Misères de l’enseignement des sciences physiques (notes)

Parfois dans le but de simplifier leur apprentissage, certaines notions physiques sont mal ou pas du tout enseignées. Chez le « grand public », des notions de bases sont connues, mais mal comprises.

→ Note de lecture des contributions d’Etienne Klein, qui tend à rétablir le vrai dans les connaissances des sciences physiques ; et autres problèmes repérés çà et là.

« Si on ne sait pas comment on sait les choses, ce ne sont pas des connaissances, mais des croyances. »

Généralités :

« La nature a horreur du vide »

Vieille phrase (XVIIe siècle) pour expliquer faussement toute sorte de phénomène, e.g. :
(1) la nature imposerait à la bouteille en verre de se briser quand l’eau qu’elle contient se change en glace, pour éviter que le vide ne perdure (un solide étant plus dense qu’un liquide). En fait, la glace eau est moins dense, donc a besoin de plus de volume.
(2) Lorsqu’on crée du vide dans une paille en aspirant, l’eau dans le verre viendrait tout de suite combler ce vide. Ça n’explique pas pourquoi il y a une hauteur limite d’aspiration (~10m) ! En fait c’est la différence de pression qui fait monter l’eau, et 10 m correspond à la hauteur max au-delà de laquelle la pression atmosphérique ne bat plus la gravité.

« Produire, consommer de l’énergie », « énergies renouvelables » etc.

On devrait dire : les énergies de sources renouvelables. Aussi on ne peut ni produire ni consommer de l’énergie, mais : changer sa forme (mécanique, électrique, chimique …), ou la transférer d’un système à un autre (ex : énergie cinétique de l’eau vers ‘roue qui tourne’).
Une femme physicienne, Emmy Noether, a d’ailleurs démontré que la conservation de l’énergie est équivalente à l’invariance des lois physiques par translation du temps : les lois physiques sont les mêmes qu’hier, qu’au début de l’univers, et seront les mêmes demain. Sans cette loi, c’est un peu compliqué de faire de la physique !
Enfin, on dégrade l’énergie qu’on utilise, en augmentant son entropie, càd en diminuant sa capacité à se transformer spontanément et à fournir un travail (en fait c’est obligatoire dans chaque transformation, d’où l’impression que l’on “consomme” l’énergie).

La Terre est ronde : « car Galilée l’a montré », « quand on a vu le mât des bateaux disparaître, etc. »

Magellan, antérieur à Galilée, ne part faire son tour du monde sur un disque !
→ on le sait depuis presque toujours : l’ombre due au Soleil varie entre 2 points à différentes latitudes (pas le cas si la Terre est plate), et de nouvelles constellations sont visibles lorsqu’on part loin au Sud. Il est clair que les Grecs le savait (Eratosthène a même mesuré le diamètre terrestre avec des gnomons).
Quant à Galilée, sa controverse concernait l’héliocentrisme.

Dynamique des corps :

« On ne peut connaître le réel que par l’expérience », variante : « que par des data »

→ faux, Galilée ou Einstein n’ont fait que des expériences de pensée, et ont trouvé les bonnes équations (ils n’avaient pas les moyens, ni les appareils, ni le savoir-faire et les connaissances de leur vivant pour en faire proprement). Pire encore, s’ils avaient minutieusement confronté leurs théories au réel, ils auraient sûrement trouvé qu’elles étaient fausses ! En effet, dans la vie réelle il est impossible de n’être soumis à aucune force, et les corps ne tombent donc pas tous à la même vitesse (ce qui contredit Galilée). Le principe d’équivalence d’Einstein (la gravité est indiscernable de l’accélération) n’est pas testable en pratique de façon absolue, ni la relativité d’ailleurs (du moins en 1905).
→ la physique est contre l’intuition, et parfois même contre les expériences simplistes, ou le « bon sens ». La physique c’est « penser contre son cerveau », donc le fameux « sens physique » censé aider à résoudre les problèmes est une notion discutable !

Cosmologie :

« La Terre tourne autour du Soleil »

C’est une bonne 1ère approximation, mais présuppose que le Soleil est au centre. Hors, l’univers n’a pas de centre, et aucun référentiel n’est “au-dessus” des autres (relativité). En plus, le Soleil et la Terre tournent en fait autour de leur barycentre commun (c’est d’autant plus marqué pour les planètes massives comme Jupiter).

« La 1ère loi de Newton n’est qu’un cas particulier de la 2e loi de Newton (dynamique) où le terme de droite de l’équation est nul »

Non ! Ce principe d’inertie, aussi appelé « relativité de Galilée », est en fait le principe premier : « le mouvement n’est comme rien » [Galilée]. Tous les corps céleste se déplacent effectivement en ligne droite à vitesse constante, car ils ne sont en effet soumis à AUCUNE force (Einstein) ! La gravité n’est donc pas quelque chose qui agit sur ces dits corps, mais, inversement, c’est eux-mêmes qui déforment l’espace-temps par leur masse, de sorte qu’ils suivent une ligne droite en espace courbé, donc une « géodésique », càd une orbite. Autrement dit, Einstein montre que la 2e loi de Newton ne s’applique pas à la gravité, mais que la 1ère loi est le principe fondamental expliquant cette interaction. Aussi, la gravitation n’est PAS une force (qui agissait instantanément soit-dit-en-passant, alors qu’une force repose toujours sur des médiateurs (bosons) se déplaçant à vitesse finie).

« La Relativité Générale a résolu à elle-seule le périhélie de Mercure »

Non, il a fallu à la base corriger les prédictions des lois de Newton en tenant en compte des interactions des autres planètes sur Mercure. La différence résultante de 43" d’arc/siècle était alors minime. C’est ce rien-du-tout qui nécessite la relativité générale pour être expliqué !

« Le Big Bang est le commencement de l’Univers »

ou pire : “une explosion”.
Déjà, « Big Bang » est un mot lâché à un journaliste pour vulgariser le concept : on pensait avant ~1950 que puisque l’univers est en expansion, il était initialement condensé en un point (la singularité), qui serait donc l’origine de cet univers. Seulement, après les années 50, on a compris que c’était plus compliqué : cette « singularité » du Big Bang ne marche qu’en considérant uniquement la gravitation d’Einstein, et doit donc être vu comme une 1ère étape de calcul. La physique quantique doit en effet aussi être inclue lorsque les particules sont très condensées (t ~ 0), proche de cette singularité (la gravitation ne joue alors plus le rôle le plus important). Pour l’instant, on ne sait pas faire de « gravité quantique ». Pire encore, au-delà du « mur de Planck » (encore plus proche de t=0, lorsque physique quantique et gravitation ne sont plus valides), on ne sait pas grand-chose. Certaines théories (théorie des cordes, ou autres) montrent que le « Big Bang » serait plutôt une transition de phase : ce n’est donc pas du tout l’origine, mais une étape entre deux âges de l’univers ! Vouloir y voir une origine est un vestige de croyances religieuses.

Ce n’est pas non plus une “explosion”, car les objets (galaxies etc.) sont en fait immobiles, c’est l’espace lui-même qui se dilate (les distances entre objets augmentent).

« Tout le monde s’intéresse à l’origine de l’univers »

Faux, pour les chinois par exemple il n’est pas question d’origine, mais de processus.

« L’expérience de l’interféromètre de Michelson-Morley montra que l’éther luminifère n’existe pas »

En fait l’existence d’un éther luminifère immobile était déjà contradictoire avec l’ancien principe de Galilée de relativité des référentiels : on est toujours en mouvement par rapport à quelque chose ! L’expérience de Michelson-Morley a montré que la Terre ne pouvait être en mouvement par rapport à cet « éther immobile », mais il a bien fallu Einstein pour admettre que la lumière pouvait se propager dans le vide. Les travaux de Poincaré et Lorentz montrent bien la dilation des temps et la contraction des distances, mais on ne sait pas d’où viennent physiquement ces équations : ils essayent seulement de faire concorder les équations de Maxwell et de Newton, et de “sauver l’éther”. Einstein résout ceci : la vitesse de la lumière (c) est absolue, donc elle ne change pas même lorsque l’objet qui l’émet est en mouvement. Elle n’a donc pas besoin de support pour se propager : l’éther luminifère est enterré.

« Tout est relatif » [en faisant allusion à la Relativité restreinte de 1905].

Einstein lui-même déplorait le mot « relativité », car trompeur. Cette confusion a permis à des philosophes post-modernes de plonger dans un relativisme extrême, en répétant sans cesse « tout est relatif » (et en amenant l’ère de la “post-vérité”).
Pourtant, la relativité restreinte est une théorie ABSOLUE de l’espace-temps ! Elle stipule ce qui ne change pas (la célérité de la lumière dans le vide). Cette théorie s’applique d’ailleurs à toutes les interactions fondamentales de la physique. Elle a été alliée à la physique quantique par Dirac et Majorana.
Elle est donc plus « générale » que la relativité dite “générale”, qui est en fait une théorie restreinte à la gravité (et a nécessité 10 ans de plus pour être élaborée (1916), via des calculs tensoriels) !
On pourrait donc interchanger « restreinte » et « générale », et on devrait peut-être ne plus parler de « relativité ».

« Le temps s’écoule plus lentement si on est en mouvement »

Cela suppose qu’il y aurait une “vitesse d’écoulement” du temps, or une vitesse est une dérivée par rapport au temps, donc le temps dépendrait … du temps ?!
En fait, la relativité “restreinte” stipule juste qu’il n’y a pas de référentiel absolu, et que chaque particule a son temps propre. Les temps de chacun peuvent alors se désynchroniser entre eux.

Physique quantique :

« La catastrophe ultraviolette est à l’origine de la physique quantique »

Plus ou moins, car le calcul de Planck dans lequel il écrit E=hν est surtout une astuce mathématique (dont il doute lui-même) pour expliquer le rayonnement du corps noir.
C’est surtout Einstein qui comprend que ce n’est pas juste une abstraction mathématique, mais un principe physique : les échanges d’énergie sont quantifiés ! Mais il va encore plus loin et stipule que la lumière elle-même est quantifiée, par des quanta que l’on nomme « photon ». La physique quantique était née.

« Einstein était contre la physique quantique »

Voir point d’avant : non pas du tout, il a même été son plus grand contributeur ! Mais comme tous les grands noms de cette révolution (Planck, Bohr, etc.), il a fortement douté en 1er lieu (autour de 1905) de sa véracité physique, car ça rompait avec la “beauté” des équations de physique classique, et leur déterminisme. Il s’est par la suite en effet opposé à N. Bohr (en 1935), mais uniquement sur l’interprétation de cette physique quantique (dite “de Copenhague”) — et non pas sur le fait qu’elle soit vraie — en supposant qu’il devait y avoir des variables cachées locales pour expliquer l’indétermination des particules (voir Heisenberg, plus bas). L’expérience d’A. Aspect à Supoptique (~1980) a finalement montré qu’il n’y avait pas de variables cachées locales (mais ne stipule rien sur des variables globales), renforçant le point de vue de N. Bohr.

« Einstein a découvert l’effet photo-électrique (son prix Nobel) »

Cet effet marche bien avec la physique classique de Maxwell, il a seulement expliqué l’effet de seuil du phénomène (il faut que la fréquence de la lumière utilisée soit suffisamment haute pour que l’effet se produise), ce que ne prédisent pas les équations de Maxwell

« On ne peut mesurer avec une précision arbitraire la position et la vitesse d’une particule » (Principe d’ « incertitude » de Heisenberg)

→ très faux ! C’est un contresens. Les particules quantiques ne sont JAMAIS déterminables par une position ou une vitesse, car elles ne sont PAS des corpuscules au sens classique. Ce n’est donc pas une incertitude de mesure, mais une indétermination propre à tout le “monde quantique”. Heisenberg avait d’ailleurs lui-même corrigé le mot « incertitude » par « indétermination », réalisant la possibilité de confusion.

Dans le même genre, la « dualité onde/corpuscule » est impropre depuis longtemps : une particule quantique (photons, électrons, etc.) n’est NI une onde NI un corpuscule !

« On peut téléporter quantiquement »
« On peut transmettre l’information instantanément avec l’intrication »
« Le chat de Schrödinger est mort et vivant à la fois »
« On peut franchir une barrière de potentiel par effet tunnel »

Non, car un objet est quantique si son “action” (énergie×temps ou impulsion×longueur) n’est pas trop grande devant la constante de Planck h, ce qui n’est pas vérifié avec les objets de physique classique (un chat, etc.). Même avec des particules quantiques, il y a un effet de décohérence lorsqu’elles interagissent avec leur environnement (d’autres particules par exemple) : elles perdent alors leur caractère “quantique”. Ainsi un objet macroscopique (composé de trop de particules) n’aura jamais de propriétés quantiques.
→ On ne peut téléporter quantiquement, ni avoir un chat mort et vivant, ni franchir une barrière par effet tunnel !
Concernant l’intrication, mesurer un état ‘+’ de la particule A (intriquée avec B) signifie en effet que B est dans l’état ‘-‘. Mais aucune information n’a été transmise : la mesure de ‘+’ pour A est aléatoire (on aurait pu mesurer ‘-‘ avec la même probabilité), donc un observateur possédant la particule B et mesurant ‘-‘ sait que A est ‘+’, mais que cela est dû au hasard (A ne peut être forcée à être ‘+’).
→ l’information ne se transmet PAS instantanément, il n’y a en fait aucun transfert

« L’interaction (force) entre deux particules dépend de la distance qui les sépare, mais est instantanée (indépendance au temps) »

→ les particules de matière sont des fermions, ils intéragissent donc à l’aide de bosons. Par exemple, deux électrons se repoussent (par leur charge négative) car ils échangent des photons virtuels : leur interaction s’exerce donc à la vitesse de la lumière (vitesse de propagation de ces photons), et n’est pas rigoureusement instantanée. Si on plonge deux électrons dans un milieu et qu’on les sépare de d, ils se repousseront après un temps de d/c.

« L’électricité se propage instantanément » (variante : à la vitesse de la lumière)

→ les électrons se déplacent à seulement quelques cm/h, ce qui permet de créer un champ magnétique, qui lui-même permet à une onde EM de se déplacer à ~80% de la vitesse de la lumière (le milieu de propagation n’est pas le vide !) : l’énergie transportée par l’onde se déplace bien à une vitesse proche de c (et pas forcément dans les câbles électriques d’ailleurs, il faut plutôt voir la source d’énergie comme une antenne), mais pas les électrons (dont le mouvement est supposé définir l’électricité). En physique on peut accélérer des électrons proches de c, mais l’énergie qui faut leur fournir est extrêmement élevée, plusieurs MeV…

« Rutherford démontre que les atomes sont constitués de vide lorsqu’il fait traverser des particules α à travers une feuille d’or »

© Kurzon

→ Faux ! Il est au contraire étonné que des particules très énergétiques REBONDISSENT un peu sur la feuille d’or, et soient distribuées sur de grands angles, et non pas qu’elles traversent en grand nombre ! Le modèle supposé de l’atome était alors celui du « pudding » dans lequel les électrons étaient maintenus ensemble, sans noyau : toutes les particules α auraient dû donc passer à travers ces puddings (voir ci-dessus) ! Mais les noyaux en font rebondir certaines !
→ Ça confirme quand-même que les atomes sont constitués de vide, mais l’explication est faite à l’envers dans les manuels scolaires

« Einstein est responsable de la bombe atomique avec E=mc2 »

E=mc2 est publié en 1905, donc si cela permettait de fabriquer des bombes atomiques, les industriels auraient eu 10 ans pour les fabriquer pour qu’elles soient prêtes pour la 1ère guerre mondiale … La formule ne donne aucun moyen d’extraire l’énergie pour en faire une bombe : elle est nécessaire mais pas suffisante.
En fait, la bombe A fonctionne par le principe de fission nucléaire : quand on envoie un neutron sur un atome lourd (d’uranium en l’occurrence), il se coupe en deux. C’est ce que Fermi a découvert par hasard en bombardant de l’uranium avec des neutrons. Par contre il avait pensé avoir fabriqué l’élément 93 (avec un proton de plus que l’uranium, qui proviendrait du neutron bombardé, transformé par radioactivité β), car il n’a pas analysé les sous-produits de la réaction, pensant impossible de casser un si gros noyau « juste avec un neutron ». C’est l’allemande Ida Tacke-Noddack (découvreuse de l’uranium) qui postula la 1ère qu’une fission avait dû avoir lieu.
D’ailleurs heureusement que Fermi n’a pas découvert la fission en 1938, sinon la 2nde guerre mondiale aurait été légèrement différente !

« Le Boson de Higgs a été découvert avec une probabilité de 99.9999 % »

Non, ce n’est que la p-value associé à la mesure (0,000001), donc il y avait 99.99999% de chance que la particule découverte ne soit pas un faux positif. La vraisemblance des données (proba de mesure de la particule) n’est pas la crédence de la théorie (“le Boson de Higgs existe”).

• Bonus : Majorana avait montré dans un article qu’on ne devrait pas enseigner la physique quantique avec une approche purement historique (pour éviter de s’attarder sur des concepts obsolètes), mais pas non plus avec une approche purement conceptuelle (on ne distingue pas alors l’origine des choses). Il faudrait selon lui allier les deux.

Répandu dans le grand public (au-delà de la physique):

« On n’arrive déjà pas à prédire la météo dans 3 jours, alors le climat dans un siècle … »

Je peux affirmer qu’en France il fera plus chaud en juillet qu’en février dernier : c’est une précision climatique, et valide ! Ne pas confondre tendances générales, réparties sur toute la planète, et mesures locales et précises.

« L’Homme descend du singe »

non, l’Homme et le singe ont un ancêtre commun.

« L’Evolution n’est qu’une théorie parmi tant d’autres »

non, c’est celle qui fait un consensus total en biologie, donc c’est une affirmation (en langage plus courant). Tous les principes scientifiques sont d’ailleurs considérés comme valables jusqu’à preuve du contraire.

« La Science, c’est l’incertitude, la remise en question, le doute. »

Pas vraiment, il ne faut pas confondre science en progression (la Recherche, où on est amené à remettre beaucoup en question, à douter constament) et science établie (supportée par des décenies de corpus théorique, de vérifications expérimentales). La Science c’est aussi beaucoup la certitude d’avoir décrit correctement le monde, au vu des inombrables preuves dont elle dispose :

Petit guide contre certaines idées reçues en Science : https://www.sne.fr/app/uploads/2018/10/25-vraies-fausses-id%C3%A9es-en-sciences.pdf

D’une manière générale :

Arrêtons de continuer à penser la physique telle qu’elle se faisait au XIXe siècle. Les exemples précédents ont montré en quoi la physique quantique avait bouleversé la façon dont on considère la lumière, les atomes ou le Big Bang, et la Relativité Générale la façon dont on pense la gravitation.

Il faut en plus garder en tête les ajouts de la thermodynamique, et particulièrement le 2e principe concernant l’entropie mis en lumière par Clausius, Boltzmann, Shannon ou encore Schrödinger. Ce principe est en effet un véritable changement de paradigme : alors que les sciences mécaniques montraient une évolution prévisible, calculable, déterminée, l’entropie nous force à admettre de l’incertain dans l’évolution des processus réels. C’est particulièrement important à avoir en tête lorsqu’on considère les sciences économiques, qui seraient restées au stade de l’explication mécanique du monde d’après des auteurs comme Georgescu-Roegen [1].

[1] N. Georgescu-Roegen, Demain la Décroissance, Entropie, écologie, économie (1979)