loi de conservation du moment cinétique

En 1934, Jean Leray a prouvé que les équations de Navier–Stokes ont toujours des solutions « au sens généralisé ». Si la solution reste lisse ou peut se briser en une singularité, il ne l'a pas su, et personne ne l'a su pendant quatre-vingt-dix ans. En 2000, l'Institut Clay a fait de la question l'un de ses sept problèmes du Millénaire.

L'eau d'un réservoir tourne à près de quatre tours par seconde, et voilà qu'apparaît comme par magie une colonne de la taille d'une table de salle à manger. Le tourbillon vit des dizaines de tours, alors que tout autour de lui bouillonne et tremble. D'où vient une telle stabilité ? Le secret, c'est que le tourbillon n'est pas isolé.

Le sculpteur regarde un bloc de marbre et y voit une figure à libérer de l'excédent. Au lieu d'ajouter de l'argile, il enlève tout ce qui n'appartient pas à la forme.

Deux réservoirs d'encre se tiennent de part et d'autre de la jonction cellulaire. De là, deux types de monomères s'écoulent sur la membrane et, lorsqu'ils se rencontrent, forment des gouttes visqueuses de complexes. Les gouttes bougent à peine, tandis que les monomères libres filent rapidement, comme des molécules de parfum dans une pièce.

Une pierre lancée décrit une courbe, mais une planète autour du Soleil suit une courbe fermée. Pourquoi une ellipse plutôt qu'un cercle ou une spirale ? La première loi de Kepler donne la réponse, mais sa démonstration exige d'ordinaire des calculs complexes. Ce travail propose un chemin plus court — à travers un simple rapport de vitesses.

Dans l'aimant d'un IRM, le courant circule dans une boucle supraconductrice fermée — comme l'eau qui tourne en rond dans un seau, lancée une fois pour toutes et qui continue toute seule.

Imaginez une corde tendue entre deux chevilles. Le moindre effleurement la fait vibrer, et la hauteur du son révèle comment on l'a touchée. Des physiciens de l'Université de l'Arizona ont tendu une corde semblable, non pas sur un instrument de musique, mais sur une membrane de silicium d'une centaine de nanomètres d'épaisseur.

Un faisceau laser ressemble à un tourbillon rapide qui capture un instant un électron qui passe. Pendant que la particule traverse l'impulsion, son spin (la rotation propre, comme celle d'une petite toupie) subit une faible poussée.

Un pendule pesant quelques grains de sable se balance au bout d'un fil de verre extrêmement fin. Ses mouvements sont si faibles que les chocs thermiques des molécules d'air semblent être un ouragan. Mais c'est précisément un tel pendule qui détient la clé pour observer les merveilles quantiques dans le monde des objets de grande taille.

Un disque de gaz et de poussière tourne autour de la jeune étoile HV Tau C, presque vu par la tranche. Le télescope James Webb a analysé son spectre et a remarqué une émission d'hydrogène moléculaire chaud (H₂). Elle révèle un large vent bilatéral qui jaillit des régions internes bien au-delà du disque.

Soixante-douze disques d'accrétion — des cocons tourbillonnants de gaz et de poussière cosmique — ont été scrutés par l'instrument MIRI à bord du James Webb. La plupart d'entre eux libèrent des flux dans l'espace : des structures coniques denses et de fines gerbes à grande vitesse.

Deux cent quatre-vingt-neuf jours — c'est la durée d'une rotation de la naine blanche WD 1532+129. Ce n'est pas qu'un simple record : à sa surface, près des pôles magnétiques, apparaissent des cicatrices de fer et d'autres métaux — des témoins silencieux des planètes qu'elle a englouties.

89 millisecondes. C'est la durée d'une avalanche de vortex qui accélère brusquement la rotation du pulsar Vela — l'un des pulsars les plus célèbres pour ses glitches. Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide, nées de l'effondrement de supernovae.

Une minuscule bille aimantée flotte dans le vide, maintenue par des champs invisibles. Elle se met à tourner autour de l'axe du champ magnétique — tout comme une toupie qu'on aurait légèrement poussée. C'est la précession. Mais lorsque la bille devient très petite, les lois quantiques entrent en jeu.

Tous les 165 jours, la planète géante plonge vers son étoile, effleurant presque sa couronne de feu, puis s'envole dans le vide glacé. C'est TIC 241249530 b — une exoplanète avec une excentricité record de 0,94.

Un petit compagnon, tel un nageur, fend les couches invisibles de gaz dans l'enveloppe gonflée d'une géante rouge. Chaque orbite excite un sillage acoustique — des ondes de compression qui traversent le plasma.

En 1915, Albert Einstein et Wander Johannes de Haas ont montré que lorsqu'on aimante une barre de fer, celle-ci tourne légèrement — le moment angulaire des électrons est transmis au réseau cristallin.

Dans un monde où les nombres de Reynolds sont infimes, l'eau se transforme en sirop visqueux et les méthodes de nage habituelles cessent de fonctionner. Ici règne le redoutable théorème du peigne : les mouvements symétriques ne produisent aucune progression. Les micro-organismes ont trouvé la parade : ils font pousser des queues polymères.

Le SETI a chassé pendant des décennies les sphères de Dyson — des coquilles hypothétiques qui captent la lumière d'une étoile et la réémettent en infrarouge. Mais le cosmos reste muet. Peut-être qu'une intelligence extraterrestre agit avec plus d'élégance : au lieu de collecter la lumière, elle dompte la rotation de l'astre, comme un volant d'inertie géant.

Il y a deux mille ans, dans la constellation de l'Éridan, brillait un phare lumineux, inscrit dans les registres des astronomes antiques. Hipparque, en 129 avant J.-C., le nota comme une étoile de première magnitude ; Ptolémée, dans l'Almageste, confirma son éclat ; et le savant perse al-Soufi, en 964, le voyait encore parmi les plus brillantes.

Le moteur de distorsion repose sur l'idée d'Einstein selon laquelle les corps massifs courbent le courbure de l'espace-temps — cette scène même où se déroulent tous les événements cosmiques. Imaginez une bulle d'espace-temps courbé.

Le vide cosmique n'est pas un néant, mais un océan vivant : son énergie monte et descend au rythme de l'expansion. Comme la marée lunaire, la densité du vide répond avec sensibilité à la baguette de chef d'orchestre de l'Univers qu'est le paramètre de Hubble.

Le cristal de tellure ressemble à un minuscule escalier en colimaçon : ses atomes sont enroulés en spirale. Lorsque la chaleur traverse un tel cristal, elle n'est pas transportée par les électrons, mais par des ondes sonores — les vibrations du réseau lui-même. Ces ondes ne se contentent pas de pousser d'avant en arrière ; elles tournent aussi sur elles-mêmes, comme une toupie lancée.

Le noyau atomique lourd du californium-252 peut se briser spontanément en deux gros fragments — cela ressemble à une goutte d'eau qui éclate. Mais à l'intérieur d'une telle goutte, les lois quantiques agissent, et chaque fragment reçoit sa propre rotation — le spin.

Un minuscule aimant flotte dans un piège magnétique, telle une aiguille en apesanteur. Son axe magnétisé est comme l'aiguille obstinée d'une boussole à qui l'on interdit de tourner. Devant elle se dresse un mur invisible.

Le sucre s'est dissous dans le thé, puis, d'un seul geste, il se rassemble dans la cuillère. Dans une cuisine ordinaire, on ne voit jamais cela – la viscosité et le désordre l'empêchent. Mais dans le monde des mouvements ultra-lents, où l'inertie disparaît, de tels tours deviennent réalité.

Une cuillère chaude dans une tasse de thé : la chaleur court le long du métal, de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide. Dans les manuels, ce processus est décrit comme un tremblement des atomes qui se transmettent des chocs. Mais les atomes ne se contentent pas de trembler : ils pivotent aussi, comme de minuscules toupies.

La lumière n'est pas seulement des rayons, mais des ondes qui peuvent tourbillonner, comme un couple en danse. Leur rotation totale est appelée par les physiciens moment angulaire orbital, et on pensait qu'elle obéissait à la loi de conservation découlant des symétries de la nature, découvertes par Emmy Noether.

L'eau dans un tuyau en anneau, propulsée par une pompe, ne s'arrêtera pas même si l'on pince une section : le flux trouvera un chemin de contournement et continuera de tourner en rond. C'est à peu près ainsi que sont agencées certaines parties de notre système circulatoire — non pas comme des tuyaux isolés, mais comme des boucles fermées.

Le pulsar de la nébuleuse du Crabe clignote comme un phare : toutes les 33 millisecondes, il émet une impulsion radio, et ce, avec la précision d'une horloge atomique.

Une toupie ordinaire lancée sur une table ralentit progressivement : le frottement de l'air et du support finit par dissiper l'énergie. Mais si la toupie est en lévitation dans un champ magnétique et ne touche presque rien, sa rotation peut se comporter de manière étonnamment capricieuse.

L'espace-temps, à des distances extrêmement petites, évoque un écran numérique : il n'est pas lisse, mais constitué de minuscules « pixels ».

Il y a cent ans, la mécanique quantique offrait au monde une image cohérente : la rotation d'une particule autour d'un point ne peut se faire qu'avec des quantités bien précises de moment cinétique, des nombres entiers multipliés par la constante de Planck.

Un conteneur fiable plutôt qu'un tube à essai fragile : c'est ainsi que l'on peut décrire le passage des pièges pour radicaux chimiquement réactifs au confinement de molécules stables. Jusqu'à présent, les pièges magnéto-optiques ne fonctionnaient qu'avec des particules prêtes à réagir au premier contact.