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Module « Physique & Cinéma » Leçon 5 Y - at - il un physicien pour expliquer le film « intersteLlar » ?

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Module « Physique & Cinéma »

Leçon 5

Y-at-il un

physicien

pour

expliquer

le film

« intersteLlar » ?

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Introduction

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Physique pour Tous ! Diapo

Introduction

3

Particularité du film Interstellar (2014) :

Spécialiste de la gravitation dans le cadre de la relativité générale,

Prix Nobel en 2017

Auteur et réalisateur anglais, oscarisé à multiples reprises

Collaboration Kip Thorne & Christopher Nolan

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Introduction

4

Autres exemples de bonne collaboration scientifique – réalisateur :

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Introduction

5

Autres exemples de bonne collaboration scientifique – réalisateur :

Carl Sagan Robert Zemeckis Contact (1997)

=+

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Introduction

6

Autres exemples de bonne collaboration scientifique – réalisateur :

Carl Sagan Robert Zemeckis Contact (1997)

Brian Greene Tony Scott Déjà-vu (2007)

=

=+

+

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Physique pour Tous ! Diapo 7

Introduction

Qui a déjà vu le film Interstellar ?

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Physique pour Tous ! Diapo 8

Introduction

Qui a déjà vu le film Interstellar ?

• Pas besoin de voir le film : on fera les rappels nécessaires.

• On ne dévoilera pas tous les ressorts du film.

• On ne traitera que les aspects du film relevant de la physique :

• Les théories physiques de Kip Thorne

• Les romances et la métaphysique de Christopher Nolan

• Les points évoqués se basent sur l’interprétation personnelle de Thierry & Éric sur le film

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Introduction

9

Plan de la leçon du soir

1. Le contexte du film: entre science et science-fiction

2. Le voyage interstellaire

3. Les trous noirs

4. Physique spéculative : les trous de ver

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1. Le contexte du film

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1. Le contexte du film

11

Interstellar (2014)« Bande annonce »

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1. Le contexte du film

12

Les challenges que doit relever l’humanité pour continuer à vivre sur Terre

• Le trou de la couche d’ozone

• Le réchauffement (changement) climatique• Dérèglement du climat• Hausse du niveau de la mer

• Surpopulation • Problème d’eau• Problème de nourriture

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1. Le contexte du film

13

Les challenges que doit relever l’humanité pour continuer à vivre sur Terre

• Le trou de la couche d’ozone

• Le réchauffement (changement) climatique• Dérèglement du climat• Hausse du niveau de la mer

• Surpopulation • Problème d’eau• Problème de nourriture

• Catastrophe naturelle : épidémie des plantes (Mildiou ou blight en anglais)

Crise alimentaire

Tempêtes de sable

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1. Le contexte du film

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Avis de Stephen Hawking

Difficile d'éviter une catastrophe sur la planète Terre dans les siècles

futurs.

L’avenir de l’homme est dans l’espace.

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1. Le contexte du film

15

Problème 1 : Comment mettre le « reste » de l’humanité dans l’espace ?• Dans le film, la NASA a déjà construit le vaisseau.

2 problèmes sur la colonisation de l’espace soulevés par le film

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1. Le contexte du film

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2 problèmes sur la colonisation de l’espace soulevés par le film

Problème 1 : Comment mettre le « reste » de ’humanité dans l’espace ?• Dans le film, la NASA a déjà construit le vaisseau.

Comment envoyer le vaisseau dans l’espace ?

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1. Le contexte du film

17

2 problèmes sur la colonisation de l’espace soulevés par le film

Problème 1 : Comment mettre le « reste » de ’humanité dans l’espace ?• Dans le film, la NASA a déjà construit le vaisseau.

𝑉𝑙𝑖𝑏é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 =2 × 𝐺 ×𝑀𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒

𝑅𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒

= 11 200 𝑚/𝑠 = 40 320 𝑘𝑚/ℎ

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1. Le contexte du film

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2 problèmes sur la colonisation de l’espace soulevés par le film

Problème 1 : Comment mettre le « reste » de ’humanité dans l’espace ?• Dans le film, la NASA a déjà construit le vaisseau.

𝑉𝑙𝑖𝑏é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 =2 × 𝐺 ×𝑀𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒

𝑅𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒

= 11 200 𝑚/𝑠 = 40 320 𝑘𝑚/ℎ

Grande vitesse → Grande énergie nécessaire

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1. Le contexte du film

19

2 problèmes sur la colonisation de l’espace soulevés par le film

Problème 2 : Sur quelle planète vivre ?

• Une planète du système solaire ? Invivable → alternative proposée par la science-fiction : terraformer

• Une planète avec des conditions de vie similaires à la Terre : une exoplanète

Solution retenue par le film

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1. Le contexte du film

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Trouver une planète viable dans un système de planètes

en orbite autour d’un trou noir

Trouver un moyen de faire quitter le vaisseau géant

Trou de ver = raccourci

Le plan A

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2. Le voyage interstellaire

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2. Le voyage interstellaire

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Quels sont les problèmes que doit résoudre l’humanité pour voyager

vers une exoplanète ?

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2. Le voyage interstellaire

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La durée du voyage

Vitesse de libération : 𝑉𝑙𝑖𝑏é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 40 320 𝑘𝑚/ℎ

Voyage Distance (moyenne) Durée

Terre – Lune 384 400 km 10h ( Apollo 11 = 4 jours )

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2. Le voyage interstellaire

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La durée du voyage

Vitesse de libération : 𝑉𝑙𝑖𝑏é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 40 320 𝑘𝑚/ℎ

Voyage Distance (moyenne) Durée

Terre – Lune 384 400 km 10h ( Apollo 11 = 4 jours )

Terre – Soleil150 millions de km =1 unité astronomique (UA)

5 mois

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2. Le voyage interstellaire

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La durée du voyage

Vitesse de libération : 𝑉𝑙𝑖𝑏é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 40 320 𝑘𝑚/ℎ

Voyage Distance (moyenne) Durée

Terre – Lune 384 400 km 10h ( Apollo 11 = 4 jours )

Terre – Soleil150 millions de km =1 unité astronomique (UA)

5 mois

Terre – Mars 0,5 UA 3 mois

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2. Le voyage interstellaire

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La durée du voyage

Vitesse de libération : 𝑉𝑙𝑖𝑏é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 40 320 𝑘𝑚/ℎ

Voyage Distance (moyenne) Durée

Terre – Lune 384 400 km 10h ( Apollo 11 = 4 jours )

Terre – Soleil150 millions de km =1 unité astronomique (UA)

5 mois

Terre – Mars 0,5 UA 3 mois

Terre – Saturne 9 UA 4 ans (2 ans dans le film)

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2. Le voyage interstellaire

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La durée du voyage

Vitesse de libération : 𝑉𝑙𝑖𝑏é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 40 320 𝑘𝑚/ℎ

Voyage Distance (moyenne) Durée

Terre – Lune 384 400 km 10h ( Apollo 11 = 4 jours )

Terre – Soleil150 millions de km =1 unité astronomique (UA)

5 mois

Terre – Mars 0,5 UA 3 mois

Terre – Saturne 9 UA 4 ans (2 ans dans le film)

Terre – Proxima b 268 142 UA 11 073 ans

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2. Le voyage interstellaire

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Proxima bVue artistique de Proxima b

• Exoplanète découverte en 2016

• La + proche de la planète Terre

• Située dans la « zone habitable » : température adéquate pour avoir de l’eau liquide

Proxima Centauri

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2. Le voyage interstellaire

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La biostase

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2. Le voyage interstellaire

30

La biostase

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2. Le voyage interstellaire

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Les délais dans les communications

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2. Le voyage interstellaire

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2. Le voyage interstellaire

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Vitesse de la lumière dans le vide : c = 299 792 458 𝑚/𝑠 = 1 milliard de km/h

Voyage Distance (moyenne) Durée

Terre – Lune 384 400 km 1,3 s

Terre – Soleil150 millions de km =1 unité astronomique (UA)

8,3 min

Terre – Mars 0,5 UA 4,2 min

Terre – Saturne 9 UA 1,2 h

Terre – Proxima b 268 142 UA 4,2 ans

Les délais dans les communications

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2. Le voyage interstellaire

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Vitesse de la lumière dans le vide : c = 299 792 458 𝑚/𝑠 = 1 milliard de km/h

Voyage Distance (moyenne) Durée

Terre – Lune 384 400 km 1,3 s

Terre – Soleil150 millions de km =1 unité astronomique (UA)

8,3 min

Terre – Mars 0,5 UA 4,2 min

Terre – Saturne 9 UA 1,2 h

Terre – Proxima b 268 142 UA 4,2 ans

Les délais dans les communications

On définit l’année-lumière (AL) comme :la distance parcourue par la lumière en une année.

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2. Le voyage interstellaire

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Peut-on voyager encore plus rapidement ?

• D’après Newton (1687), pas de vitesse limite : elle peut être aussi grande que l’on veut.

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2. Le voyage interstellaire

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Peut-on voyager encore plus rapidement ?

• D’après Newton (1687), pas de vitesse limite : elle peut être aussi grande que l’on veut.

• D’après Einstein (1905), il y a une vitesse limite que l’on ne pourra pas dépasser : la vitesse de la lumière dans le vide notée c.

c = 299 792 458 m/s ≈ 1 milliard de km/h

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2. Le voyage interstellaire

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Peut-on voyager encore plus rapidement ?

• D’après Newton (1687), pas de vitesse limite : elle peut être aussi grande que l’on veut.

• D’après Einstein (1905), il y a une vitesse limite que l’on ne pourra pas dépasser : la vitesse de la lumière dans le vide notée c.

c = 299 792 458 m/s ≈ 1 milliard de km/h

vitesse0 c

Mécanique de Newton Relativité restreinte d’Einstein

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• Les lois de la physique sont les mêmes dans les référentiels en mouvement rectilignes uniformes les un par rapport aux autres.

2. Le voyage interstellaire

38

Relativité restreinte : pourquoi « relativité » ?

• Principe établi déjà par Galilée. Les transformations mathématiques pour passer d’un référentiel à un autre ont été modifiées par Einstein pour que :• La vitesse de la lumière dans le vide soit la même quelque soit le référentiel.• La vitesse de la lumière dans le vide soit indépassable.

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2. Le voyage interstellaire

39

• « Restreinte » = sans considérer la gravitation

• Pourquoi la gravitation pose problème ?

F = G ×𝑚𝑇𝑒𝑟𝑟𝑒𝑚𝐿𝑢𝑛𝑒

𝑟²avec G = 6,67 × 10−11 N.m².kg-2

L’attraction gravitationnelle entre les corps massifs est instantanée chez Newton :elle se propage à une vitesse infinie donc supérieure à c

→ Cela va à l’encontre de la relativité d’Einstein.

Relativité restreinte : pourquoi « relativité » ?

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2. Le voyage interstellaire

40

Représentation de l’espace et du temps

Espace : 3D

Temps : 1D

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2. Le voyage interstellaire

41

Représentation de l’espace et du temps

Espace : 3D

Temps : 1D

Temps & espace sont liés entre eux→ espace-temps : 4D

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2. Le voyage interstellaire

42

Représentation de l’espace et du temps

Espace : 3D

Temps : 1D

Temps & espace sont liés entre eux→ espace-temps : 4D

espace

temps

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2. Le voyage interstellaire

43

futur

passé

espaceespace

Zone accessible

Zone accessible

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2. Le voyage interstellaire

44

Interstellar (2014)« Les adieux »

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Physique pour Tous ! Diapo 45

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Physique pour Tous ! Diapo

2. Le voyage interstellaire

46

Le paradoxe des jumeauxVoyage d'un an

à une vitesse proche de la vitesse de la lumière

C’est celui qui subit les accélérations et les décélérations

qui est le plus jeune.

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2. Le voyage interstellaire

47

Dilatation temporelle

Dilatation temporelle due à la vitesse

dv =1

1−𝒗2

𝒄2

Les durées ne sont pas les mêmes d’un référentiel à un autre.

Si une 1s s’écoule dans le vaisseau,il s’écoule sur la planète une durée égale à 1s × dv

Vitesse du vaisseau mesurée depuis une planète

Vitesse de la lumière dans le vide = 299 792 458 m/s

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2. Le voyage interstellaire

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Type de déplacement

Vitesse du déplacementv

Dilatation temporelle due à la vitesse dv

(15 chiffres après virgule)

Un marcheur 3 km/h 1,000000000000000

Dilatation temporelle

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2. Le voyage interstellaire

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Type de déplacement

Vitesse du déplacementv

Dilatation temporelle due à la vitesse dv

(15 chiffres après virgule)

Un marcheur 3 km/h 1,000000000000000

Une voiture sur autoroute 110 km/h 1,000000000000010

Dilatation temporelle

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Physique pour Tous ! Diapo

2. Le voyage interstellaire

50

Type de déplacement

Vitesse du déplacementv

Dilatation temporelle due à la vitesse dv

(15 chiffres après virgule)

Un marcheur 3 km/h 1,000000000000000

Une voiture sur autoroute 110 km/h 1,000000000000010

Un avion 900 km/h 1,000000000000350

Dilatation temporelle

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Physique pour Tous ! Diapo

2. Le voyage interstellaire

51

Type de déplacement

Vitesse du déplacementv

Dilatation temporelle due à la vitesse dv

(15 chiffres après virgule)

Un marcheur 3 km/h 1,000000000000000

Une voiture sur autoroute 110 km/h 1,000000000000010

Un avion 900 km/h 1,000000000000350

Le son dans l’air 1 125 km/h 1,000000000000540

Dilatation temporelle

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Physique pour Tous ! Diapo

2. Le voyage interstellaire

52

Type de déplacement

Vitesse du déplacementv

Dilatation temporelle due à la vitesse dv

(15 chiffres après virgule)

Un marcheur 3 km/h 1,000000000000000

Une voiture sur autoroute 110 km/h 1,000000000000010

Un avion 900 km/h 1,000000000000350

Le son dans l’air 1 125 km/h 1,000000000000540

La vitesse de libération pour la Terre

40 320 km/h 1,000000000697850

Dilatation temporelle

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Physique pour Tous ! Diapo

2. Le voyage interstellaire

53

Type de déplacement

Vitesse du déplacementv

Dilatation temporelle due à la vitesse dv

(15 chiffres après virgule)

Un marcheur 3 km/h 1,000000000000000

Une voiture sur autoroute 110 km/h 1,000000000000010

Un avion 900 km/h 1,000000000000350

Le son dans l’air 1 125 km/h 1,000000000000540

La vitesse de libération pour la Terre

40 320 km/h 1,000000000697850

Les muons cosmiques dans l’atmosphère terrestre

99,5% de c 10,012523486435300

Dilatation temporelle

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Physique pour Tous ! Diapo

2. Le voyage interstellaire

54

Type de déplacement

Vitesse du déplacementv

Dilatation temporelle due à la vitesse dv

(15 chiffres après virgule)

Un marcheur 3 km/h 1,000000000000000

Une voiture sur autoroute 110 km/h 1,000000000000010

Un avion 900 km/h 1,000000000000350

Le son dans l’air 1 125 km/h 1,000000000000540

La vitesse de libération pour la Terre

40 320 km/h 1,000000000697850

Les muons cosmiques dans l’atmosphère terrestre

99,5% de c 10,012523486435300

La lumière dans le vide c infini

Dilatation temporelle

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Physique pour Tous ! Diapo

2. Le voyage interstellaire

55

Type de déplacement

Vitesse du déplacementv

Dilatation temporelle due à la vitesse dv

(15 chiffres après virgule)

Un marcheur 3 km/h 1,000000000000000

Une voiture sur autoroute 110 km/h 1,000000000000010

Un avion 900 km/h 1,000000000000350

Le son dans l’air 1 125 km/h 1,000000000000540

La vitesse de libération pour la Terre

40 320 km/h 1,000000000697850

Les muons cosmiques dans l’atmosphère terrestre

99,5% de c 10,012523486435300

La lumière dans le vide c infini

Dilatation temporelle

La mécanique de Newton peut être utilisée dans ces cas là.

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Physique pour Tous ! Diapo

2. Le voyage interstellaire

56

Dilatation temporelle dans la fiction : « La planète des singes » de Pierre Boulle (1963)

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3. Les trous noirs

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

58

Interstellar (2014)« Trou noir »

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Physique pour Tous ! Diapo 59

3. Les trous noirs

Tentative de description par la mécanique de Newton : la planète que l’on ne peut pas quitter

𝑉𝑙𝑖𝑏é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 =2 × 𝐺 ×𝑀𝑝𝑙𝑎𝑛è𝑡𝑒

𝑅𝑝𝑙𝑎𝑛è𝑡𝑒

Impossible de s’échapper de l’attraction gravitationnelle si

𝑉𝑙𝑖𝑏é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 ≥ 𝑐

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Physique pour Tous ! Diapo 60

3. Les trous noirs

Tentative de description par la mécanique de Newton : la planète que l’on ne peut pas quitter

𝑉𝑙𝑖𝑏é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 =2 × 𝐺 ×𝑀𝑝𝑙𝑎𝑛è𝑡𝑒

𝑟

Impossible de s’échapper de l’attraction gravitationnelle si

𝑉𝑙𝑖𝑏é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 ≥ 𝑐

r

On peut définir la vitesse de libération pour un point dans l’espace

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Physique pour Tous ! Diapo 61

3. Les trous noirs

Tentative de description par la mécanique de Newton : la planète que l’on ne peut pas quitter

𝑅𝑆

On définit le rayon de SchwarzschildFuite impossible

𝑅𝑠 =2 × 𝐺 ×𝑀

𝑐²

𝑅𝑠 = 1,49 × 10−27 ×M

en mètre en kilogramme

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Physique pour Tous ! Diapo 62

3. Les trous noirs

Tentative de description par la mécanique de Newton : la planète que l’on ne peut pas quitter

𝑅𝑆

Pouvons-nous définir un rayon de Schwarzschild à la Terre ?

Fuite impossible

𝑅𝑠 = 1,49 × 10−27 ×M

mTerre = 5,972 × 1024 kg

RTerre = 6 371 000 m

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Physique pour Tous ! Diapo 63

3. Les trous noirs

Tentative de description par la mécanique de Newton : la planète que l’on ne peut pas quitter

𝑅𝑆

Pouvons-nous définir un rayon de Schwarzschild à la Terre ?

Fuite impossible

𝑅𝑠 = 1,49 × 10−27 ×M

• Si on prend M égale à masse de la Terre,alors RS = 0,009 m = 9 mm

mTerre = 5,972 × 1024 kg

RTerre = 6 371 000 m

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Physique pour Tous ! Diapo 64

3. Les trous noirs

Tentative de description par la mécanique de Newton : la planète que l’on ne peut pas quitter

𝑅𝑆

Pouvons-nous définir un rayon de Schwarzschild à la Terre ?

Fuite impossible

𝑅𝑠 = 1,49 × 10−27 ×M

• Si on prend M égale à masse de la Terre,alors RS = 0,009 m = 9 mm

mTerre = 5,972 × 1024 kg

RTerre = 6 371 000 m

• Si on prend RS égal au rayon de la Terre,alors M = 4,28 × 1033 kg = 1 million de fois de mTerre

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Physique pour Tous ! Diapo 65

3. Les trous noirs

La relativité générale

Les trous noirs ne peuvent être décrits que dans le cadre de la « relativité générale » :Relativité restreinte + gravitation

vitesse0 c

Mécanique + gravitationde Newton

Relativité restreinte d’Einstein

gravité

Relativité générale d’Einstein

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

66

Principe d’équivalence : accélération ↔ gravité

Accélération avers le haut

Dans l’espace en absence de toutes forces, l’accélération reproduit la pesanteur.

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

67

Principe d’équivalence : accélération ↔ gravité

Accélération avers le haut

Dans l’espace en absence de toutes forces, l’accélération reproduit la pesanteur.

Sur Terre, la chute libre permet d’annuler la gravité

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

68

Principe d’équivalence : accélération ↔ gravité

La gravitation affecte la lumière :

elle courbe sa trajectoire.

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

69

Principe d’équivalence : accélération ↔ gravité

La gravitation affecte la lumière :

elle courbe sa trajectoire.

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

70

Sir Eddington, 1919 – Eclipse de Soleil→ « Espace-temps » courbe !

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

71

L’équation d’Einstein (1915)

𝑮 =8𝜋𝐺

𝑐4𝑻

Objet mathématique représentant

la déformationde la région d’espace-

temps étudiée

Objet mathématique représentant

la distributionen énergie et en massedans la région d’espace-

temps étudiée

Il s’agit d’une équation locale : uniquement valable dans une région proche du point étudié

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

72

Orbite de la Terre autour du Soleil

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Physique pour Tous ! Diapo 73

3. Les trous noirs

Caractéristique d’un trou noirde Schwarzschild

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Physique pour Tous ! Diapo 74

3. Les trous noirs

Caractéristique d’un trou noirde Schwarzschild

Singularité :Point où se concentre toute la masse du trou noir

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Physique pour Tous ! Diapo 75

3. Les trous noirs

Caractéristique d’un trou noirde Schwarzschild

Singularité :Point où se concentre toute la masse du trou noir

Horizon Cercle de rayon égal au rayon de Schwarzschild

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Physique pour Tous ! Diapo 76

3. Les trous noirs

Caractéristique d’un trou noirde Schwarzschild

Singularité :Point où se concentre toute la masse du trou noir

Horizon Cercle de rayon égal au rayon de Schwarzschild

Rien ne peut s’échapper une fois passé l’horizon

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Physique pour Tous ! Diapo 77

3. Les trous noirs

Caractéristique d’un trou noirde Schwarzschild

Singularité :Point où se concentre toute la masse du trou noir

Horizon Cercle de rayon égal au rayon de Schwarzschild

Rien ne peut s’échapper une fois passé l’horizon

Est-ce que la relativité générale est encore valide dans cette région ?

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Physique pour Tous ! Diapo 78

3. Les trous noirs

Caractéristique d’un trou noirde Schwarzschild

Singularité :Point où se concentre toute la masse du trou noir

Horizon Cercle de rayon égal au rayon de Schwarzschild

Rien ne peut s’échapper une fois passé l’horizon

Est-ce que la relativité générale est encore valide dans cette région ?

NON, effets quantiques doivent être pris en compte.

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Physique pour Tous ! Diapo 79

3. Les trous noirs

Apparence d’un trou noir au cinéma

Interstellar

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

80

Le trou noir (1979)

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Physique pour Tous ! Diapo 81

3. Les trous noirs

Apparence d’un trou noir au cinéma

Star Trek (2009)

Zathura (2005)

La planète au trésor (2002)

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Physique pour Tous ! Diapo 82

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Physique pour Tous ! Diapo 83

3. Les trous noirs

Est-il possible de voir un trou noir ?

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Physique pour Tous ! Diapo 84

3. Les trous noirs

Est-il possible de voir un trou noir ?

𝑅𝑆

horizon

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

85

Masse centrale ~ 7x106 Msoleil

Voir les trous noirs

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

86

Voir les trous noirs

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

87

Voir les trous noirs

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

88

Voir les trous noirs

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

89

© Alain Riazuelo, CNRS/IAP -

http://www2.iap.fr/users/riazuelo

/interstellar/index.php

Voir les trous noirs

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

90

Gravitational Lensing by Spinning Black Holes in Astrophysics, and in the Movie Interstellar –

O. James, E. von Tunzelmann, P. Franklin, K. S. Thorne - Classical and Quantum Gravity 32

(2015) 065001 – DOI : 10.1088/0264-9381/32/6/065001

Voir les trous noirs

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

91

Voir les trous noirs

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

92

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

93

Interstellar (2014)« Dilatation temporelle »

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Physique pour Tous ! Diapo 94

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

95

Le paradoxe des jumeaux 2

Voyage d'un anproche d’un trou noir

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

96

Dilatation temporelle

Dilatation temporelle due à la gravitation

dg =1

1−𝑟𝑆𝑟

Le temps ralentit quand on s’approche d’un corps massif.Formule valable à l’extérieur de l’horizon d’un trou noir :

Si une 1s s’écoule dans le vaisseau proche du trou noir,il s’écoule une durée égale à 1s × dg pour quelqu’un loin du trou noir

Rayon de Schwarzschild

Distance du vaisseau par rapport au centre du trou noir

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Physique pour Tous ! Diapo 97

3. Les trous noirs

Que se passe-t-il si on va dans un trou noir ? Point de vue de l’intérieur

Réponse étonnante dans ces deux films

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Physique pour Tous ! Diapo 98

3. Les trous noirs

Que se passe-t-il si on va dans un trou noir ? Point de vue de l’intérieur

La spaghettification

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Physique pour Tous ! Diapo 99

3. Les trous noirs

Que se passe-t-il si on va dans un trou noir ?Point de vue de l’extérieur

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Physique pour Tous ! Diapo

3. Les trous noirs

100

Stargate SG1 (2002)Saison 2, épisode 16

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Physique pour Tous ! Diapo 101

3. Les trous noirs

Que se passe-t-il si on va dans un trou noir ?Point de vue de l’extérieur

La chute éternelle

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Physique pour Tous ! Diapo 102

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4. Les trous de ver

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Physique pour Tous ! Diapo

4. Trou de ver

104

Event Horizon (1997)

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Physique pour Tous ! Diapo

4. Trou de ver

105

Interstellar (2014)« Trou de ver »

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4. Trou de ver

106

Contact (1997)

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4. Trou de ver

107

Le trou de ver de Schwarzschild

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4. Trou de ver

108

Le trou de ver de Schwarzschild

Evolution temporelle

Pas traversable :• Spaghettisation• Durée extrêmement courte

Sens unique

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4. Trou de ver

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Trou de ver traversable de Morris-Thorne

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4. Trou de ver

110

Trou de ver traversable de Morris-Thorne

Traversable si présence de « matière exotique » obéissant à l’équation E = -mc²

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4. Trou de ver

111

Où trouver la « matière exotique » de Thorne ?

Effet Casimir :

• Prédit en 1948

• Vérifié expérimentalement sans ambiguïté en 1978.

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4. Trou de ver

112

Trou de ver & fluctuations quantiques

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4. Trou de ver

113

Construire un trou de ver en science fiction ?

1. Extraire un trou de ver des fluctuations quantiques du vide.

2. L’agrandir jusqu’à ce qu’il atteigne taille humaine.

3. Utiliser de la « matière exotique » pour maintenir le trou ouvert.

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4. Trou de ver

114

Représentation au cinéma

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Conclusion

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Conclusion

116

Y-at-il un physicien pour Expliquer le film « intersteLlar » ?

• Dilatation temporelle :• Vitesse proche de celle de la lumière• Voyage près d’un corps très massif

• Les limites du voyage interstellaire, entre autres la durée des voyages

• Curiosité prédite par la relativité générale : le trou noirObservation indirecte + mécanisme de production connu

• Fantaisies scientifiques : • L’hypersommeil• Le trou de ver traversable

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Conclusion

117

Y-at-il un physicien pour Expliquer le film « intersteLlar » ?

vitesse0 c

Mécanique +gravitationde Newton

Relativité restreinte

gravité

Relativité générale

Infiniment grand et macroscopique Infiniment petit

Physique quantique

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Conclusion

118

Interro surprise !

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Annexes

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2. Le voyage interstellaire

120

Comparaison entre mécanique de Newton et relativité d’Einstein

Relation fondamentale de la dynamique

F = m × a F = m × a

Energie mécanique d’un système au repos soumis à aucune force

E = 0 E = m×c²

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3. Les trous noirs

121

1011 étoiles dans une Galaxie…1011 Galaxies dans l'Univers !

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3. Les trous noirs

122

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3. Les trous noirs

123

Nébuleuse d'Orion

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3. Les trous noirs

124

Nuage de matière/poussière

= Hydrogène

Gravité

Contraction → chaleur/énergie → fusion nucléaire !

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3. Les trous noirs

126

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3. Les trous noirs

127

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3. Les trous noirs

128

Dans environ 7 milliards d'années ...

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3. Les trous noirs

129

Nébuleuse Planétaire (NGC 6543) Nébuleuse Planétaire (NGC 7293)

Naine Blanche au centre1 tonne / m³ !!

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3. Les trous noirs

130

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3. Les trous noirs

131

T ~ 10 milliards de °C !!→ Désintégration des atomes

→ protons, neutrons, électrons

Coeur Neutrons Rebond → expulsion des

couches superficielles

→ Supernova !

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3. Les trous noirs

132

Etoile à Neutronsou

Trou Noir

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3. Les trous noirs

133

SN1994D dans NGC4526

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3. Les trous noirs

134

Principe d’équivalence : accélération ↔ gravité

Extension du principe de relativité : les lois de la physique sont identiques dans les référentiels : • En mouvement rectiligne uniforme l’un par rapport à l’autre• En chute libre

En tout point, il existe toujours un référentiel inertiel dans lequel on ne ressent pas la gravité.

Dans ce référentiel, on peut appliquer les lois de la relativité restreinte.

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3. Les trous noirs

135

Solution de Karl Schwarzschild (1915) à l’équation d’Einstein

Solution valable pour

des points au voisinage d’un corps

massif sphérique

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3. Les trous noirs

136

Solution de Karl Schwarzschild (1915) à l’équation d’Einstein

Présence d’une singularité quand le

rayon est inférieur au rayon de

Schwarzschild

𝑅𝑠 =2 × 𝐺 ×𝑀

𝑐²

L’espace-temps se déforme à l’infini.

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3. Les trous noirs

137

ALMA

(ESO/NAOJ/NRAO)

Est-il possible de voir un trou noir ?

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3. Les trous noirs

138

Gravité

Contraction → Aplatissement

Forces centrifuges

Force résultante

Le disque d’accrétion

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3. Les trous noirs

139

Le disque d’accrétion

Disque d'accrétion

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2. Le voyage interstellaire

140

La gravité artificielle

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2. Le voyage interstellaire

141

La gravité artificielle : l’accélération uniforme

Poids apparent = poids + masse × a

Au repos ou à vitesse constante

Accélération avers le haut

Sur Terre

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2. Le voyage interstellaire

142

La gravité artificielle : l’accélération uniforme

Poids apparent = masse × a

Au repos ou à vitesse constante

Accélération avers le haut

Dans l’espace

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2. Le voyage interstellaire

143

La gravité artificielle : l’accélération uniforme

Poids apparent = masse × a

Au repos ou à vitesse constante

Accélération avers le haut

Dans l’espace

Solution possible mais coûteuse en énergie

Solution mise en scène dans « On a marché sur la Lune »

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2. Le voyage interstellaire

144

Interstellar (2014)« Gravité artificielle sur l’Endurance»

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2. Le voyage interstellaire

145

2001 l’odyssée de l’espace (1968)

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2. Le voyage interstellaire

146

La gravité artificielle : la force centrifuge

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2. Le voyage interstellaire

147

La gravité artificielle : la force centrifuge

Expression de la force centrifuge

𝐹𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑓𝑢𝑔𝑒 = 𝑚𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 ×Ω

2𝜋 × 60

2

× 𝑅

Intensité de la force centrifuge [en Newton]

Masse de la station[en kg]

Rayon de la station[en m]

Vitesse de rotation[en tour/minute]

On veut que 𝐹𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑓𝑢𝑔𝑒 = 𝑃ℎ𝑜𝑚𝑚𝑒 = 𝑚ℎ𝑜𝑚𝑚𝑒 × 𝑔

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2. Le voyage interstellaire

148

La gravité artificielle : la force centrifuge

Application à la station spatiale internationale : calcul de la vitesse de rotation

Ω =𝑚ℎ𝑜𝑚𝑚𝑒 × 𝑔

𝑚𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 × 𝑅× 2𝜋 × 60

M_homme = 80 kgM_station = 400 tonnesR = longueur = 50 m

Nb de tours par min = 2,3

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1. Le contexte du film

149

Quels sont les problèmes que doit résoudre l’humanité dans les

prochains siècles ?

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Physique pour Tous ! Diapo 150

1. Le contexte du film

Loi de Murphy ou loi de l’emmerdement maximum

Anglais : “If it can go wrong, it will!”

Français : “Si ça peut tourner mal, cela arrivera!”

Pas une loi au sens physique, plutôt un adage qui n’a rien de scientifique

Histoire / mythe : Edward Murphy Jr., ingénieur en aéronautique

• 1947–1949 à base Edwards : étude de l’effet de la décélération sur l’être humain.

• Problème de mesure de la décélération →mise en place de jauges de contraintes.

• Les jauges de contraintes indiquent 0 car placés à l’envers.

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1. Le contexte du film

151

Trouver une planète viable et recréer l’humanité à l’aide

d’ovules fécondés

Laisser l’humanité s’éteindre

Trou de ver = raccourci

Le plan B : la bombe démographique

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1. Le contexte du film

152

• 5 000 ovules fécondés pour un poids total de 900 kg

• Incubation des 10 premiers grâce à l’équipement embarqué

• Croissance exponentielle avec la GPA (Gestation Pour Autrui)

• 100 ans = 100 humains

• Problème pour une colonisation= diversité génétique

Le plan B : la bombe démographique

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Physique pour Tous ! Diapo 153

4. Que se passe-t-il sur la planète Miller ?

La marée

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Equation d’Einstein

154

𝑹𝝁𝝂 −𝟏

𝟐𝒈𝝁𝝂𝑹 + 𝚲𝒈𝝁𝝂 =

𝟖𝝅𝑮

𝒄𝟒𝑻𝝁𝝂

Tenseur métrique= caractéristique de l’espace-temps= inconnue

Tenseur de Ricci= déformation de l’espace temps

Tenseur énergie-impulsion= répartition énergie-masse dans l’espace-temps

Comme tenseurs symétriques 4x4 → 10 relations indépendantes entre les composantes

Courbure scalaire Constante cosmologique