« La nouveauté,. c’est que des théories. de la gravitation quantique. deviennent testables ». Carlo Rovelli
Fantômes, mixeur…
L’espace-temps revisité
Trous noirs et Big Bang à la rescousse
La chasse aux trous blancs
Des tests en laboratoire pour trancher
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Édition française de Scientific American
HORS-SÉRIE
par
Loïc Mangin
Rédacteur
en chef adjoint à Pour la Science
Tout aurait commencé par une plaisanterie. En 1928, trois étudiants de l’université d’État de Moscou et futurs grands physiciens, George Gamow, Dmitri Ivanenko et Lev Landau, désireux d’épater une de leurs condisciples, lui dédient un article où ils définissent le cube des théories physiques à partir de la constante gravitationnelle G, de la vitesse de la lumière c et de la constante de Planck h. À chaque sommet du polyèdre (voir page 8), selon que telle ou telle constante est prise en compte, on retrouve la mécanique classique, la relativité restreinte… L’article sombrera dans l’oubli et ne sera redécouvert qu’en 1991. Au sommet où les trois constantes se manifestent figure une théorie de la gravitation quantique qui réconcilierait la relativité générale et la physique quantique. Au milieu du XXe siècle, elle aurait pu être rêvée par un certain C. G. H. Tompkins (on reconnaît les initiales…), employé de banque très imaginatif et héros de livres de vulgarisation publiés entre 1940 et 1953, par le même Gamow. Aujourd’hui, le rêve de C. G. H. Tompkins serait autre, car on dispose désormais de plusieurs théories de la gravitation quantique. Reste cependant à les tester, et c’est un rêve qui est de moins en moins inaccessible, ce numéro le montre.
Ont contribué à ce numéro
Nick Huggett est philosophe de la physique à l’université de l’Illinois, à Chicago, aux États-Unis.
Claus Kiefer est professeur de physique théorique à l’université de Cologne, en Allemagne.
Carlo Rovelli est théoricien à l’université Aix-Marseille et membre de l’institut universitaire de France. Edgar Shaghoulian est professeur de physique à l’université de Californie, à Santa Cruz, aux États-Unis.
www.pourlascience.fr
p. 18 La gravitation quantique est-elle indécidable ?
Claus Kiefer
Quand l’ombre de Kurt Gödel plane sur le graal de la physique.
p. 6 Repères
Des schémas, des chiffres, des définitions...
Toutes les clés pour entrer sereinement dans ce numéro.
p. 10 Grand témoin
Carlo Rovelli
théories de la gravitation quantique deviennent testables
p. 26 Un peu d’aléa dans la gravité
Sean Bailly
Pas besoin de quantique avec des fluctuations aléatoires.
p. 30 Une entropie qui fait désordre
George Musser
Et si l’espace-temps était doté de propriétés thermiques ?
p. 38 La chasse aux fantômes
Charlie Wood
Le retour de la théorie dite « de gravité quadratique ».
p. 46 Un espace-temps passé au mixeur
Lydie Chiou
L’espace et le temps seraient chaotiques près d’une singularité.
p. 56 Dans la profondeur d’une surface
Joseph Howlett
La gravité quantique expliquera l’entropie des trous noirs.
p. 60 Une singularité têtue
Charlie Wood
Nous ne nous débarrasserons pas facilement des singularités.
p. 68 Troublants trous blancs
Carlo Rovelli
La chasse aux sosies inversés des trous noirs est ouverte.
p. 78 D’un horizon à l’autre
Edgar Shaghoulian
Exploiter les points communs des trous noirs et de l’Univers.
Vers l’expérience décisive ?
p. 86 Tester la nature quantique de l’espace-temps ?
Carlo Rovelli et Nick Huggett
C’était réputé impossible, alors on va bientôt le faire.
p. 94 La gravité quantique sur un coin de table
Tim Folger
Tester la nature quantique de la gravité grâce à des microbilles.
p. 102 Explorer des mini-univers expérimentaux
Adam Becker
Structure de l’espace-temps et intrication quantique.
p. 109 Rendez-vous
110 En image
112 Rebondissements
116 Infographie
118 Incontournables
Les deux édifices théoriques de la physique – la théorie de la gravitation et la mécanique quantique – ont chacun une longue histoire. Le plus souvent parallèles, ces épopées se sont parfois croisées. Parviendra-t-on un jour à les « fusionner » en une théorie de la gravitation quantique ?
1801
Première expérience des fentes de Thomas Young
1896
Henri Becquerel découvre la radioactivité, processus fondé sur la désintégration nucléaire
1900
Max Planck suggère que l’énergie électromagnétique ne peut être émise que sous forme quantifiée
1604
Galilée découvre la loi de la chute libre
1609
Johannes Kepler annonce ses deux premières lois du mouvement planétaire
1686
Isaac Newton publie ses lois du mouvement et de la gravitation
1799
Pierre-Simon de Laplace publie son Traité de mécanique céleste
1846
Urbain Le Verrier et John Couch Adams démontrent que l’orbite d’Uranus est perturbée par Neptune
1887
Albert Michelson et Edward Morley prouvent que l’éther n’existe pas
1902
Henri Poincaré remet en question le concept de simultanéité
1905
Albert Einstein postule que la lumière est constituée de particules individuelles quantiques
1911
Ernest Rutherford découvre le noyau atomique
1913 Niels Bohr propose une description quantique de l’atome
1922
Otto Stern et Walther Gerlach conçoivent une expérience qui conduira à la découverte du spin
1923
Louis de Broglie énonce le principe de dualité onde-particule
1925
Wolfgang Pauli formule son principe d’exclusion
1905
Albert Einstein publie sa théorie de la relativité restreinte et découvre l’équivalence de la masse et de l’énergie (E = mc 2 )
1907
Hermann Minkowski introduit l’espace-temps de Minkowski et la notion de tenseurs en relativité
1915
Albert Einstein énonce sa théorie de la relativité générale et prédit l’effet de lentille gravitationnelle
1916
Karl Schwarzschild publie la première solution aux équations d’Einstein qui conduira à l’idée de trou noir
1919
Arthur Eddington annonce avoir observé l’effet de déviation de la lumière par un corps massif
1921
Theodor Kaluza démontre qu’une version des équations d’Einstein unifie la gravitation et l’électromagnétisme
1926
Erwin Schrödinger développe la fonction d’onde
1927
Werner Heisenberg énonce son principe d’incertitude
1927 Georges Lemaître montre que l’Univers n’est pas statique
1929
Edwin Hubble publie la loi qui portera plus tard son nom
1935
Schrödinger conçoit son expérience de pensée du chat à la fois vivant et mort
1935
Albert Einstein, Nathan Rosen et Boris Podolsky soutiennent que l’intrication quantique trahit une théorie incomplète
1938
Lise Meitner et Otto Hahn découvrent la fission nucléaire
1950
Julian Schwinger, Richard Feynman et d’autres développent l’électrodynamique quantique
1955
Clyde Cowan et Frederick Reines confirment l’existence du neutrino
1957 Hugh Everett introduit l’idée des « multivers »
1935
Albert Einstein et Nathan Rosen suggèrent l’idée de trou de ver
1948
Ralph Alpher et Robert Herman prédisent le fond diffus cosmologique
1954
Suraj Gupta tente d’obtenir les équations de la relativité générale à partir de la théorie quantique des champs
1965
Roger Penrose prouve le premier théorème de singularité
1967
John Archibald Wheeler popularise le terme « trou noir »
1970
Roger Penrose, Stephen Hawking et George Ellis prouvent qu’une singularité est associée au Big Bang
1964
John Stewart Bell formule ses inégalités sur les « variables cachées »
1973
Gross, Politzer et Wilczek développent la QCD et le principe de liberté asymptotique
1979
Glashow, Salam et Weinberg partagent le prix Nobel pour la construction de l’interaction électrofaible
1980
Klaus von Klitzing découvre l’effet Hall quantique
1974
Stephen Hawking découvre le rayonnement de Hawking
1981
Alan Guth propose le concept d’inflation cosmique
1993
Le télescope spatial Cobe repère une anisotropie dans le fond diffus cosmologique
1997
Juan Maldacena énonce la correspondance AdS/CFT
1982
Alain Aspect confirme la violation des inégalités de Bell et valide l’idée d’intrication
1983
Découverte des bosons W et Z
2012 Découverte du boson de Higgs
1998
Les scientifiques découvrent que l’expansion de l’Univers s’accélère
2010
Une équipe du NIST vérifie la dilatation temporelle relativiste à l’aide d’horloges atomiques
2015
Advanced Ligo annonce les premières détections directes d’ondes gravitationnelles
2016
La Chine lance le satellite Micius , conçu pour distribuer des clés de chiffrement quantique
2019 Google utilise un ordinateur quantique avec 53 qubits pour affirmer qu’il a atteint la « suprématie quantique »
2019
L’EHT publie une image du trou noir supermassif M87*
2025
La collaboration Ligo-Virgo-Kagra vérifie le théorème de l’aire de Hawking pour deux trous noirs en fusion
Une description synthétique de la physique consiste à représenter sur un repère à trois axes les relations entre les théories de la physique à partir des trois constantes de la physique : la constante gravitationnelle G, la vitesse de la lumière c et la constante de Planck h.
Relativité générale
Relativité restreinte
c 1/h
Mécanique classique
Gravitation quantique
Théorie quantique des champs
Gravitation newtonienne
Théorie quantique de la gravitation non relativiste
Mécanique quantique
Au point zéro du repère, aucune constante n’existe (c’est la mécanique classique). Puis, sur chaque axe, à une distance unité, arbitraire, de cette origine, une constante intervient et de nouveaux phénomènes physiques s’expliquent par une théorie. Se dessine alors un cube à chacun des sommets duquel est associée une théorie : outre la mécanique classique, la gravitation newtonienne, la relativité restreinte, la mécanique quantique, la théorie quantique des champs, la relativité générale, une théorie quantique de la gravitation non relativiste et, enfin, la gravitation quantique, voire une éventuelle théorie du tout
Comment concilier la relativité générale qui s’applique dans un espace-temps courbe, continu et un temps élastique, avec la physique quantique où c’est tout le contraire ? Plusieurs théories s’y aventurent.
La théorie des cordes, des supercordes et M
Dans cette théorie, les particules, considérées comme ponctuelles dans le modèle standard, sont interprétées comme des modes de vibration d’objets unidimensionnels, des cordes. En intégrant l’idée de supersymétrie selon laquelle chaque fermion a un superpartenaire de type boson, la théorie devient celle des supercordes. La théorie M est une tentative d’unification des différentes versions de la théorie des supercordes.
Cette hypothèse, développée dans les années 1970 par Roger Penrose, postule que l’espace-temps est engendré à partir de la structure des rayons lumineux : décrire un point de l’espace-temps suppose de prendre en compte tous les rayons lumineux qui y parviennent, en leur ajoutant un paramètre, une « hélicité ».
La gravitation quantique à boucles
L’idée est d’utiliser la mécanique quantique pour traiter les équations de la relativité générale d’Einstein. Elle conduit à définir un espace-temps discret, c’est-à-dire constitué de grains, les boucles, qui sont des quanta du champ gravitationnel. La géométrie non commutative
L’élément essentiel est qu’il y a plusieurs cas importants dans lesquels on est obligé de remplacer une algèbre commutative de coordonnées par une autre non commutative, celle qui, par exemple, fonde le principe d’incertitude de Heisenberg. De là, on en déduit que la structure de l’espace-temps n’est ni continue ni simplement discrète, mais a une géométrie plus compliquée qui serait pertinente pour l’étude de la gravitation.
Selon les tenants de ce courant, la gravitation resterait de nature classique. Cette théorie s’appuie sur le concept de réduction dynamique, conçu initialement pour résoudre un problème lié aux superpositions d’états et à leur « effondrement ».
La cosmologie quantique
Il s’agit, sur la base des travaux de John Wheeler et de Bryce DeWitt, de définir une fonction d’onde pour décrire l’Univers tout entier et en étudier les premiers instants.
La gravité ne serait pas une force fondamentale, mais elle émergerait de phénomènes thermodynamiques liés à l’information quantique. Cette théorie est inspirée des travaux de Stephen Hawking sur les trous noirs.
L’idée est de modifier les équations de la relativité générale afin de la quantifier comme en théorie quantique des champs et d’obtenir une théorie renormalisable. Cela se traduit par l’ajout de deux nouveaux termes liés au carré de la courbure.
Gravité quantique euclidienne, triangulation dynamique causale, géométrodynamique, théorie du tout fondée sur le groupe de Lie E8, gravité de Hořava–Lifshitz, théorie des ensembles causaux, sécurité asymptotique.
« La nouveauté, c’est qu’après une première étape où plusieurs théories de la gravitation quantique cohérentes ont été proposées, on pense maintenant pouvoir les tester »
Carlo Rovelli physicien théoricien à l’université Aix-Marseille et membre de l’institut universitaire de France.
Les deux grands édifices théoriques de la physique, la mécanique quantique et la relativité générale, semblent incompatibles. Est-ce vraiment le cas ?
Non, au contraire, elles vont très bien ensemble. Le problème est ailleurs. Certes, il y a cette impossibilité d’appliquer les méthodes usuelles de la théorie des champs (comme l’électromagnétisme quantique, ou QED) pour la relativité générale et donc pour la gravitation. Mais on a développé d’autres approches. La question devient : est-ce que la théorie proposée est correcte ?
Cependant, elles divergent sur plusieurs points : la relativité générale s’applique dans un espace-temps courbe, continu et avec un temps élastique, tout le contraire de la physique quantique.
Cela semble les opposer irrémédiablement au premier abord. Mais on peut les rapprocher en reformulant la mécanique quantique de sorte qu’elle n’ait plus besoin d’un temps externe fixe.
Il existe une structure conceptuelle cohérente pour décrire des phénomènes quantiques dans un espace-temps quantique.
La théorie de la gravitation à boucles, que vous défendez, est l’une de ces approches cohérentes. Mais avant d’y venir, peut-on passer en revue les autres propositions, en rappelant leurs hypothèses principales, les avantages ?
La théorie des cordes et celle de la gravité quantique à boucles sont toutes les deux nées durant les années 1980-1990. La première est issue du monde de la physique des hautes énergies, de la physique des particules, et donc d’un monde de théoriciens qui connaissaient très bien la théorie quantique des champs. Elle n’est pas née pour résoudre le problème de la gravitation quantique, mais avec l’idée d’élaborer une théorie du tout, pour unifier les forces fondamentales, mais aussi les fermions, c’est-à-dire les particules comme l’électron, le neutrino, le quark…
La théorie des particules élémentaires, le modèle standard, est fondée sur une vingtaine de
Dans la quête d’une théorie de la gravitation quantique, il s’agit de rendre la physique quantique compatible avec l’espace-temps tel que décrit par la relativité générale. Pour y parvenir, celui-ci est revisité dans le cadre de divers modèles, par exemple sous le prisme de la thermodynamique. Toutefois, certains physiciens s’interrogent. Une théorie quantique de la gravité est-elle nécessaire ? Et, peut-être pire, d’autres se demandent si une éventuelle théorie de la gravitation quantique ne pourrait pas être indécidable au sens de Kurt Gödel, c’est-à-dire vulnérable à des contradictions.
Depuis Kurt Gödel, on sait que certaines propositions mathématiques sont indémontrables. Une théorie de la gravitation quantique est peut-être concernée par cette indécidabilité.
Bailly
Associée à une composante aléatoire, la théorie de la gravité n’a plus besoin d’être quantique.
Une théorie quantique de la gravité est-elle nécessaire ? Une autre voie consiste à imaginer une gravité qui resterait classique, mais serait source de fluctuations aléatoires.
Dans la quête d’une théorie quantique de la gravité, de nombreuses approches ont été proposées, comme la théorie des cordes, la gravité quantique à boucles et bien d’autres. Malgré plusieurs décennies d’effort, aucune de ces approches n’a livré une théorie satisfaisante… Et si la gravité n’était fondamentalement pas quantique ? C’est le pari de Jonathan Oppenheim, de l’University College de Londres, qui a proposé le modèle le plus général dans ce domaine, dit « de gravité semi-classique ».
LA PHYSIQUE JANUS
La physique théorique est depuis presque un siècle dans une situation des plus étonnantes. Tel Janus, le dieu romain à deux visages, elle repose sur deux théories. D’un côté, la mécanique quantique décrit les propriétés et les interactions des particules composant la matière. De l’autre, la relativité générale explique comment la matière déforme l’espace- temps et comment ces déformations influent sur la dynamique de la matière, ce qu’on interprète comme la gravité. Si l’une est probabiliste, non locale avec un espace-temps rigide, l’autre est déterministe et locale avec un espace-temps dynamique. Ces deux théories, pourtant fondamentalement très différentes, se combinent de façon harmonieuse pour décrire la plupart des situations.
Les difficultés surgissent lorsque les effets quantiques sur l’espace-temps ne sont plus négligeables. Et c’est le cas quand on étudie les premiers instants de l’Univers ou la singularité à l’intérieur d’un trou noir. Alors, les calculs dérivés des équations de la relativité générale produisent des valeurs infinies, signe que la théorie n’est plus valide.
À contre-courant de la piste de la gravité quantique, des physiciens ont envisagé de modifier les théories actuelles de façon à concilier un espace-temps classique et une matière quantique, même dans les conditions les plus extrêmes. Dès les années 1970, les physiciens, tels Stephen Hawking, Roger Penrose et d’autres, ont montré comment étudier un système quantique sur un espace-temps courbe classique ; c’est la théorie des champs quantiques en espace courbe. En revanche, ils ne savaient pas décrire l’effet réciproque : comment des champs quantiques influent sur la gravité, c’est-à-dire courbent l’espace-temps.
Des progrès ont été réalisés ces dernières années. Par exemple, en 2016, Antoine Tilloy, aujourd’hui au Centre automatique et systèmes des Mines Paris, et Lajos Diósi, du centre de recherche Wigner pour la physique, à Budapest, ont construit un modèle « jouet » cohérent de gravité semi-classique. En s’inspirant des travaux de Dvir Kafri et Jacob Taylor, de l’université du Maryland, avec Gerard Milburn, de l’université © Enyeng99/Shutterstock
Et si l’espace-temps était doté de propriétés thermiques ? La gravité correspondrait alors à une augmentation de l’entropie !
George Musser
La théorie dite « de gravité quadratique » semblait condamnée, car elle prévoit des fantômes, des champs qui rendent la théorie incohérente. Des physiciens ont appris à les apprivoiser.
Charlie Wood
Selon un modèle dit « Mixmaster », l’espace et le temps deviennent chaotiques à l’approche d’une singularité. De récents travaux sur cette dynamique aideraient à concilier gravité et mécanique quantique.
Une des meilleures pistes pour traquer les indices d’une théorie de la gravitation quantique est de s’intéresser aux endroits où elle se manifeste avec le plus de vigueur : l’intérieur des trous noirs et l’Univers tout entier, surtout quand il en était à des débuts. Dans les deux cas, se pencher sur leurs frontières, ou horizons, semble prometteur. Par ailleurs, l’une des théories candidates, celle de la gravitation quantique à boucles, prévoit l’existence de trous blancs, des sosies inversés des trous noirs : les détecter serait un argument en sa faveur. Toutefois, il faut peut-être renoncer à l’idée qu’une théorie de la gravitation quantique nous débarrasserait des singularités, ces points où l’infini est bien embarrassant.
Le premier indice d’une éventuelle gravité quantique est à chercher dans un trou noir, plus précisément dans une formule élaborée dans les années 1970 reliant la surface d’un tel astre à son contenu.
Lorsqu’en 1916 l’Allemand Karl Schwarzschild publie une première solution aux équations d’Einstein, l’engouement n’est pas au rendez-vous. Ce n’est qu’en 1939 que Robert Oppenheimer interprétera ces résultats comme la possible existence d’objets purement géométriques, qu’on appelle aujourd’hui des… trous noirs. Là encore, l’intérêt de la communauté reste limité.
Anomalie mathématique issue de la théorie générale de la relativité d’Albert Einstein, un trou noir est la déformation la plus extrême de la structure de l’espace-temps, un endroit où sa courbure et son attraction gravitationnelle deviennent infinies. Tout ce qui s’en approche trop près, même la lumière, est happé.
Les trous noirs ont conquis leurs lettres de noblesse grâce aux travaux de Stephen Hawking et de Jacob Bekenstein dans les années 1970. Leurs calculs ont fait des trous noirs des objets réels dotés d’une « structure microscopique possible », explique Yuk Ting Albert Law, de l’université Stanford. Ces découvertes ont eu des conséquences notables qui continuent de façonner notre compréhension de l’espace-temps.
Cette série de découvertes a débuté en 1972, lorsque Hawking a démontré que la taille d’un trou noir, plus précisément sa surface sphérique, augmente toujours proportionnellement à la masse de tout ce qui y tombe. Cette règle s’apparentait
au deuxième principe de la thermodynamique, selon lequel l’entropie, qui mesure le désordre d’un système, ne diminue jamais.
La plupart des physiciens, y compris Hawking, ne prenaient pas cette similitude au pied de la lettre. « Cela semblait simplement similaire d’un point de vue mathématique », explique Elba Alonso-Monsalve, de l’institut de technologie du Massachusetts.
Au contraire, pour Bekenstein, les trous noirs devaient avoir une entropie. Si ce n’était pas le cas, imaginez une tasse de thé chaud tombant dans un trou noir. L’entropie du thé semblerait disparaître, ce qui violerait la deuxième loi de la thermodynamique. À moins que l’augmentation de la surface du trou noir ne signifie que sa propre entropie augmente pour compenser la différence.
Selon Bekenstein, la surface du trou noir devrait donc être considérée comme un indicateur de son entropie. La relation entre l’entropie et la surface de Bekenstein n’était qu’une conjecture, mais Hawking l’a transformée en une formule quantitative précise dont il a déterminé les coefficients en combinant les équations de la mécanique quantique avec celles qui décrivent
Une théorie de la gravitation quantique nous débarrasserait-elle des encombrantes singularités tapies dans le Big Bang et les trous noirs ? Pas sûr…
L’une des conséquences de la théorie de la gravitation quantique à boucles est l’existence de trous blancs, des sosies inversés des trous noirs. Les détectera-t-on un jour ?
Carlo Rovelli
L’observation d’un trou blanc serait un argument pour la théorie de la gravitation à boucles.
Les trous noirs et l’Univers ont des frontières de même nature. La cosmologie quantique essaie de tirer parti de cette similitude.
Parmi la pléthore de théories de la gravitation quantique, quelques-unes se dégagent, mais aucune ne fait encore consensus. L’idéal, pour trancher, serait de pouvoir
les tester. Il y a peu, l’objectif semblait impossible à mettre en œuvre, car pour y parvenir on imaginait indispensable un collisionneur de particules de la taille d’une galaxie.
La situation a changé et, récemment, plusieurs types d’expériences faisables en laboratoire ont été imaginés.
Elles requièrent certes des technologies ultraprécises qu’il reste encore à concevoir, mais ce qui était un rêve inaccessible n'est désormais plus qu'une question d'années.
L’idée semblait impossible à mettre en œuvre. Pourtant, des expériences ont récemment été proposées. Elles sont délicates à exécuter, mais envisageables dans les années à venir.
Les théories de la gravité quantique, comme la théorie des cordes ou la gravité quantique à boucles, supposent que l’espace-temps est fondamentalement de nature quantique.
Plutôt que d’attendre un improbable collisionneur géant, des physiciens mettent au point des dispositifs ultraprécis pour tester la nature quantique de la gravité grâce à des microbilles.
La structure de l’espace-temps pourrait-elle émerger d’une forme d’intrication quantique ? Ce qui était une question purement théorique devient testable en laboratoire.
Les particules quantiques intriquées dans une structure arborescente correspondent à des configurations de l’espace-temps.
Depuis 1998, le programme Copernicus, coordonné par la Commission européenne, en partenariat avec l’Agence spatiale européenne, s’attache à collecter des données sur l’état de la Terre. Pour ce faire, les satellites Sentinel ont été déployés et scrutent notre planète. Parmi eux, ceux de la série Sentinel 1 viennent de fêter leur dixième anniversaire. Ils contribuent à anticiper les événements météorologiques extrêmes, mais aussi au suivi de la banquise, des calottes glaciaires continentales et des glaciers. Une étude récente révèle la vitesse d’écoulement de la glace en Antarctique et au Groenland (voir le cartouche), qui atteint en moyenne 15 mètres par jour. Sur la côte ouest, au niveau de la ville d’Ilulissat, le glacier Jakobshavn (Sermeq Kujalleq, en groenlandais), est celui dont l’écoulement est l’un des plus rapides du monde (il libère environ 10 % de l’ensemble des icebergs de l’île), avec des vitesses allant jusqu’à 50 mètres par jour (voir la carte agrandie). À sa rapidité s’ajoute un amincissement considérable, ce qui fait de ce glacier l’un des plus gros contributeurs à l’élévation actuelle du niveau de la mer. Pour combien de temps encore ? Selon Éric Rignot, glaciologue à la Nasa, la totalité de l’inlandsis du Groenland disparaîtra quand le réchauffement global aura atteint 2 à 3 °C… Il conviendra alors de réfléchir à d’autres missions pour les satellites Sentinel…
Loïc Mangin
J. Wuite et al., Ten years of polar ice velocity mapping using Copernicus Sentinel-1, Remote Sensing of Environment, 2026.
Vitesse d’écoulement de la glace, en mètres par jour (2014-2024)
HORS-SÉRIE NO 129 : THÉORIE DE L’ÉVOLUTION
L’espèce humaine est la seule à avoir cohabité avec le feu. Cette proximité a conduit à des adaptations aux brûlures, souvent bénéfiques, mais parfois désavantageuses.
’être humain, rescapé d’une diversité d’espèces du genre Homo qui a peuplé la terre depuis quelque 3 millions d’années, a évolué au gré de contingences qui ont exercé – et continuent de le faire comme le montrait le Hors-Série no 129 : « Théorie de l’évolution » – des pressions de sélection plus ou moins drastiques. Parmi les moteurs de l’évolution qui nous ont façonnés, on peut citer le climat, l’outil, la coopération, le langage… L’équipe d’Armand Leroi, de l’Imperial College de Londres, vient d’en proposer un nouveau, pour le moins inattendu.
De fait, notre espèce est la seule à avoir appris à maîtriser le feu, et ce depuis plus de 1 million d’années. Certes, il a permis le développement de la cuisson des aliments et des
matériaux, ainsi qu’une meilleure défense contre les prédateurs… jusqu’à forger notre civilisation. Mais il a aussi exposé nos ancêtres et cousins à des blessures d’un genre nouveau, les brûlures. Ce « propre de l’homme » a-t-il pu contribuer à l’émergence d’adaptations génétiques ?
Pour le vérifier, les chercheurs ont d’abord comparé le transcriptome (l’ensemble des gènes exprimés) de cellules de peau brûlée d’humains et de rats. Résultat, 94 gènes se distinguent en ce qu’ils sont plus ou moins exprimés par rapport à des conditions normales : ils contribuent donc à la réponse au feu. Ces gènes ont ensuite été comparés à leurs homologues chez des espèces de primates non humains, comme le chimpanzé,
le gorille, l’orang-outan… L’analyse fait ressortir qu’au moins neuf d’entre eux (et potentiellement dix-neuf) ont subi une pression de sélection positive dans la lignée humaine. Ces gènes sont notamment impliqués dans l’inflammation (OASL, TREM1, PLAC8…), la réponse immunitaire (ISG15, CXCR1, CLEC4D…), la réparation tissulaire (SGCG, GZMB, OGN…).
Ainsi, nos ancêtres se sont-ils adaptés aux brûlures. Cependant, cette évolution est à double tranchant. En effet, si les mécanismes correspondants sont bénéfiques en cas de lésions légères, ils peuvent s’avérer délétères en cas d’atteinte plus prononcée : œdèmes nombreux et étendus, hyperinflammation, voire un syndrome de réponse inflammatoire systémique (SRIS), réparation tissulaire anarchique… Plusieurs conséquences à ces résultats. D’abord, une remise en cause des modèles animaux, car les réponses génétiques humaines sont uniques. Ensuite, dans le traitement des grands brûlés, il conviendra désormais de tenir compte de la génétique sousjacente pour adapter les traitements.
Loïc Mangin
J. Cuddihy et al., Burn selection : How fire injury shaped human evolution, Bioessays, 2026.
HORS-SÉRIE NO 128 : SOLEIL, L’ÉTOILE MYSTÉRIEUSE
La sonde
SoHO a été lancée il y a tout juste trente ans. C’est l’occasion de dresser un premier bilan… flatteur.
Vingt-quatre millions d’images, 60 téraoctets de données, 7 000 études publiées… c’est le bilan que l’on peut tirer des trente ans d’exploitation de l’Observatoire solaire et héliosphérique (SoHO, pour l’anglais Solar and Heliospheric Observatory), initialement prévu pour fonctionner trois ans. Concrètement, le satellite, situé à 1,5 million de kilomètres de la Terre et pointant en direction du Soleil (au point de Lagrange L1), a observé 40 000 éjections de masse coronale (CME) et 3 cycles solaires, des événements détaillés dans le Hors-Série no 128 : « Soleil, l’étoile mystérieuse ».
La solution réside dans l’oscillation des neutrinos : les neutrinos électroniques peuvent spontanément se transformer en neutrino muonique ou tauique, et vice versa.
C’est l’occasion de revenir sur quelques faits marquants. L’engin, conçu par la Nasa et l’ESA, a d’abord aidé à fonder l’héliosismologie en étudiant comment les ondes sonores se propagent à travers notre étoile. Ce faisant, il a permis de montrer que le plasma, dans la couche externe, s’organise selon une seule cellule de convection dans chacun des hémisphères, qu’il parcourt, de l’équateur aux pôles, selon un cycle de vingt-deux ans.
SoHO a également contribué à résoudre le problème des neutrinos solaires : pourquoi n’observait-on qu’un tiers de ces particules par rapport aux prédictions théoriques ?
Dernier exemple, SoHO a aidé à résoudre une énigme : pourquoi la température de la couronne, la couche la plus externe de l’atmosphère solaire, atteint 1 million de degrés, alors qu’à la surface de l’étoile, elle n’est que de 6 000 °C ? Tout est affaire de flux de plasma et de dynamique du champ magnétique. Devant une telle moisson, la mission qui s’est terminée en décembre 2025 pour céder la place à d’autres fondées sur de nouveaux engins, comme Solar Orbiter, de l’ESA, ou la sonde Parker, de la Nasa, déjà opérationnels, mérite d’être saluée.
L. M.
D. Müller et al., SOHO’s 30-year legacy of observing the Sun, Nature Astronomy, 2026.
HORS-SÉRIE
La conscience, selon l’une de ses nombreuses définitions, qu’abordait le Hors-Série no 127 : « La conscience », est la capacité de se reporter à soi-même. Quels liens entretient-elle avec le langage alors que l’on s’accorde à la reconnaître chez les bébés, des espèces autres qu’humaines, des individus aux aires du langage lésées ? Charlène Aubinet, de l’université de Liège, en Belgique, et ses collègues ont exploré cette question en analysant différentes études portant sur le sujet. Qu’en ressort-il ?
D’abord, il convient de distinguer les niveaux de traitement du langage. De fait, les processus simples, comme la reconnaissance des sons, restent possibles lorsque la conscience est fortement réduite. En revanche, dès qu’il s’agit par exemple de comprendre une phrase entière, un état de conscience élevée est indispensable.
Ensuite, autre découverte, au moment de la sortie d’un coma, les dynamiques de récupération du langage et de la conscience sont parallèles. Plus encore, des indices de traitement du langage précèdent parfois le retour d’un état de conscience, au point d’y voir, selon les auteurs, des signes annonciateurs. Conclusion : la conscience n’est ni indépendante ni inféodée au langage.
L. M.
C. Aubinet et al., The interaction between language and consciousness, Neuroscience and Biobehavioral Reviews, 2026.
Le quartier d’affaires, le temps d’une saison artistique où le vivant et l’écologie tiennent une place de premier plan, se fait terrain d’expérimentations pour les visiteurs.
Bienvenue à Paris La Défense, quatrième quartier d’affaires du monde, où chaque jour 300 000 personnes parcourent le dédale de parvis en trois dimensions au milieu d’immenses tours. Cette ville dans la ville offre 31 hectares d’espace piéton parsemé de plus de 50 œuvres d’art comme Le Pouce de César, L’Araignée rouge d’Alexander Calder… Ce musée à ciel ouvert est le lieu idéal pour une saison culturelle d’ampleur, en l’occurrence
Les Extatiques, un festival d’art qui investira des lieux emblématiques, mais aussi des espaces d’habitude inaccessibles au public.
Cette année, la manifestation se déploie autour du thème « D’autres mondes », avec une programmation qui fait une large place au vivant, à l’écologie et aux mondes invisibles… en contradiction apparente avec l’image souvent associée à La Défense. Le commissariat artistique de l’événement a été confié à Sara Dufour et Lauranne Germond, de l’association COAL qui, depuis 2008, défend l’idée que l’art a un rôle important à jouer dans la transition écologique, idée qu’elle promeut à travers nombre d’expositions et surtout le prix COAL Art et Environnement qui contribue à faire émerger une scène artistique de l’écologie.
Quel est le programme ? D’abord, au mois d’avril, l’exposition « Sous l’horizon », dans la salle des colonnes, une sorte de salle hypostyle située sous la Grande Arche. Là, les visiteurs en petits groupes déambulent dans l’obscurité, casque audio sur les oreilles, lampe torche à la main, dans une plongée dans les abysses guidée par la voix d’Emily Loizeau. Ils y découvrent les œuvres de quatre artistes dont Antoine Bertin, qui signe l’ambiance musicale avec une bande-son hybride basée sur des données issues notamment de l’analyse du microbiome océanique, le battement de cœur d’un poisson… Plus loin, les vidéos et sculptures d’Ugo Schiavi donnent à voir des méduses fantômes, des poissons aux dents translucides… Viennent après les œuvres de Jérémie Brugidou, chercheur au CNRS : il s’agit de sphères dans lesquelles vivent de véritables bactéries bioluminescentes, des espèces qui, dans plusieurs lignées
Les sphères photoluminescentes de Jérémie Brugidou.
indépendantes, ont acquis le pouvoir d’émettre de la lumière grâce à une enzyme, la luciférase. Dans les profondeurs, cette lumière a de nombreux rôles, par exemple celui d’attirer des prédateurs (c’est l’hypothèse dite « de l’appât »), qui, ce faisant, aide à la dispersion des bactéries. Pour clore le parcours, une installation de Shivay la Multiple, une « grotte » consacrée à Yemayá, déesse-mère des océans. Autre temps fort des Extatiques, en juin, le collectif XY investira le quartier pour le transformer en scène avec Les Voyages et Möbius. En invitant les spectateurs à voyager du fond des océans au sommet des tours, Les Extatiques feront de La Défense non plus un lieu de passage que l’on se presse de traverser, mais une destination culturelle à part entière. Loïc Mangin
Exposition « Sous l’horizon », jusqu’au 26 avril 2026, et festival Les Extatiques, à Paris La Défense, jusqu’à l’automne 2026. www.parisladefense.com/fr
À VISITER
Une exposition à Figeac explore l’histoire, encore en mouvement, des systèmes de notation de la danse.
En matière d’écritures, il en est de bien complexes qui défient la compréhension quand elles s’étalent sous nos yeux, quand bien même elles ont été déchiffrées (certaines résistent encore). Ainsi des hiéroglyphes, qui demandent beaucoup de connaissances pour les lire. Une autre est encore plus étrange, c’est celle qui consiste à transcrire sur le papier des… chorégraphies, et l’on parle alors de « notation de la danse ». Et c’est à ce sujet que le musée Champollion – Les écritures du monde, à Figeac, consacre une exposition.
Comment saisir les mouvements du corps humain, par essence tridimensionnels, pour les coucher sur le papier, support bidimensionnel, afin d’en laisser une trace et de les transmettre ? Les premières tentatives remontent au XVe siècle, mais c’est au XVIIe, quand la danse se fait plus virtuose, que la toute jeune Académie royale de danse souhaite unifier et codifier les pas. Ainsi, en 1700, Raoul Feuillet publie un traité de notation dans lequel il reproduit le trajet des danseurs au sol : les pas, décomposés en mouvements élémentaires, sont dessinés autour d’une ligne verticale correspondant à l’axe du corps. Au XIXe, l’ensemble du corps est pris en compte et depuis, plus
d’une centaine de systèmes de notation ont été élaborés.
L’un des plus célèbres est la cinétographie, mise au point par Rudolf Laban : sur une sorte de partition verticale, des colonnes renvoient aux parties du corps, avec dans chacune le détail des mouvements qui est noté.
Pourtant, parmi ce foisonnement, aucun système ne s’est imposé et aujourd’hui encore, des chorégraphes continuent à inventer leur propre système. Par exemple, en 2017, le linguiste et chorégraphe Matias Tripodi a conçu un ensemble de signes, inscrits sur des tampons, pour écrire le tango. Alors, à vos chaussures, car des bals sont prévus pour expérimenter cette méthode, et d’autres.
L. M.
« Notation de la danse », au musée Champollion – Les écritures du monde, à Figeac (46), jusqu’au 25 mai 2026. musee-champollion.fr
À REGARDER
Quelque 67 800 ans ! Ce serait l’âge des plus anciennes peintures du monde. Où les trouve-t-on ? Dans le Périgord ? Non, de l’autre côté du globe, sur l’île indonésienne de Sulawesi. C’est là que Maxime Aubert, de l’université Griffith, en Australie, et ses collègues ont découvert des empreintes de mains en négatif sur les parois d’une grotte, la cavité de Metanduno. Ces résultats, publiés dans Nature en janvier 2026, sont au centre d’un documentaire réalisé par Pascal Goblot et Denis Van Waerebeke, qui ont suivi archéologues, géochimistes et paléobiologistes dans leur enquête au long cours. L’idée que l’art était né en Europe est à abandonner, car les plus vieilles œuvres connues sur notre continent sont celles de Chauvet, et elles n’ont que 35 000 ans, soit moitié moins… Le film remet les pendules à l’heure et surtout révèle en exclusivité les plus anciennes peintures de l’humanité.
L. M.
Sulawesi, l’île des premières images, déjà disponible sur arte.tv, et diffusé le 18 avril à 22 h 25.
Rédacteur en chef adjoint : Loïc Mangin
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