D'où viennent les pouvoirs de Superman ?: Physique ordinaire d'un super-héros 9782759802166

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Roland Lehoucq

D’où viennent les pouvoirs de Superman ? Physique ordinaire d’un super-héros

Illustrations de Thomas Haessig

17, avenue du Hoggar Parc d’Activité de Courtabœuf, BP 1 12 91944 Les Ulis Cedex A, France

de sciences M CoUection dirigée par Bénédicte Leclercq u Bulles

Ouvrages déjà parus : La Terre chauffe-t-elle ? Gérard Lambert Asymétrie, la beauté du diable, Frank Close Que sait-on des maladies à prions ? Émile Desfeux Des séquoias dans les étoiles, Philippe Chomaz Les neutrinos vont-ils au paradis ? François Vannucci Les requins sont-ils des fossiles vivants ?Gilles Cuny Combien pèse un nuage ? Jean-PierreChalon Pourquoi la Nature s'engourdit ?Jean Génermont et Catherine Perrin Combien dure une seconde ?Tony Jones Ces bolides qui menacent notre monde, Christian Koberl

A paraître : La vie est-elle universelle ?André Brack En couverture : Illustration originale de Thomas Haessig.

ISBN : 2-86883-671-2 Tous droits de traduction, d'adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du ii mars 1957 n'autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l'article 41. d'une part, que les u copies ou reproductions strictement réseivées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective B, et d'autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration, a toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite n (alinéa ier de l'article 40).Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnéepar les articles 425 et suivants du code pénal.

O EDP Sciences 2003

Préface

Éducation physique >

S’agit-il d’un épisode inédit des aventures de Superman?Non, seulement de l’extrait d’un roman que l’auteur de cette préface a écrit en sa prime jeunesse (et qui n’a heureusement pas été publié). Cette autoréférence n’est là que pour rappeler la fascination quasi fantasmatique que le mythe du surhomme exerce sur tout individu normalement constitué. Et nul besoin d’avoir lu Superman pour

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rêver de posséder une force décuplée. l’en veux pour preuve ce roman de mes vingt ans, puisqu’à l’époque j’ignorais tout de Clark Kent. Nullement amateur de bandes dessinées américaines, je ne connaissais Superman que de nom. Je n’avais lu aucune de ses aventures, vu aucune de ses adaptations cinématographiques. Hélas! dois-je confesser a postenori. Car, ainsi que le démontre avec brio Roland Lehoucq, on peut apprendre la physique dans les comics, et bien d’autres choses encore. Moi qui m’étais prodigieusement ennuyé durant les cours de physique et de sciences naturelles prodigués au lycée, au point que je n’envisageais de carrière estudiantine que dans le domaine des mathématiques pures ou, à l’extrême, dans la littérature romanesque, j’aurais donc pu m’intéresser aux super-héros, et plonger bien plus tôt que je ne l’ai fait dans le bain merveilleux de la physique... Ah, si j’avais su qu’en disséquant le physique de Superman, on découvrait la physique de Supermath ! Sérieusement, la question est là : comment intéresser les jeunes à la science ? I1 est notoire que la plupart des étudiants se désintéressent de la physique, faute de lui trouver des applications dans leur vie quotidienne. Or, si le professeur utilise des exemples tirés des comics, les étudiants ne s’inquièteront plus de savoir s’ils vont devoir utiliser cela dans leur vie quotidienne. Si la toile de Spiderman est aussi solide qu’une vraie toile d’araignée, peut-elle supporter son poids tandis qu’il se balance entre les édifices ? Quelle force faut-il à Superman pour sauter d’un bâtiment, stopper un train lancé à toute allure ou s’envoler d’un seul bond ? En résolvant les problèmes de physique causés par les super-héros lorsqu’ils soulèvent un camion ou parcourent la Terre à une super-vitesse sans boire ni manger, les étudiants doivent bien évidemment appliquer les principes de la physique, depuis les lois de Newton sur le mou-, vement jusqu’à la biomécanique, en passant par la thermodynamique et la physique quantique. À la fin, ils n’en concluront pas nécessairement que Superman peut vraiment exister. À la limite, ils s’en ficheront, car ils se seront divertis tout en s’instruisant. C’est là 4

PRÉFACE

le grand secret de la physique :en théorie, tout est possible, tout est ludique...tant que cela ne contrevient pas aux règles du jeu, à savoir les lois du monde ! Dans cet ouvrage profondément original, Roland Lehoucq démontre magistralement comment il est possible de dispenser un enseignement de physique à la fois pittoresque et rigoureux. En un étonnant kaléidoscope, il nous fait visiter tour à tour les domaines des sciences les plus variés : astrophysique, optique, électromagnétisme, physique des particules, acoustique, biologie, biophysique, éthologie, physiologie. Superman est né sur la lointaine planète Krypton ? Un bon prétexte pour délivrer un fascinant cours d’astrophysique planétaire et gravitationnelle. Superman vole ? Quelle aubaine pour faire comprendre ce que nous avons tous pu observer, à savoir qu’un moineau décolle quasiment sur place en se lançant en l’air puis en battant des ailes, tandis que le flamand doit courir longuement pour s’envoler ! L‘auteur nous explique en effet qu’un oiseau décolle lorsque la force de portance de ses ailes devient supérieure à son poids. Or, la portance est proportionnelle au carré de la vitesse, et la vitesse de course est proportionnelle à la racine carrée de la taille. Conclusion :les grands oiseaux doivent courir plus vite que les petits pour décoller, mais aussi voler plus vite pour se maintenir en l’air. CQFD ! Tout cela est écrit avec beaucoup de verve et d’humour. J’y ai notamment appris qu’une solution capillitractée est une solution tirée par les cheveux. Dieu sait si l’on en trouve, des solutions capillitractées, non seulement dans les devoirs de physique rendus par nos étudiants, mais aussi dans les très sérieux articles scientifiques de nos chers collègues chercheurs ! Même cette préface est capillitractée, dans la mesure où je n’ai toujours pas eu le temps de lire les BD de Superman ! Le physicien Paul Dirac a dit un jour, à propos de son très célèbre collègue Albert Einstein : > Hé bien je puis l’attester ! Que Roland Lehoucq lise un album de Tintin ou qu’il visionne un épisode de Star Trek, il cherche toujours à expliquer > Selon une théorie révisée, avancée pour la première fois en

1960, l’Homme d’Acier tire ses super-pouvoirs non seulement de la faible gravité terrestre mais aussi d’un mystérieux rayonnement > pénétrant la Terre nuit et jour. Superman explique ainsi à Supergirl, en mars 1960, que > Bizarrement, Superman ne fait aucune allusion à la distance qui doit séparer la planète et son soleil jaune. En effet, la quantité de rayonnement, > ou non, qui traverse une surface d’un mètre carré varie comme l’inverse du carré de la distance à la source. Cette relation traduit simplement la conservation de la quantité totale de rayonnement émis. En effet, tout le rayonnement émis par la source traverse forcément la sphère qui passe par l’observateur, dont la surface est proportionnelle au carré de la distance (nous y reviendrons au chapitre 8 au sujet du son, voir la figure 32, page 113). Pour que la quantité de rayonnement reçu par le corps de Superman soit supérieure à la valeur qui assure le fonctionnement de son métabolisme de base, il doit rester suffisamment près de l’étoile jaune sous peine d’être sousalimenté ! Que sont donc ces mystérieux rayons ultrasolaires ? Pour commencer, il est facile de se convaincre qu’ils ne sont pas de la lumière visible. Démonstration. Imaginons que Superman puisse, telle une plante, capter la lumière solaire par la surface de son corps. Son organisme se comporte alors comme une batterie se chargeant grâce à la lumière solaire, et se déchargeant lors de l’utilisation de ses pouvoirs. Chaque mètre carré de la surface terrestre reçoit, en moyenne, 340 watts d’énergie solaire. Dans une région de latitude proche de l’équateur, l’ensoleillement moyen est voisin de 8 heures par jour. Avec une surface totale d’environ 2 mètres carrés (valeur plausible vue ses dimensions), dont la moitié est exposée au Soleil, Superman reçoit donc quotidiennement une énergie d’environ 10 millions de joules. Cette valeur est comparable à la ration alimentaire quotidienne d’un humain normal, qui est de l’ordre de 2 500 kilocalories. Elle est donc tout à fait insuffisante pour assurer le fonctionnement de son super-métabolisme de base. Le Soleil émet bien de la lumière dans des longueurs d’onde plus énergétique que la lumière visible, mais en quantité nettement moins importante car sa température de surface, qui vaut 5 700 degrés, n’est pas assez élevée. Le bilan de notre réflexion permet d’exclure d’emblée 82

LE HÉROS W DE L‘INTÉRIEUR

la lumière solaire sous toutes ses formes : Superman n’est pas une super-plante ! Une propriété de ce rayonnement mystérieux est frappante : il pénètre la Terre nuit et jour, Superman peut s’y alimenter en permanence. Remarquons d’abord que cette simple propriété permet aussi d’exclure le rayonnement solaire visible qui, par définition, n’est utilisable que pendant le jour. Si le mot u rayonnement B évoque souvent la lumière, il f i t aussi utilisé par les physiciens pour désigner l’émission de particules. Ainsi, certains matériaux radioactifs émettent-ils des rayons alpha (des noyaux d’hélium) ou bêta (des électrons ou des positons). Le rayonnement cosmique, découvert en 1912 par le physicien allemand Victor Hess, est constitué de particules de haute énergie. Le Soleil lui-même est source d’un rayonnement de particules dénommé vent solaire. Contient-il des particules capables d’alimenter l’organisme de Superman ? O n peut d’abord exclure les particules possédant une charge électrique. Elles sont essentiellement détournées par l’action du champ magnétique terrestre qui les dirige vers les pôles, où elles produisent de superbes aurores boréales ou australes. Celles dont l’énergie est suffisamment grande pénètrent dans l’atmosphère terrestre où, en frappant les molécules de l’air, elles dissipent leur énergie et forment une gigantesque gerbe de particules secondaires. Alors, Superman peut-il s’alimenter au vent des particules solaires ? Peut-être bien, car dans le vaste bestiaire de la physique des particules, il en existe une qui interagit si peu qu’elle est capable de traverser la Terre entière : le fantomatique neutrino. Là où les choses deviennent intéressantes, c’est que le Soleil émet des neutrinos.. . Une réaction nucléaire ou la désintégration radioactive d’un noyau sont souvent suivies de l’émission d’une particule (un noyau d’hélium, rayonnement alpha, un électron ou un positon, rayonnement bêta) ou d’un photon de haute énergie (rayonnement gamma). La particule émise a une énergie bien

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précise, fixée par la différence d’énergie entre le noyau radioactif et son descendant. À la surprise des premiers physiciens qui étudièrent le rayonnement bêta, l’énergie d’émission des électrons s’étendait continûment de O à une valeur maximale correspondant à l’énergie totale disponible dans le noyau émetteur. Cette observation était d’importance car elle semblait contredire le principe de conservation de l‘énergie : il manquait de l’énergie pour clore le bilan de la réaction. C’est le physicien suisse d’origine autrichienne Wolfgang Pauli (1900-1958), qui, en 1930, pour sauver le principe de conservation de l’énergie, suggère de faire intervenir une particule supplémentaire non observée. Hypothèse hardie pour l’époque car il fallait que la nouvelle particule soit neutre et de masse nulle ; Pauli la qualifia lui-même de remède désespéré. Cette nouvelle particule sera baptisée neutrino, petit neutre », par Enrico Fermi (1901-1954), par opposition au > l’onde dans plusieurs directions, ce qui diminue fortement l’intensité du faisceau principal. Le phénomène de diffraction n’est sensible que si la longueur d’onde du son est comparable ou supérieure à la dimension des obstacles. Elle est ainsi moins sensible sur les ultrasons, dont la longueur d’onde dans l’air est inférieure au centimètre, que sur les sons plus graves dont la longueur d’onde se compte en dizaines voire en centaines de centimètres. Les chauves-souris se repèrent en émettant des ultrasons :à cette longueur d’onde, une onde sonore garde sa directivité, indispensable à la localisation des obstacles. À ces perturbations dues à la propagation, il faut encore ajouter le bruit de fond, émis par toutes les autres sources sonores sans intérêt pour notre héros. 114

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33. Réflexion, réfraction, absorption et diffraction sont les quatre perturbations que peut subir une onde, lumineuse ou sonore.

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Comment Superman va-t-il s’en sortir ? D’abord en le traitement du signal sonore effectué par le cerveau en ne sélectionnant que l’information pertinente. Quand le bruit de fond est trop important, cette méthode se révèle notoirement insuffisante. I1 faut alors s’arranger pour ne capter que le son émis par la source d’intérêt, à la manière dont agissent les antennes directionnelles des radios amateurs. Cela est facile à réaliser. Placez sur votre oreille l’extrémité la plus étroite d’un cône de papier : miracle ! Les sons émis par des sources situées dans la direction vers laquelle pointe le cône sont nettement plus audibles. Ce petit bricolage ne fait que reproduire le très désuet comet acoustique, utilisé par le professeur Tournesol dans les aventures de Tintin et encore en usage au milieu du X X ~siècle. Certains musées scientifiques proposent une expérience pour démontrer l’intérêt du captage et de la focalisation des ondes sonores. I1 s’agit d’une paire de paraboles se faisant face et séparées de quelques mètres. Deux personnes se tournant le dos et chuchotant au voisinage du foyer de chaque parabole peuvent parfaitement s’entendre et discuter, malgré la distance qui les sépare ! Les espions utilisent aussi cette technique pour capter des conversations lointaines. Pour cela, ils utilisent un micro directionnel très sensible, qui ne capte les sons que dans un domaine restreint de directions, placé au foyer d’une petite parabole. Commencez-vous à entrevoir la solution adoptée par Superman ? I1 a de grandes oreilles ! Eh oui, il faut se résoudre à admettre que l’accomplissement de ses exploits acoustiques lui impose d’avoir des oreilles en feuilles de choux qui concentrent les ondes sonores vers l’entrée du conduit auditif (voir la figwe 34). Remarquons au passage que les animaux dotés d’une bonne ouïe, comme le lapin, ont

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34. Si Superman veut capter des sons faibles, il doit se résoudre à être doté d’oreilles de grande taille.

aussi de grandes oreilles... Le dispositif peut être amélioré si, de plus, ses oreilles sont à géométrie variable, c’est-à-dire capable de se déformer quelque peu. Cela permet d’améliorer leur directivité. Ces améliorations, quoique bien pratiques, ne doivent pas faire oublier de prévoir un dispositif de protection pour qu’un Superman doté d’oreilles ultrasensibles ne soit pas littéralement assourdi dans une ambiance sonore normale !

La vitesse est un souci Voilà donc Superman capable de capter des sons de faibles intensités. Les difficultés n’ont pas pour autant disparu car il doit traiter l’information sonore même s’il est en mouvement. Ce détail 117

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semble anodin pour nous autres, pauvres humains dont la vitesse de déplacement est limitée, mais il en ira autrement pour Superman qui peut atteindre, voire dépasser, la vitesse du son. Son problème a un nom : l’effet Doppler. De quoi s’agit-il ? Quand une source sonore et un récepteur se déplacent l’un par rapport à l’autre, la fréquence perçue par le récepteur est différente de la fréquence émise par la source. Si la source et le récepteur se rapprochent, la fréquence perçue est supérieure à la fréquence émise (le son est plus aigu) ; s’ils s’éloignent, la fréquence perçue est inférieure à la fréquence émise (le son est plus grave). Lorsque Von croise une voiture (ou un train), le son de l‘avertisseur semble passer de l’aigu, quand elle s’approche, au grave, une fois qu’elle nous a dépassés. À cause de la vitesse relative entre la source et le récepteur, les sons émis à des instants successifs parviennent au récepteur avec des décalages temporels progressifs que le détecteur, l’oreille par exemple, interprète comme une modification de fréquence (voir la figure 35). La variation relative de fréquence est égale au rapport de la vitesse relative et de la vitesse du son. Une onde sonore se déplaçant, dans l’air, à 330 mètres par seconde environ, l’effet Doppler est facile à percevoir pour des vitesses usuelles, comme celle d’une voiture ou d’un train.

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35. Le son émis par une source en mouvement est perçu à une fréquence différente de la fréquence d’émission :c’est l’effet Doppler. II est perçu plus aigu si la source se rapproche, plus grave si elle s’éloigne.

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Pour Superman, l’effet Doppler jouera un rôle non négligeable dès qu’il se déplacera rapidement, en volant par exemple. À une vitesse égale à la moitié de celle du son (à peu près 165 mètres par seconde ou 600 kilomètres par heure), Superman percevra des fréquences égales au triple de celle émise par la source s’il s’en approche ou au tiers s’il s’en éloigne ; un écart de presque deux Octaves ! Si sa vitesse augmente encore, la fréquence perçue peut même sortir de la gamme audible ! C‘est ennuyeux pour espionner une conversation.. .

Le pouvoir manquant À l’évidence, Superman possède des capacités auditives spectaculaires. Toutefois, on peut s’étonner que ses créateurs ne l’aient pas doté d’une capacité pourtant courante dans le monde animal : l’écholocation. I1 s’agit tout simplement d’un dispositif, que possèdent les chauves-souris, qui permet de localiser des obstacles ou des proies grâce aux ondes sonores. Ce pouvoir aurait pourtant complété sa vision nocturne et amélioré sa perception de la position des malfaiteurs à arrêter. Pour se repérer ou localiser leurs proies, les chauves-souris émettent des ultrasons dans une bande étroite de fréquences et analysent les échos en retour. Une grande proportion des récepteurs auditifs de la chauve-souris et de larges régions de son cerveau sont consacrées à l’analyse d’une étroite bande de fréquences qui correspond à un seul harmonique de l’écho en retour. Elle possède aussi un système de réception et d’analyse des sons particulièrement efficace autour d’une fréquence particulière. L‘effet Doppler, conséquence de la vitesse de la chauve-souris par rapport à sa cible, est alors une gêne considérable, car l’onde sonore réfléchie peut avoir une fréquence située en dehors de la gamme de la fovéa acoustique. Pour contrecarrer le décalage Doppler des échos, la chauve-souris possède une version auditive des saccades oculaires. Elle module en permanence la fréquence des signaux qu’elle émet de façon à ce que 119

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l’écho lui revienne dans la gamme de la fréquence de sa fovéa acoustique, malgré le décalage Doppler. Doter Superman de cette possibilité est probablement moins problématique que de lui permettre de voir des bactéries à l’œil nu.

Ici, Londres ! Aussi incroyable que cela puisse paraître, Superman fut aussi doté, en novembre 1940, de la capacité d’entendre les émissions radiophoniques sans utiliser de récepteur radio ! En 1942, il était même capable de > les ondes radio jusqu’à leur source et en 1946, il suivait à la trace une conversation téléphonique en l’a écoutant >> directement à travers les câbles téléphoniques. Cet étonnant pouvoir faisait aussi partie de ce que les auteurs nommaient