Choses à Savoir SCIENCES

Imaginez une plante enfermée dans une bouteille, sans recevoir une seule goutte d’eau pendant des décennies… et qui continue pourtant à vivre.

C’est l’expérience étonnante réalisée par le Britannique David Latimer.

En 1960, il place dans une grande bouteille en verre d’environ 38 litres du terreau et une plante du genre Tradescantia, également appelée misère. Il ajoute de l’eau et laisse la plante se développer.

Puis, en 1972, il l’arrose une dernière fois et ferme hermétiquement la bouteille.

Depuis, plus rien ou presque n’entre ni ne sort.

Alors comment la plante peut-elle survivre ?

Parce que Latimer a involontairement créé un écosystème miniature presque fermé.

Premier élément indispensable : l’eau.

La plante absorbe l’eau présente dans le sol par ses racines. Une partie est ensuite rejetée sous forme de vapeur par les feuilles, lors d’un phénomène appelé transpiration.

Mais puisque la bouteille est fermée, cette vapeur ne peut pas s’échapper. Elle se dépose sur les parois, se condense en petites gouttes puis retombe dans la terre.

Autrement dit, il pleut en quelque sorte à l’intérieur de la bouteille. L’eau tourne continuellement en circuit fermé.

Deuxième élément : les gaz.

Grâce à la lumière qui traverse le verre, la plante réalise la photosynthèse. Elle utilise du dioxyde de carbone, de l’eau et l’énergie lumineuse pour produire des sucres qui lui servent de nourriture, tout en libérant de l’oxygène.

Mais la plante respire également. Elle consomme une partie de cet oxygène et rejette du dioxyde de carbone, qui pourra ensuite être réutilisé pour la photosynthèse.

Enfin, les nutriments eux-mêmes sont recyclés.

Lorsque certaines feuilles meurent et tombent au sol, des micro-organismes présents dans le terreau les décomposent. Cette matière organique libère des éléments minéraux qui peuvent de nouveau être absorbés par les racines.

Le système n’est toutefois pas totalement isolé.

Une chose essentielle continue d’entrer : l’énergie du Soleil.

C’est elle qui alimente tout le mécanisme. La bouteille est donc presque fermée pour la matière, mais ouverte pour l’énergie.

L’expérience de David Latimer illustre ainsi à petite échelle le fonctionnement d’un écosystème naturel : l’eau et les nutriments y sont continuellement recyclés, tandis que l’énergie provient essentiellement du Soleil.

Dans cette simple bouteille se trouve donc une sorte de Terre miniature… capable de fonctionner pendant des décennies presque toute seule.
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Quand votre téléphone vous indique votre position à quelques mètres près, il utilise une technologie qui dépend directement… de la théorie de la relativité d’Einstein.

Et sans correction, votre GPS accumulerait rapidement des erreurs de plusieurs kilomètres.

Pour comprendre pourquoi, il faut monter à environ 20 000 kilomètres au-dessus de la Terre, là où orbitent les satellites GPS.

Chacun transporte des horloges atomiques extrêmement précises. Le principe est simple : les satellites envoient en permanence des signaux indiquant l’heure exacte à laquelle ils ont été émis. Votre téléphone mesure le temps mis par ces signaux pour arriver jusqu’à lui et en déduit la distance qui le sépare de plusieurs satellites.

Mais il existe un problème étonnant : le temps ne s’écoule pas exactement à la même vitesse dans les satellites et sur Terre.

Et cela tient à deux effets prédits par Einstein.

Le premier vient de la relativité restreinte.

Les satellites GPS se déplacent à près de 14 000 kilomètres par heure. Or, selon Einstein, plus un objet se déplace rapidement, plus son temps ralentit par rapport à celui d’un observateur moins rapide.

Résultat : à cause de leur vitesse, les horloges des satellites retardent d’environ 7 microsecondes par jour.

Mais un deuxième phénomène produit exactement l’effet inverse.

Selon la relativité générale, la gravité modifie elle aussi l’écoulement du temps. Plus la gravité est forte, plus le temps ralentit.

Or les satellites se trouvent très loin de la surface terrestre, là où l’influence gravitationnelle de la Terre est plus faible.

Leurs horloges avancent donc plus vite : environ 45 microsecondes par jour par rapport à celles situées au sol.

Faisons maintenant le calcul.

45 microsecondes d’avance, moins 7 microsecondes de retard : le bilan est d’environ 38 microsecondes d’avance chaque jour.

Cela paraît insignifiant.

Mais la lumière parcourt environ 300 mètres en une microseconde. Un décalage de 38 microsecondes représente donc plus de 11 kilomètres.

Pour éviter cette dérive, les ingénieurs règlent les horloges des satellites de manière à anticiper l’effet relativiste. D’autres corrections sont ensuite appliquées depuis le sol.

Ainsi, chaque fois que vous utilisez Google Maps, suivez un itinéraire en voiture ou qu’un avion détermine précisément sa position, une théorie formulée par Einstein au début du XXᵉ siècle travaille discrètement en arrière-plan.

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Le 7 février 1812, des voyageurs naviguant sur le Mississippi assistent à une scène presque impossible : par endroits, les eaux du gigantesque fleuve semblent soudain remonter vers le nord, à contre-courant.
À l’origine de ce phénomène se trouve l’un des plus puissants tremblements de terre jamais survenus dans le centre des États-Unis.
Depuis décembre 1811, la région de New Madrid, dans l’actuel Missouri, est secouée par une extraordinaire série de séismes. Trois événements principaux atteignent probablement une magnitude supérieure à 7. Celui du 7 février 1812 est particulièrement violent.
Or New Madrid se trouve juste à côté du Mississippi.
Lorsque le sous-sol se fracture, le paysage entier est bouleversé. Certaines zones s’affaissent de plusieurs mètres, tandis que d’autres se soulèvent. Des berges s’effondrent, des îles disparaissent, le sol se liquéfie et de gigantesques quantités de sable et d’eau remontent à la surface.
Mais surtout, le fond même du Mississippi se déforme.
À certains endroits, le mouvement de la faille soulève brutalement le lit du fleuve et forme temporairement des obstacles, voire des sortes de rapides et de petites cascades. L’eau qui descend normalement vers le golfe du Mexique se retrouve soudain freinée.
Elle s’accumule alors derrière ces nouveaux obstacles.
Simultanément, le mouvement du sol engendre d’énormes vagues dans le fleuve. Certaines se déplacent vers l’amont, donc dans la direction opposée au courant naturel.
Pour les marins présents sur place, le spectacle donne l’impression que le Mississippi tout entier s’est mis à couler à l’envers. Des témoignages racontent effectivement que le phénomène aurait duré plusieurs heures.
Il faut cependant apporter une nuance.
Les géologues ne pensent pas nécessairement que tout le débit du Mississippi s’est inversé de manière uniforme. Il s’agissait probablement d’un mélange de reflux locaux, de vagues remontant le courant et de retenues temporaires provoquées par les déformations du lit.
Puis, progressivement, l’eau a franchi ou contourné les obstacles et le courant normal vers le sud s’est rétabli.
Le séisme a néanmoins laissé des traces durables. Des terrains ont été déplacés de plusieurs mètres et le lac Reelfoot, dans le Tennessee, s’est notamment formé à la suite de l’affaissement du sol.
Ainsi, pendant quelques heures en 1812, l’un des plus grands fleuves du monde a semblé défier la gravité.
Mais ce n’était pas le Mississippi qui avait changé de destination.
C’était la terre sous ses eaux qui venait brutalement de changer de forme.
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Cela ressemble à une mauvaise blague sur la littérature : en Angleterre, des millions de livres ont fini sous les roues des automobilistes.
L’histoire se déroule sur la M6, l’une des principales autoroutes britanniques.
Lors de travaux, les ingénieurs cherchent à fabriquer un revêtement capable notamment de réduire le bruit produit par la circulation. Car lorsqu’une voiture roule à grande vitesse, une grande partie du bruit ne provient plus du moteur, mais du contact entre les pneus et la chaussée.
Or, pour obtenir un revêtement plus silencieux, on peut utiliser ce qu’on appelle un asphalte poreux.
Contrairement à une chaussée parfaitement compacte, ce matériau contient une multitude de minuscules espaces remplis d’air.
Ces pores présentent deux avantages.
D’abord, ils permettent à l’eau de pluie de pénétrer dans le revêtement puis d’être évacuée. Cela réduit les projections d’eau et améliore la visibilité lorsqu’il pleut.
Mais surtout, cette structure peut absorber une partie des ondes sonores produites par les pneus, au lieu de les réfléchir vers les automobilistes et les riverains.
Reste un problème : comment fabriquer un asphalte suffisamment poreux sans qu’il devienne fragile ?
C’est ici qu’intervient le papier.
Pour certains revêtements routiers, on ajoute au mélange des fibres de cellulose. Elles jouent notamment un rôle de stabilisateur : elles absorbent une partie du bitume et évitent qu’il ne s’écoule ou ne se sépare des granulats pendant la fabrication, le transport et la pose.
Et la cellulose peut parfaitement provenir de papier recyclé.
Pour des travaux réalisés sur la M6, des millions de livres invendus auraient ainsi été recyclés. Les ouvrages ont été broyés afin d’en récupérer les fibres, ensuite utilisées dans le matériau routier.
On parle d’environ 2,5 millions de livres.
Évidemment, si vous découpez aujourd’hui un morceau de cette autoroute, vous ne trouverez pas un chapitre de roman entre deux cailloux.
Le papier ne constitue qu’une petite partie du matériau. Une fois transformées, ses fibres sont mélangées au bitume et aux granulats qui forment l’essentiel du revêtement.
Et contrairement à ce que l’on pourrait imaginer, ce ne sont pas directement les propriétés acoustiques du papier qui rendent principalement la route plus silencieuse.
Les fibres permettent surtout de fabriquer et de stabiliser un revêtement poreux. C’est principalement cette porosité qui contribue ensuite à absorber le bruit.
Voilà comment des livres que personne n’avait achetés ont trouvé une seconde vie particulièrement inattendue.
Ils n’ont pas été lus.
Mais ils ont tout de même fini par faire partie d’une grande histoire : celle d’une autoroute britannique.
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Tous les ordinateurs qui nous entourent fonctionnent essentiellement avec deux chiffres : 0 et 1.
C'est ce qu'on appelle le système binaire.
À l'intérieur d'un processeur, ces deux valeurs correspondent à deux états physiques distincts, par exemple deux niveaux de tension électrique. Chaque unité d'information ainsi représentée constitue un « bit ».
Mais pourquoi seulement deux états ?
En théorie, rien n'interdit d'en utiliser trois.
C'est précisément le principe d'un ordinateur trinaire, parfois appelé ordinateur ternaire.
Au lieu de manipuler des bits pouvant prendre les valeurs 0 ou 1, il utilise des « trits », capables de représenter trois valeurs.
On peut choisir 0, 1 et 2. Mais une solution particulièrement intéressante consiste à utiliser -1, 0 et +1. On parle alors de système ternaire équilibré.
Cette différence paraît minuscule. Pourtant, elle change profondément la manière dont les nombres sont représentés.
Prenons un exemple très simple.
Avec deux bits binaires, on peut représenter quatre combinaisons différentes : 00, 01, 10 et 11.
Avec deux trits, on en obtient neuf.
À nombre égal d'unités, le système ternaire peut donc transporter davantage d'information. Certaines opérations mathématiques peuvent également être réalisées de manière particulièrement élégante avec le ternaire équilibré, notamment lorsqu'il faut manipuler des nombres positifs et négatifs.
Et contrairement à ce qu'on pourrait croire, cette idée n'est pas purement théorique.
En 1958, à l'université d'État de Moscou, une équipe dirigée par l'ingénieur soviétique Nikolaï Broussentsov, avec notamment le mathématicien Sergueï Sobolev, développe un véritable ordinateur ternaire.
Son nom : Setun.
La machine utilise le ternaire équilibré et devient l'exemple historique le plus célèbre d'ordinateur fonctionnant réellement selon cette logique.
Setun sera même produit à plusieurs dizaines d'exemplaires et utilisé dans différentes institutions soviétiques.
Alors pourquoi nos ordinateurs actuels ne fonctionnent-ils pas avec trois états ?
Principalement parce que l'électronique binaire s'est révélée extrêmement pratique.
Avec deux états électriques clairement séparés, il est relativement facile de distinguer un 0 d'un 1, même lorsqu'un signal est légèrement perturbé. Avec trois niveaux, il faut distinguer plus finement les états, ce qui complique la conception des circuits et peut réduire leur tolérance au bruit.
Surtout, toute l'industrie informatique s'est développée autour du binaire : transistors, processeurs, mémoires, logiciels et standards.
Mais le ternaire n'a pas totalement disparu.
Des chercheurs continuent d'étudier des composants capables de manipuler plusieurs états logiques, notamment pour certaines architectures émergentes.
Setun rappelle donc quelque chose d'essentiel : le règne du 0 et du 1 n'est pas une loi fondamentale de l'informatique.
C'est avant tout un choix technologique.
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