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de la recherche !

Par Jean-François Dars & Anne Papillault

photo André Kertész

WHAT DOES NATURE WANT? / QUE VEUT LA NATURE ?

Nature makes the best of her shortcomings. As we all do.

La Nature fait au mieux avec ses défauts. Tout comme nous.

 

Eric Cornell
18 Déc, 2017
Tapuscrit...

Eric Cornell – Que veut la Nature ? C’est une question très importante, parce que la Nature obtient presque toujours ce qu’elle veut. Donc inutile d’essayer de comprendre ce que veut la Nature, le meilleur moyen d’avoir la réponse est de lui poser la question ! Faisons une expérience, je suis un physicien expérimental, je prends dans ma poche vingt-cinq billes, vingt-cinq petites boules en verre, je les jette en l’air, je me cache les yeux, j’attends un petit peu, j’attends que la Nature m’annonce sa volonté. J’ouvre les yeux et je vois la réponse ! Je vois que la Nature est un peu comme moi. Elle est paresseuse. Qu’est-ce que je veux dire par là ? Pourquoi rester debout si je puis m’asseoir sur une chaise ? Pourquoi m’asseoir sur une chaise si je peux me coucher par terre ? Je suis paresseux. Et je vois que pour la Nature, c’est pareil, les billes sont toutes par terre, pas au plafond, pas sur les murs. La Nature a envie d’être paresseuse. Ce que je vois d’autre dans la Nature, c’est qu’elle est encore comme moi : elle est désordonnée. Regardez mon bureau, il n’y a aucun ordre, juste des papiers empilés, ce n’est pas très beau, et si je regarde par terre, les billes ont roulé dans tous les sens, au lieu d’être rangées, cinq par cinq, vingt-cinq petites boules dans une boîte, non, elles sont répandues partout. Ça fait désordre. La Nature, tout comme moi, est désordonnée et paresseuse, mais il s’avère que la Nature ne peut pas être les deux à la fois ! C’est ce que je pourrais appeler la Grande Dialectique du monde de la Nature, le combat entre la paresse et le désordre. On ne peut pas avoir les deux. Si la Nature voulait mettre ces billes dans un désordre maximum, il devrait y en avoir au plafond, d’autres par terre, d’autres sur les murs, d’autres à mi-chemin, flottant dans l’air, mais ça n’arrive jamais, parce que ce n’est pas un travail pour paresseux. Elle ne peut pas être maxi-paresseuse et maxi-désordonnée en même temps…

Comment est-ce que la Nature choisit ? Il s’avère qu’on peut comprendre une grande partie de ce qui se passe dans l’Univers si l’on comprend que la Nature essaie de trouver le compromis parfait entre la paresse et le désordre. Et ce compromis est obtenu en rendant le plus petit possible un nombre que j’appelle F, le chiffre du compromis… Et comme il doit être petit, au lieu de l’appeler paresse, je vais l’appeler « opparesse », l’opposé, l’absence de paresse… Elle veut avoir le moins d’absence de paresse possible. Et donc, ce chiffre du compromis, je pourrais presque dire que c’est pareil, il doit être égal à la non-paresse, et alors il me faut un désordre élevé ! Je mets un signe moins, non-paresse moins désordre… Et là on dit, bon, il faut qu’il soit le plus petit possible, mais il s’avère que parfois la Nature s’occupe plus du désordre et d’autres fois elle s’occupe plus de la non-paresse ! Donc nous allons avoir un taux de change, que j’appelle T, pour le facteur de compromis… Et ça, essayer de minimiser ça, c’est exactement ce que fait la Nature, et en physique, bien entendu, on ne dit pas non-paresse, ou désordre, on dit énergie, on dit entropie, et pour la variable de compromis on dit température… Beaucoup de la physique, beaucoup de la biologie et de la chimie que nous sommes à même de comprendre n’est que la Nature essayant de satisfaire simultanément ses deux vices, ses deux mauvaises habitudes, le désordre et la paresse simultanément, elle ne peut pas faire les deux, c’est une question de température…

Un dernier exemple : vous avez une boîte, dans cette boîte vous avez de l’eau, ce peut être de l’eau liquide, de la glace ou de la vapeur d’eau. Si ce jour-là la température est très, très basse, T est très bas, donc T multiplie l’entropie (le désordre ce n’est pas très important), la Nature cherche à minimiser l’énergie. Si toutes les molécules sont collées ensemble, c’est de la glace, quand la température est basse, la glace minimise ce nombre, appelé énergie libre. Si la température est très, très élevée, l’énergie n’est pas très importante, l’entropie, le désordre, est important. Et de fait, si nous faisons monter la température très haut, nous voyons de la vapeur d’eau dans l’air, pas de l’eau liquide, pas de la glace… Donc c’est intéressant de se demander : qu’est-ce que veut la Nature ? Et c’est un peu troublant de voir qu’elle a, comme moi, quelques mauvaises habitudes qui sont très importantes… Je vous ai décrit la Nature comme une personne avec de mauvaises habitudes, en fait je ne pense pas comme ça. Je crois que la Nature n’est que l’ordre de l’Univers tel qu’il se présente à nous, comment il se dévoile, et nous essayons de comprendre, mmm, et comme nous sommes des personnes, quand nous essayons de comprendre les choses, nous pensons à des personnes, peut-être que je pense la Nature comme une personne, mais en fait pas vraiment…

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Transcript...

Eric Cornell – What does Nature want? It’s a very important question because Nature almost always gets what Nature wants, so we shouldn’t try to understand what Nature wants and the easiest way to find the answer is to ask her! I’ll do an experiment, I’m an experimental scientist, I reach into my pocket, I take twenty-five marbles, twenty-five small glass balls, and I throw them into the air, I cover my eyes and I wait a little while, I wait for Nature to tell me what it is she wants. I open my eyes and I see the answer! I see that Nature is kind of like me. She’s lazy. What do I mean by lazy? Why should I stand up if I can sit in a chair? Why should I sit on a chair if I can lie on the floor? I’m lazy… And I see that Nature is the same way, the marbles are all on the floor, they are not all on the ceiling, they are not all on the wall. Nature wants to be lazy. The other thing that I see about Nature is that she’s also like me: she’s sloppy. You look around my office, my office is disorganized, just piles of paper, it’s not beautiful, and I look on the floor and the balls have rolled all over the place, they are not in a perfect row of five times five times five times five, twenty-five little marbles all on a box, no, they are spread everywhere. That is sloppy. Nature, like me, is sloppy and lazy, but! I turns out, Nature cannot do both of these at the same time! There is, maybe I would call it The Great Dialectic of the natural world, is the struggle between laziness and sloppiness. You can’t have both. If Nature wanted these marbles to be maximally sloppy, some should be on the ceiling, some should be on the floor, some should be on the wall, some half-way in-between, floating in the air, but that never happens, because that’s not a very lazy thing to do. She can’t be maximally lazy and maximally sloppy at the same time…

How does Nature make this choice? It turns out, we can understand much of what happens in the Universe by understanding Nature trying to find the perfect compromise between laziness and sloppiness. And that compromise comes from making as small as possible this number I’ll call F which is the figure of compromise… And, we want to be small, I mean instead of calling it laziness, I’m gonna call it “oppiness”, the opposite of unlazy… She wants to have as little unlaziness as possible. So, this figure of compromise, I’m just gonna say it’s the same, it’s gonna be equal to unlaziness, and then I want the sloppiness to be big! So, I’ll put a minus sign, unlaziness minus sloppiness. And you say, okay, I want to make this as small as possible, but it turns out on some days, Nature is more concerned about sloppiness, and on other days she’s more concerned about unlaziness! So we’ll have an exchange rate, which I wanna call T, for the trade-off factor… And this thing, trying to minimize this, is exactly what Nature does, and in physics, of course, we don’t really call it unlaziness and sloppiness, we call it energy, we call it entropy, and this trade-off variable we call it temperature… So much of physics, so much of biology and chemistry we can understand, is Nature trying to satisfy at the same time her two vices, her two bad habits, her sloppiness and her laziness at the same time, she can’t do both, it has to do with the temperature…

One final example: if you had a box, and inside the box you had some water, maybe there’d be some water, some liquid water, some ice and some water vapor. If it’s on a day where the temperature is very, very small, T is very small, then T multiplies the entropy, the sloppiness, that’s not very important, Nature concentrates on minimizing the energy. Having the water molecules all sticking together, it’s ice, when the temperature is low, ice minimizes this number called the free energy. If the temperature is very, very high, the energy is not very important, the entropy, the sloppiness, is important. And indeed, if we make the temperature very high, we see vapor inside the air, not water, not liquid, not ice… So, it’s interesting to ask the question: what is it that Nature wants? And it’s a little disturbing to find that she, like me, has some bad habits and these are very important… I have been describing Nature as a person with bad habits, I don’t actually believe that. I believe that Nature is just the order of the Universe as it presents itself to us, and how it unfolds, and we try to understand that, mmm, because we are people, when we try to understand things we think about people, maybe I think about Nature as a person, but not really…

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A physicist at JILA, National Institute of Standards and Technology, and a professor at the University of Colorado at Boulder, Eric Cornell was able to synthesize the first Bose-Einstein Condensate, for which he was awarded the Nobel Prize. Together with his team, he is actually focusing on the precision measurement of the electron’s electric dipole using trapped molecular ions.*

Physicien au JILA, National Institute of Standards and Technology et professeur à l’université du Colorado à Boulder, Eric Cornell est l’auteur de tout premier condensat de Bose-Einstein, ce qui lui valut le Prix Nobel. La recherche actuelle de son équipe porte sur la mesure de précision du dipôle électrique de l’électron à l’aide d’ions moléculaires piégés