Parcours Etranges

Cette animation par ordinateur¹ basée sur la recherche moléculaire² nous permet de voir comment l’ADN est copiée dans les cellules vivantes. L’animation montre la “chaîne de montage” des machines biochimiques qui séparent la double hélice d’ADN et produisent une copie de chaque chaîne. L’ADN à copier arrive dans la tourbillonnante machine moléculaire bleue, appelée hélicase, qui la tourne aussi vite qu’un moteur d’avion et qui déroule la double hélice en deux brins. Une chaîne est copiée sans interruption et se débobine de l’autre côté. Ce n’est pas aussi simple pour l’autre chaîne, car elle doit être copiée à l’envers, ainsi elle est retirée en boucles et copiée une section à la fois. Le résultat final ce sont deux nouvelles molécules d’ADN.

1. Drew Berry, “DNA animation”, The Walter and Eliza Hall Institute of Medical Research, Melbourne, Australia (courtoisie de l’auteur). © 2007 Howard Hughes Medical Institute [↩]
2. T. A. Baker, S. P. Bell, “Polymerases and the Replisome: Machines within Machines“, Cell, 92:295-305 (1998); K. P. Lemon, A. D. Grossman, “Movement of Replicating DNA through a Stationary Replisome“, Molecular Cell, 6, 6:1321-1330 (2000); M. R. Singleton, M. R. Sawaua, T. Ellenberger, D. B. Wigley, “Crystal structure of T7 gene 4 ring helicase indicates a mechanism for sequential hydrolysis of nucleotides“, Cell 101:589-600 (2000); D. S. Johnson, L. Bai, B. Y. Smith, S. S. Patel, M. D. Wang, “Single-Molecule Studies Reveal Dynamics of DNA Unwinding by the Ring-Shaped T7 Helicase“, Cell 129, 7:1299-1309 (2007). [↩]

En 1610 Galilée publia le rapport étonnant de ses premières observations au téléscope,¹ contenant des dessins détaillés de la surface de la Lune et sa découverte de quatre “planètes” orbitant autour de Jupiter (aujourd’hui dites “Lunes Galiléennes”). Environ deux ans plus tard, il écriva une observation encore plus précise² avec plus d’une centaine de dessins de leurs positions relatives quotidiennes. Cette animation³ restitue la vie aux observations de Galilée, vues à Florence, Mars 1613.

1. G. Galilei, “Sidereus Nuncius” (”Le Message Céleste”) (1610) [↩]
2. G. Galilei, “Istoria e Dimostrazioni intorno alle Macchie Solari” (”Les lettres sur les tâches solaires”) (1613) [↩]
3. Massimo Mogi Vicentini, © Planetario di Milano, Italy [↩]

L’information génétique de tous les organismes vivants est codée dans des immenses séquences de quatre symboles moléculaires, structurés comme les marches d’interminables escaliers de DNA nommés chromosomes. Les cellules humaines contiennent deux ensembles de 23 chromosomes, chacun ayant de 50 à 250 millions de symboles ou bases pour un total de 3 milliards, comme un livre d’un million de pages écrit dans une langue pour la plupart inconnue. Dans cette image, un court extrait du chromosome humain 20, qui a 63 644 868 bases, est représenté par les lettres A C G T et par des points pour les sections apparemment inutilisées.

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1. © Ben Fry, Computation Group MIT Media Lab [↩]

Une des expériences les plus surprenantes en physique quantique est l’expérience de la “gomme quantique” (quantum eraser), proposée par Scully et Drühl en 1982¹ et ensuite réalisée dans plusieurs configurations différentes.

Un principe de base de la mécanique quantique est le principe de complémentarité, selon lequel pour chaque dégré de liberté, les variables dynamiques sont une paire d’observables complémentaires. Etre complémentaire signifie que la connaissance précise de l’un implique la complète imprévisibilité de l’autre. Par exemple, la connaissance précise de la position d’une particule implique la complète imprévisibilité de sa quantité de mouvement.

Une illustration de la complémentarité est l’expérience classique de Young,² où une lumière monochromatique qui illumine un écran avec deux fentes produit des figures d’interférence d’onde. Toutefois, si un dispositif est utilisé pour détecter les photons pendant qu’ils traversent chaque fente, l’interférence disparaît. Ce comportement dual non-classique (qui n’est pas spécifique aux photons, mais est commun à chaque particule, atomes et molécules³) est observé même lorsqu’une seule particule à la fois traverse les fentes, suggérant qu’elle interfère avec elle-même.⁴ La connaissance du chemin des particules est complémentaire à l’apparition d’une figure d’interférence. Selon la relation de dualité d’Englert-Greenberger, D²+V²≤1 (où D est la distinguabilité des chemins de 0 à 1 et V la visibilité de la figure d’interférence de 0 à 1).⁵

On considérait que le mécanisme général responsable de la perte de la figure d’interférence était le principe d’incertitude de Heisenberg, car toute mesure, aussi délicate qu’elle soit, introduit une perturbation dans le système qu’elle est en train de mesurer.⁶ Cependant, dans cette expérience, l’information “quel chemin” des particules est trouvée sans perturber leur fonction d’onde. La raison de la perte d’interférence est l’information quantique contenue dans le dispositif de mesure, par les corrélations d’intrication entre les particules et les détecteurs de chemin. L’expérience montre que si une telle information est postérieurement effacée du système, alors l’interférence reapparaît, ce qui serait impossible s’il s’agissait d’une perturbation.

La configuration originale de l’expérience impliquait l’utilisation de faisceaux d’atomes,⁷ d’autres versions ont employé de la lumière.⁸ Dans la configuration ici présentée,⁹ les photons d’un laser traversent une double fente et percutent un cristal de borate de baryum au point A ou B selon la fente qui a été traversée. Un tel cristal a une propriété optique particulière, à savoir que quand il absorbe un photon il re-émet du même point une paire de photons intriqués allant dans des directions opposées (droite et gauche dans la figure ci-dessous). Ceci permet la détermination du chemin d’un photon par la mesure de l’autre, et cela même après que le premier ait déjà été absorbé par un détecteur plus rapproché.

Le photon allant vers la droite est détecté par D0, qui peut balayer la direction x afin d’enregistrer la figure d’interférence. Le photon allant vers la gauche traverse un miroir semi-réfléchissant (BSA ou BSB selon le chemin initial). Un miroir semi-réfléchissant a une probabilité égale de réfleter ou de transmettre la lumière. Le photon sortant de BSA peut aller à D3 ou à un deuxième miroir semi-réfléchissant BS, et pareillement le photon sortant de BSB peut aller à D4 ou à BS. En conclusion, les photons sortant de BS vont aux détecteurs D1 ou D2.

Les détecteurs de gauche enregistrent l’information “quel-chemin” :

• Si D3 ou D4 se déclenchent, alors on sait que la paire a pris respectivement le chemin A ou B.

• Si D1 ou D2 se déclenchent, alors le chemin n’est plus connu (parce que D1 peut être déclenché aussi bien par un photon qui suit le chemin A via BSA-BS-D1, ou par un photon qui suit le chemin B par BSB-BS-D1, et c’est pareil pour D2). Le miroir semi-réflechissant BS est la “gomme à effacer” de l’information “quel-chemin”, mélangeant les deux chemins avec probabilité égale.

Le détecteur de droite enregistre la figure d’interférence :

• Quand le photon de droite est détecté par D0, le photon de gauche est toujours en mouvement sur un chemin bien déterminé. En conséquence, D0 ne montre pas d’interférence.

• L’information “quel-chemin” est ensuite effacée pour les photons détectés par D1 ou D2, et non effacée pour les photons détectés par D3 ou D4.

A ce point, il est possible de corréler l’information “quel-chemin” de ces deux groupes de photons avec le sous-ensemble correspondant de photons détectés en D0. On peut par exemple colorier en violet tous les impacts en D0 correspondants aux impacts en D3 ou D4, et l’on trouve que leur distribution n’a pas d’interférence (en accord avec le fait que l’information “quel-chemin” est connue). On peut ensuite colorier en rouge tous les impacts en D0 correspondants aux impacts en D1, et en bleu ceux correspondants aux impacts en D2, c’est à dire après l’effacement de l’information “quel-chemin”, et on trouve que leur distribution montre deux figures d’interférence, une avec franges pour D1 et une avec anti-franges pour D2, qui s’annulent lorsqu’elles sont superposées.

Au temps T0 quand D0 est déclenché aucune interférence n’apparaît, puisque l’information “quel-chemin” est contenue dans le système à ce temps. Au temps T1, qui dans l’expérience est quelque nanoseconde plus tard, mais qui pourrait en principe être tout temps futur¹⁰, quand D1/D2/D3/D4 ont été déclenchés, on trouve une figure d’interférence dans les sous-ensemble correlés des enregistrement passés de D0 qui ont subi l’effacement futur de l’information “quel-chemin”.

1. M. O. Scully, K. Drühl, “Quantum eraser - A proposed photon correlation experiment concerning observation and ‘delayed choice’ in quantum mechanics“, Phys. Rev. A, 25, 2208-2213 (1982) [↩]
2. T. Young, “Experimental Demonstration of the General Law of the Interference of Light”, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 94 (1804) [↩]
3. M. Arndt, O. Nairz, J. Vos-Andreae, C. Keller, G. van der Zouw, A. Zeilinger, “Wave-particle duality of C60 molecules“, Nature, 401, 680-682 (1999) [↩]
4. P. G. Merli, G. F. Missiroli, G. Pozzi, “On the statistical aspect of electron interference phenomena“, American Journal of Physics, 44, 3, 306-307 (1976) [↩]
5. B. G. Englert, “Fringe Visibility and Which-Way information: an inequality“, Phys. Rev. Lett. 77, 2154-2157 (1996) [↩]
6. N. Bohr, “Discussion with Einstein on Epistemological Problems in Atomic Physics”, in “Albert Einstein: Philosopher-Scientist”, ed. P. Schilpp, Tudor, New York (1949) [↩]
7. M. O. Scully, B. G. Englert, H. Walther, “Quantum optical tests of complementarity“, Nature, 351, 111-116 (1991) [↩]
8. S. P. Walborn, M. O. Terra Cunha, S. Pádua, C. H. Monken, “A double-slit quantum eraser“, Phys. Rev. A 65 (2002) [↩]
9. Y-H. Kim, R. Yu, S. P. Kulik, Y. H. Shih, M. O. Scully, “A Delayed Choice Quantum Eraser“, Phys. Rev. Lett. 84 1-5 (2000) [↩]
10. Ce “choix retardé” se pose dans la ligne de l’expérience de pensée de J. A. Wheeler, “The ‘past’ and the ‘delayed-choice’ double-slit experiment”, “Mathematical Foundations of Quantum Theory”, Academic Press, New York (1978), voir également V. Jacques, E. Wu, F. Grosshans, F. Treussart, P. Grangier, A. Aspect, J-F Roch, “Experimental realization of Wheeler’s delayed-choice GedankenExperiment“, arxiv:quant-ph/0610241 (2006) [↩]

Photographie en surimpression de l’éclipse lunaire totale du 27 octobre 2004. Les corps célestes orbitant autour d’une étoile projettent des ombres, qui peuvent obscurcir en partie ou en totalité d’autres corps précisement alignés derrière eux, “éclipsant” l’étoile de leur point de vue (du Grec ekleipein, “qui n’apparaît pas”).

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A cause de leur courte durée, les éclipses sont parmi les phénomènes où l’on peut percevoir le plus dramatiquement une dynamique à l’échelle cosmique. Dans l’image, le chemin courbe de la lune est principalement dû à la rotation de la terre, et en petite partie au mouvement de la lune dans son orbite elliptique autour de la Terre. Pendant l’étape de totalité, la lune apparaît de couleur rouge, à cause de la diffusion de la lumière par l’atmosphère terrestre, qui renvoie uniquement les longueurs d’onde rouges à l’intérieur de la zone d’ombre. Un observateur sur la lune verrait un anneau brillant de lumière rouge, qui en fait provient de tous les levers et couchers de soleil terrestres simultanés.².

Une éclipse lunaire totale aura lieu ce samedi 3 mars 2007, et sera visibile depuis l’Europe, l’Afrique, l’Asie Occidentale et l’Amérique Orientale.

1. Photo © Forrest J. Egan, Digital Astro [↩]
2. Eclipse vue de la lune, Mission Surveyor 3, 24 Avril 1967 (couleur artificielle) © NASA [↩]

Les caustiques (du Grec kaustikos, kaiein, ‘brûler’) sont des entités géometriques formées par une concentration singulière de courbes, qui modélisent approximativement le comportement de rayons lumineux focalisés par des lentilles ou des miroirs, donnant lieu à des zones très lumineuses lorsqu’ils rencontrent une surface. Les motifs de lumière au fond des piscines sont des exemples de caustiques, produites par la réfraction sur la surface ondulée de l’eau. Dans cette image de synthèse, on découvre des caustiques de lumière résultantes de la réfraction par deux surfaces consécutives, comme si la lumière rentrait dans une deuxième mer sous la mer.

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1. Digital Artwork © Eric J. Heller, Resonance Fine Art [↩]

Le thème du trajet vers les étoiles, de système planétaire à système planétaire, nous est à la fois tout à fait familier et totalement étranger. Familièrement, nous avons certainement tous en tête des histoires de science-fiction ayant pour cadre une galaxie (éventuellement lointaine, très lointaine…), dans laquelle les planètes jouent le rôle de nations ou de provinces d’empire. Les protagonistes se déplacent de l’une à l’autre dans des durées compatibles avec la tenue de la narration. Le trajet parait une formalité que les prochaines avancées d’une Physique Triomphante mettront à portée de main.

C’est ce que nous nommerons la stratégie “zéro” (S0) : on entend par là que le temps de trajet est “instantané”, à tout le moins inférieur à la durée d’une année terrestre, c’est à dire comparable aux trajets que nous effectuons à la surface de la Terre, aux trajets des missions lunaires et à ceux envisagés vers d’autres corps du système solaire, s’il s’agit de missions habitées.

Le trajet vers les étoiles nous devient par contre très étrange si nos envisageons qu’une telle avancée de la Physique pourrait bien ne pas avoir lieu, que la célèbre constante d’Einstein c, la vitesse de la lumière (3E8 m/s), représente un horizon de vitesse indépassable et même excessivement difficile à approcher, de sorte que l’espace deviendrait à nos yeux ce qu’il est déjà pour l’astronome : une immensité comparée à laquelle celle des océans terrestres n’est rien.

Ce n’est pas sans réticence que l’esprit s’approprie les dimensions réelles des espaces interstellaires. Et la déraison de ces distances n’est pas seule en cause. D’une certaine façon, on pourrait dire que la stratégie zéro s’enracine dans un désir enfantin d’espace. Non pas l’espace-distance, cet horrible espace nu, muet, impavide, mais l’espace-trésor et les mondes qui roulent au sein de son immensité. Tous ces mondes dont l’atteinte ne saurait souffrir aucun retard et à la découverte desquels s’active notre imaginaire.

Réalisme aidant et quittant avec un certain regret le vert paradis de stratégie zéro, nous pouvons toutefois envisager dans le cadre de la Relativité Restreinte une stratégie plus “adolescente” - si la première est enfantine - que nous nommerons stratégie courte ou SI, qui promet le trajet en une vie d’homme.

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Simulation de trajectoires classiques dans un gaz bidimensionnel d’électrons.¹ Le transistor, le plus commun des dispositifs électroniques, contient des structures contraignant le mouvement des électrons, de sorte à qu’ils soient libres de se déplacer sur le plan x-y mais soient totalement confinés dans la direction z, formant un gaz bidimensionnel d’électrons (2DEG). Les détails du mouvement des électrons dans un flux 2DEG étaient inconnus jusque récemment, quand des nouvelles technologies de microscopie ont permis l’observation des chemins. ²

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De manière inattendue, l’observation a montré une structure chaotique au lieu d’un écoulement régulier, avec une ramification des chemins classiques réminiscente de formes naturelles familières. La simulation a montré que ces motifs ne sont pas dûs à des chemins énergetiques préférés inscrits dans le fond, comme pour le chemin d’un fleuve sur une vallée, mais à l’effet chaotique cumulé du déplacement sur des irregularités positives du paysage atomique.

1. Digital Artwork © Eric J. Heller, Resonance Fine Art [↩]
2. M. A.Topinka, B. J. LeRoy, R. M. Westervelt, S. E. J. Shaw, R. Fleischmann, E. J. Heller, K. D. Maranowski, A. C. Gossard, “Coherent Branched Flow in a Two-Dimensional Electron Gas“, Nature, 410, 183 (2001) [↩]

Photographies au microscope optique de cristaux de neige.¹ Leur symétrie caractéristique à 6 branches est liée à la structure moléculaire de l’eau, qui dans son état solide aux températures et pressions terrestres se stabilise dans un réseau hexagonal.² Chaque cristal a environ 10¹⁸ molecules d’eau, et sa forme très spécifique est due à une dépendance complexe avec les variations de température et d’humidité, et à la diffusion non linéaire menant à des instabilités dendritiques. Chaque flocon de neige enregistre une histoire particulière d’interactions avec l’environnement, comme “un hiéroglyphe envoyé du ciel”.³

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1. © Kenneth G. Libbrecht (Caltech) [↩]
2. L’eau a plusieurs autres phases solides selon la pression et la température, avec une différente symétrie cristalline. P.e. la glace-Ic qui se forme à pression ambiante mais à des températures inférieures à -80°C a une symétrie cubique. [↩]
3. U. Nakaya, “Snow Crystals: Natural and Artificial”, Harvard University Press (1954) [↩]