence.

Mumbai, le 10 juillet 2015

La mousson ou le bienveillant Indra


Par Andrea Schneider, directrice des IPhO 2016

«Juillet est le mois fort de la saison de la mousson dans la région de Mumbai. Prenez sans faute des chaussures et une veste imperméables, nous vous fournirons un parapluie», nous ont indiqué les organisateurs des IPhO 2015.

La mousson est à son paroxysme, et le terme y trouve son origine, dans la région de l’océan Indien. Dû à l’humidité ambiante élevée qu’elle entraîne, la mousson a une forte influence sur l’environnement naturel et revêt une grande importance économique, culturelle et historique.

Durant la saison de la mousson, on rencontre logiquement peu de touristes en Inde. Des initiatives telles que «Romancing the Monsoon» essaient d’en faire ressortir les avantages pour la saison touristique, «Voyagez vers la destination parfaite pour savourer la magie de la pluie» précise le titre d’un journal et encore «Les moussons en Inde sont une rhapsodie de bonheur, de beauté et de soulagement après le soleil torride de l’été». On recommande entre autres des régions telles que Goa, le Kerala ou encore le Maharashtra, où se trouve Mumbai.

Nous étions donc préparés pour le pire, pour des pluies diluviennes qui durent des jours entiers, les rues inondées, et les cordes à linge improvisées pour mettre à sécher les habits trempés dans la salle de bain.

Il en fut autrement. Pendant les neuf jours de la conférence, les participants ont à peine subi de brèves averses, aucune n’a duré plus de quelques minutes. Se pourrait-il que les organisateurs aient trouvé en Indra un allié ?

Indra est une divinité védique indienne primitive qui constituait, avec le dieu du feu Agni et le dieu du vent Vayu, la triade divine védique – que l’on peut comparer grosso modo avec les trois principales divinités de l’hindouisme contemporain, Brahma le créateur, Vishnou le conservateur et Shiva le régénérateur.

Dans la religion védique, Indra est considéré comme le principal dieu de la guerre, le dieu des tempêtes et de la pluie, de la fertilité et de la création. C’est le dieu les plus souvent invoqué et louangé dans les Védas. L’arme du roi des dieux est la foudre. Indra a élu domicile dans un palais au sommet du mont Meru, et règne sur le paradis des guerriers dans les nuages, similaire au Valhalla germanique. Les parents d’Indra sont le ciel et la terre, qu’Indra a séparé l’un de l’autre pour toujours juste après sa naissance.

Et je tiens à remercier au nom des organisateurs et de tous les participants la bienveillance d’Indra. Nous avons pu vivre des moments inoubliables dans la ville que certains appellent Maximum City, et étant donné que nous n’avons pas eu besoin de parapluie, nous avons eu les mains libres pour faire quelques photos.

Voulez-vous savoir si c’est une bonne idée de courir sous la pluie afin de moins se mouiller? Minute Physics vous en apprendra davantage.
Minute Physics - is it better to walk or to run in the rain?

Mumbai, le 13 juillet 2015

(Image : Andreas Schilling)

Le plus bel habit du physicien


Par Andreas Schiling, président du comité académique des IPhO 2016

C’est la première fois que je participe aux olympiades de physique, même si ce n’est que dans la confortable position d’observateur.

Les participants sont tous de futurs étudiants, beaucoup d’entre eux seront probablement un jour doctorants ou professeur de physique. La majeure partie des leaders et des observateurs sont également physiciens.

En tant que professeur, j’assiste régulièrement à de grandes conférences avec des chercheurs en physique et j’ai été surpris (ou en fait non) de voir que les IPhO ont beaucoup en commun avec ces conférences.

Elles ont généralement lieu dans des hôtels ou des centres de congrès de très haut niveau, axés sur un public international, qui se trouvent fréquemment à un bon nombre d’heures de vol de Zurich.

Le signe distinctif d’une conférence de physique (et d’après ce que je vois, pour les IPhO également) est l’attitude des physiciens face aux vêtements. Plus le lieu de séjour est luxueux (et les hôtels exclusifs de Mumbai le sont), plus la différence est flagrante entre les physiciens qui participent à la conférence et les autres visiteurs que l’on croise habituellement dans ces grands hôtels et salles de congrès.

On reconnaît immédiatement le physicien à ses sandales, ses baskets ou ses chaussures de marche, et à ses vêtements hétéroclites qui ont pour unique objectif de couvrir le corps et de réguler de manière acceptable la température cutanée.

Des contrastes saisissants surgissent ainsi par rapport aux autres invités qui séjournent dans de tels endroits pour des raisons professionnelles ou par plaisir. Car pour ces derniers, les vêtements ont vocation de donner une apparence d’élégance et de soin, d’être à la mode ou de symboliser un style de vie raffiné ou le succès professionnel.

Ces critères n’apparaissent dans aucune formule physique et sont donc complètement étrangers à la plupart des physiciens. La rencontre de ces deux cultures peut être amusante; d’un côté, permettez-moi l’expression, un look de hippie, et de l’autre une élégance raffinée.

Bref, les IPhO m’ont confirmé qu’effectivement ces jeunes talents sont en bonne voie de devenir de «vrais physiciens» et de maintenir la tradition de notre philosophie vestimentaire.

Mumbai, le 11 juillet 2015

Ode à l’air conditionné


Par Simon Birrer, Co-Chairman IPhO 2016

Les statuts des IPhO prévoient que les épreuves théoriques et expérimentales préparées doivent être approuvés par ce qu’on appelle le Conseil international. Celui-ci est constitué de 180 leaders de 90 pays réunis dans une salle pour écouter les présentations et explications sur les épreuves préparées et en confirmer la pertinence ou poser les éventuelles questions et avancer des suggestions d’améliorations pour en discuter dans l'assemblée. Une fois approuvées, les épreuves sont traduites dans les 50 langues nationales des participants. Cette phase d’approbation et de traduction des épreuves est d’une grande importance et représente la base de l’énoncé des problèmes pour les élèves participants.

Afin d’éviter toute erreur lors de l’évaluation et de la traduction des épreuves, la régulation de la température de la salle de congrès est essentielle, d’autant plus qu’on sait qu’à une température de plus de 25°C, la performance et la faculté de concentration diminuent rapidement.

Faisons donc les calculs: au total, plus de 200 leaders et observateurs s’asseyent dans la même salle. Chaque personne produit à peu près 200 watts en termes de puissance. La pensée et les fonctions cérébrales en représentent une part considérable. Cela signifie que la puissance calorifique totale de toutes les personnes présentes s’élève à environ 40 000 watts. Un système de climatisation aurait donc besoin d’avoir au moins cette puissance pour maintenir constante la température.

Si la climatisation venait à tomber en panne, à quelle vitesse s’échaufferait la salle?

Pour le savoir, nous avons besoin des dimensions de la salle. Celle-ci est relativement grande (env. 50 x 30 mètres) et possède un plafond élevé (env. 5 mètres). La masse de l’air est d’environ 1 kg/m3^, ce qui correspond à approximativement 100 000 kg de masse d’air dans cette salle. La chaleur spécifique de l’air, c.-à-d. la quantité d’énergie nécessaire pour élever 1 kg de masse d’air de 1°C, est d’environ 1000 joules.

La température de la salle s’élèverait donc de un degré Celsius en quelques minutes seulement par la seule présence des participants. Et donc, sans refroidissement de l’air, le travail deviendrait impossible en l’espace d’une heure seulement.

Heureusement que nous pouvons compter sur une climatisation fiable et efficace, même si les leaders situés le plus à l’avant se plaignent d'une température trop fraîche, et ceux situés à l’arrière qu’il fait trop chaud.

Ouvrir les fenêtres ne serait d’ailleurs d’aucun secours pour refroidir la pièce – la température extérieure durant la saison de la mousson ici à Mumbai est actuellement de près de 30° de jour comme de nuit, avec une humidité ambiante élevée.

Mumbai, le 7 juillet 2015

Avec enthousiasme de la Burj Khalifa de Dubaï aux IPhO de Mumbai


Par Thomas Uehlinger, Head of Academic Committee IPhO 2016

Ça y est, je suis en route pour les Olympiades Internationales de Physique, qui se tiennent cette année à Mumbai. Pour nous, membres du comité d’organisation et du comité académique des Olympiades prévues l’année prochaine à Zurich, c’est la dernière opportunité de recueillir des impressions précieuses sur la façon dont d’autres pays les organisent.

Avant d’arriver à Mumbai, j’ai passé deux jours à Dubaï, ville de contrastes avec, d’un côté, ses souks au détour d’étroites ruelles qui rappellent la tradition séculaire du négoce et, de l’autre, son monde de la finance, du shopping et du divertissement jailli en un rien de temps du désert.

Le physicien que je suis a été particulièrement fasciné par le gratte-ciel de la Burj Khalifa. Avec ses 828 mètres, c’est le plus haut édifice au monde jamais construit par l’Homme. Outre sa taille, son poids à vide de 500 000 tonnes est également impressionnant.

La force imposée aux fondations consistant en une plaque en béton armé de 3,7 mètres d’épaisseur, ancrée au sol à l’aide de 192 piliers enfoncés à une profondeur de plus de 50 mètres, est à peine croyable. Toutefois, ne croyez pas que ce soient les forces de gravitation qui ont constitué le principal défi pour les concepteurs de ce bâtiment. Ces derniers ont en effet eu beaucoup plus de difficultés à gérer les forces du vent, qui évoluent de manière dynamique et sont susceptibles de faire osciller la construction: en cas de vent fort, les étages les plus élevés de la tour oscillent d’un côté à l’autre avec une amplitude allant jusqu’à deux mètres. Si la cadence d’une telle oscillation atteint ce qu’on appelle la fréquence de résonance de la structure, il peut en résulter un basculement dangereux, c’est-à-dire une catastrophe liée à un effet de résonance. C’est ce même effet qui a provoqué l’écroulement du pont suspendu de Tacoma aux Etats-Unis en 1940.

Quelle est la stratégie que les constructeurs ont adoptée pour y pallier? Dans le cas de la Burj Khalifa, ils ont opté pour une construction irrégulière comme on peut le voir clairement sur la photo. En premier lieu, cela permet d’éviter que le bâtiment n’ait qu’une seule fréquence de résonance et de faire en sorte qu’il présente au contraire un spectre d’excitation plus large. Le risque d’une oscillation dangereuse est donc considérablement réduit. La construction irrégulière diminue également la sensibilité aux oscillations, dans la mesure où elle réduit les tourbillons d’air régulièrement générés.

Dans le cas de Taipei 101, le deuxième gratte-ciel le plus haut du monde, on a eu recours à une autre stratégie en installant un amortisseur harmonique sous forme d’une boule d’acier de 730 tonnes, suspendue à l’intérieur du bâtiment entre les 92e et 88e étages. Celle-ci fait fonction de pendule qui amortit les oscillations et réduit ainsi le mouvement du bâtiment d&rsquo