Choses à Savoir SCIENCES

Lorsque les astronautes américains ont marché sur la Lune, ils n’ont pas seulement rapporté des roches. Ils y ont aussi laissé plusieurs instruments scientifiques. Parmi eux, des sortes de miroirs qui servent encore aujourd’hui.

Mais leur fonction est particulière : ce ne sont pas de simples miroirs. Il s’agit de « rétro-réflecteurs », constitués de nombreux petits prismes capables de renvoyer un rayon lumineux exactement dans la direction d’où il vient.

Les missions Apollo 11, Apollo 14 et Apollo 15 ont déposé ce type de dispositif sur la surface lunaire. Le principe est simple : depuis la Terre, des observatoires envoient de très puissantes impulsions laser vers la Lune. Une infime partie de cette lumière atteint les réflecteurs, puis revient vers notre planète.

En chronométrant avec une extrême précision le temps mis par la lumière pour effectuer cet aller-retour, les scientifiques peuvent calculer la distance entre la Terre et la Lune.

Comme la lumière voyage à environ 300 000 kilomètres par seconde, l’aller-retour dure environ 2,5 secondes. Aujourd’hui, cette méthode, appelée « télémétrie laser lunaire », permet de mesurer la distance Terre-Lune avec une précision remarquable, de l’ordre de quelques millimètres dans les meilleures conditions.

Ces mesures ont permis une découverte importante : la Lune s’éloigne progressivement de la Terre, d’environ 3,8 centimètres par an.

Ce phénomène est lié aux marées. L’attraction de la Lune déforme légèrement les océans terrestres. Comme la Terre tourne plus vite que la Lune ne tourne autour d’elle, une partie de l’énergie de rotation terrestre est progressivement transférée à l’orbite lunaire. Résultat : la rotation de notre planète ralentit très légèrement, tandis que la Lune s’éloigne.

Ces réflecteurs servent aussi à tester certaines théories fondamentales de la physique, notamment la relativité générale d’Einstein. En étudiant précisément le mouvement de la Lune, les chercheurs peuvent vérifier si la gravitation se comporte exactement comme le prédit la théorie.

Autre fait étonnant : les scientifiques utilisent toujours ces équipements plus d’un demi-siècle après leur installation. Aucun astronaute n’est évidemment allé les entretenir.

Et les Américains ne sont pas les seuls à avoir installé de tels dispositifs. Les missions soviétiques Lunokhod ont elles aussi déposé des réflecteurs sur la Lune.

Ainsi, ces petits panneaux abandonnés sur le sol lunaire constituent l’une des expériences les plus durables du programme Apollo : depuis les années 1960 et 1970, ils permettent encore de mesurer, depuis la Terre, les mouvements de notre satellite naturel avec une précision extraordinaire.
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Depuis la pandémie de Covid-19, le gel hydroalcoolique est devenu pour beaucoup un réflexe presque automatique. Pourtant, face à certains microbes, il est beaucoup moins efficace qu’on pourrait le croire. C’est notamment le cas d’un virus responsable de nombreuses gastro-entérites : le norovirus.

Le norovirus provoque généralement des vomissements, des diarrhées et des douleurs abdominales. Très contagieux, il circule particulièrement pendant les mois froids et peut provoquer des épidémies spectaculaires dans les écoles, les maisons de retraite, les hôpitaux ou encore les bateaux de croisière.

Les recherches menées sur ce virus, notamment au laboratoire du virologue Johan Neyts à la KU Leuven, en Belgique, mettent en évidence son extraordinaire capacité de transmission. On estime qu’une quantité infime, de l’ordre de quelques dizaines de particules virales — parfois seulement 18 — peut suffire à provoquer une infection.

Mais pourquoi résiste-t-il si bien au gel hydroalcoolique ?

Une partie de l’explication vient de sa structure. Contrairement au coronavirus ou au virus de la grippe, le norovirus est un virus dit non enveloppé. Il ne possède pas la membrane graisseuse externe que l’alcool détruit très efficacement chez de nombreux autres virus. Il est entouré d’une coque protéique particulièrement robuste.

Résultat : les solutions hydroalcooliques peuvent diminuer la quantité de norovirus présente sur les mains, mais elles ne constituent pas la méthode la plus fiable pour s’en débarrasser.

Le geste le plus efficace reste beaucoup plus classique : se laver soigneusement les mains à l’eau et au savon pendant au moins une vingtaine de secondes, en frottant toutes les surfaces des mains. Ici, l’action est notamment mécanique : le savon et le rinçage permettent de décrocher les particules virales de la peau puis de les évacuer dans l’eau.

Cette précaution est particulièrement importante après être allé aux toilettes, après avoir changé une couche et avant de préparer ou de consommer des aliments.

Même problème avec les surfaces. Après des vomissements ou des diarrhées, un simple spray à base d’alcool peut être insuffisant. Des produits spécifiquement efficaces contre le norovirus, notamment ceux à base d’hypochlorite de sodium, c’est-à-dire d’eau de Javel utilisée selon les recommandations de dilution, sont privilégiés.

Le norovirus nous rappelle donc une chose essentielle : désinfecter ses mains et les laver ne sont pas exactement la même chose. Face à ce virus particulièrement tenace, le bon vieux savon conserve un sérieux avantage.
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Combien d’êtres humains la Terre peut-elle réellement nourrir ? 8 milliards ? 10 milliards ? 15 milliards ? En réalité, il n’existe pas de chiffre unique, car tout dépend de ce que nous mangeons et surtout de la manière dont nous produisons notre nourriture.

L’une des études les plus précises sur le sujet a été publiée en 2020 dans Nature Sustainability par une équipe internationale dirigée par Dieter Gerten, du Potsdam Institute for Climate Impact Research. Les chercheurs ont étudié simultanément quatre grandes limites écologiques : l’utilisation des terres, l’eau douce, l’azote et la préservation des écosystèmes.

Leur résultat est spectaculaire. Avec notre système agricole actuel, si l’on respectait strictement ces limites environnementales, la planète ne pourrait fournir une alimentation équilibrée, estimée à environ 2 355 calories par personne et par jour, qu’à 3,4 milliards d’humains. Cela signifie qu’une grande partie de notre production actuelle dépend déjà d’une utilisation des ressources jugée non durable.

Mais les mêmes chercheurs arrivent à un résultat très différent lorsque l’agriculture est réorganisée : meilleure utilisation de l’eau et des engrais, cultures installées aux endroits les plus adaptés, réduction du gaspillage et modification de notre alimentation. Dans ce scénario, la Terre pourrait nourrir environ 10,2 milliards de personnes tout en restant dans les quatre limites écologiques étudiées.

Pourquoi une telle différence ? Notamment parce qu’une partie considérable des cultures ne nourrit pas directement les humains. Une étude publiée en 2013 dans Environmental Research Letters calculait que 36 % des calories issues des cultures mondiales étaient destinées à l’alimentation animale. Or seule une petite partie revient ensuite dans notre alimentation sous forme de viande, de lait ou d’œufs. Les auteurs estimaient qu’en consacrant toutes les cultures directement consommables à l’alimentation humaine, on pourrait théoriquement augmenter de 70 % les calories disponibles et nourrir jusqu’à 4 milliards de personnes supplémentaires.

Une autre étude majeure publiée dans Nature en 2018 aboutissait à une conclusion similaire : nourrir une population mondiale proche de 10 milliards sans dépasser plusieurs limites environnementales exige de combiner trois leviers : une agriculture plus efficace, beaucoup moins de gaspillage et une alimentation contenant globalement davantage de végétaux et moins de produits animaux. Aucune de ces mesures ne suffit seule.

Ainsi, demander combien d’humains la Terre peut nourrir revient presque à poser une autre question : comment voulons-nous manger ?

Avec un système optimisé et relativement durable, la recherche scientifique suggère qu’environ 10 milliards d’êtres humains constituent un objectif techniquement envisageable. Mais nourrir beaucoup plus nécessiterait soit des progrès agricoles considérables, soit une pression croissante sur les ressources de la planète.
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Le 6 avril 1984, la navette spatiale Challenger décolle pour la mission STS-41C. À son bord se trouvent cinq astronautes, plusieurs expériences scientifiques… et environ 3 300 abeilles. Leur présence n’a rien d’une fantaisie : les chercheurs veulent répondre à une question étonnante. Les abeilles sont-elles capables de construire leurs célèbres alvéoles en l’absence de pesanteur ?

L’expérience est née dans le cadre d’un programme éducatif de la NASA. Elle avait été proposée par un étudiant américain, Dan Poskevich, et portait officiellement sur la comparaison des rayons construits par des abeilles sur Terre et dans l’espace.

Pourquoi cette question intéressait-elle les scientifiques ?

Sur Terre, les abeilles construisent des rayons composés de cellules hexagonales extrêmement régulières. Mais la gravité fournit en permanence une direction : le haut et le bas. On pouvait donc se demander si les abeilles utilisaient cette information pour s’orienter et donner à leur construction sa forme caractéristique.

Les insectes furent enfermés dans un module spécialement conçu, installé dans la partie habitable de Challenger. Une reine se trouvait avec les ouvrières, tandis qu’une colonie comparable restait sur Terre afin de servir de groupe témoin.

Les premiers instants furent quelque peu chaotiques. En apesanteur, les abeilles ne pouvaient évidemment plus voler de la même manière : sans poids, leur façon de contrôler leurs déplacements était profondément perturbée.

Mais elles s’adaptèrent remarquablement vite.

Au cours de la mission, qui dura près de sept jours, les abeilles commencèrent à construire un rayon. Et à la surprise des chercheurs, celui-ci ressemblait largement à un rayon normal. Selon le rapport de l’expérience, elles produisirent environ 30 pouces carrés de rayon, soit près de 200 cm², et la reine pondit 35 œufs.

Les astronautes constatèrent également que les abeilles avaient progressivement appris à se déplacer dans l’environnement en apesanteur. Elles pouvaient marcher, flotter et même se déplacer en vol dans le module.

Cette expérience révélait donc quelque chose de fascinant : la capacité des abeilles à construire des structures régulières ne dépend pas entièrement de la gravité. Une grande partie de leur comportement repose sur des mécanismes biologiques innés et sur d’autres repères sensoriels.

L’expérience avait aussi un intérêt plus général. Si l’humanité devait un jour vivre durablement dans l’espace, il faudrait comprendre comment les animaux, les plantes et les écosystèmes réagissent à la microgravité.

En 1984, 3 300 petites passagères de Challenger contribuaient déjà à répondre à cette immense question.
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Aujourd’hui, écrire le nombre 10, calculer avec zéro ou parler d’infini nous paraît parfaitement naturel. Pourtant, pendant des siècles, ces notions ont posé d’immenses difficultés aux mathématiciens. Et sur ce terrain, les savants indiens ont pris une avance remarquable sur l’Europe.

Commençons par le zéro. Plusieurs civilisations anciennes avaient déjà utilisé un symbole pour signaler une absence. Les Babyloniens, par exemple, disposaient d’un signe servant à marquer une position vide dans leurs nombres. Mais en Inde, cette idée va beaucoup plus loin.

Le célèbre manuscrit de Bakhshali, découvert dans l’actuel Pakistan, contient de nombreux petits points utilisés comme des zéros de position. Certaines feuilles ont été datées de plusieurs siècles avant notre ère chrétienne tardive, même si la datation exacte du manuscrit reste discutée.

La véritable révolution intervient surtout au VIIe siècle avec le mathématicien indien Brahmagupta.

En 628, dans son traité Brahmasphutasiddhanta, il traite explicitement le zéro comme un nombre à part entière. Il établit des règles de calcul : lorsqu’on ajoute zéro à un nombre, celui-ci ne change pas ; lorsqu’on multiplie un nombre par zéro, on obtient zéro.

Cela peut sembler évident aujourd’hui. Mais à l’époque, conceptualiser le « rien » comme un nombre avec lequel on pouvait effectuer des opérations constituait un immense saut intellectuel.

Brahmagupta travaille également avec les nombres négatifs, qu’il décrit notamment à l’aide des notions de dettes et de fortunes. Là encore, les mathématiques européennes mettront longtemps à accepter pleinement les nombres inférieurs à zéro.

Et l’infini ?

C’est ici que les mathématiciens indiens rencontrent une difficulté qui continue d’occuper les mathématiques modernes : que se passe-t-il lorsqu’on divise par zéro ?

Brahmagupta propose certaines règles, mais se trompe encore sur plusieurs points. Quelques siècles plus tard, au XIIe siècle, Bhaskara II développe l’idée qu’une quantité divisée par zéro conduit vers une grandeur infinie. Ce n’est pas notre définition moderne de l’infini, mais le raisonnement montre jusqu’où les savants indiens avaient poussé leur réflexion.

Ces connaissances vont ensuite circuler vers le monde arabo-musulman, puis vers l’Europe. Le système de numération dit aujourd’hui « arabe » est d’ailleurs essentiellement un système indo-arabe, transmis à l’Occident notamment à partir du Moyen Âge.

Le paradoxe est donc saisissant : plusieurs siècles avant que le zéro ne s’impose réellement en Europe, les mathématiciens indiens avaient déjà compris qu’il ne représentait pas seulement « rien ».

Ils en avaient fait un outil mathématique — et, sans lui, ni algèbre moderne, ni informatique, ni monde numérique tel que nous le connaissons aujourd’hui.
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