Quel est l'un des objets les plus mystérieux de l'Univers ?
Réponse : l'eau !
Nombres des propriétés physiques et chimiques de l'eau sont
en effet anormales si on les compare à celles d'autres liquides. Les raisons
n'en sont pas toujours très bien comprises. En théorie, toute la chimie et la
physique de la matière à notre échelle est intégralement décrite par une énorme
équation de Schrödinger appliquée aux plus de 1023 atomes constituant une mole
de matière. À l'aide d'ordinateurs, une équipe de physiciens a donc réussi en
utilisant cette équation à reproduire et mieux comprendre certaines des
propriétés énigmatiques de l'eau.
Si l'on suit la démarche réductionniste sous-tendant une
bonne partie de l'activité scientifique, le monde macroscopique est une
conséquence des lois du monde microscopique. De fait, bien des propriétés des
liquides et des solides à notre échelle, trouvent leurs explications dans les
lois de la mécanique quantique régissant des noyaux et des électrons
interagissant électromagnétiquement. Nous connaissons ces lois, et nous pouvons
donc écrire les équations gouvernant ces ensembles de particules, c'est un des
grands triomphes de l'esprit humain.
Equation de Schrödinger
Si écrire une
équation est une chose, en trouver des solutions en est une autre ! L'esprit
humain apparaît alors singulièrement limité et les solutions approximatives
sont en fait la règle en physique.
Un des moyens de contourner en partie l'obstacle est de
faire appel à l'ordinateur : c'est ce qui a été fait en météorologie et en
mécanique céleste avec les succès et les échecs que l'on sait.
Néanmoins,
l'entreprise consistant à déduire le monde à partir de principes physiques et
mathématiques fondamentaux continue, et pour de bonnes raisons, à être à la
racine du progrès scientifique.
Le professeur Krzysztof Szalewicz de l'Université du
Delaware a donc dirigé l'équipe scientifique, comprenant Robert Bukowski de
l'Université Cornell, Gerrit Groenenboom et Ad van der Avoird de l'Institute
for Molecules and Materials de l'Université Radboud en Hollande, ayant publié
ce mois-ci dans "Science" l'article intitulé « Prédictions des
propriétés physiques de l'eau à partir des premiers principes ». Ils y
retrouvent par exemple le fait que, contrairement aux autres liquides, l'eau
augmente de volume quand elle gèle ! Ce qui fait que la glace, alors plus
légère, flotte.
C'est une double performance, d'abord parce qu'il a été
possible de retrouver certaines des propriétés de l'eau uniquement à partir de
l'application de l'équation de Schrödinger a des molécules d'H2O mais aussi
parce qu'ils ont réussi à atteindre la grande puissance de calcul nécessaire
par l'utilisation judicieuse de cluster d'ordinateurs sous Linux. Malgré tout,
plusieurs mois de calculs auront été nécessaires pour que ce réseau
d'ordinateurs fonctionnant en parallèle puisse fournir les résultats !
Cela se comprend bien, il faut en effet calculer les forces
qu'exercent les unes sur les autre un nombre affolant de particules et en
déduire les mouvements résultants. Bien sûr, les trajectoires n'existant pas
vraiment en mécanique quantique et la notion de mouvement n'y a pas le même
sens qu'en physique newtonienne.
Le professeur Krzysztof Szalewicz pense que leur modèle ne
s'applique pas seulement à l'eau sous forme liquide, mais devrait permettre
aussi de mieux comprendre celle-ci dans différentes phases, comme par exemple
sous ses multiples formes de glace. Plus généralement, les techniques qu'ils
ont mises au point devraient faire progresser les simulations sur ordinateurs
d'autres liquides et systèmes moléculaires, les protéines ou l'ADN en biologie
par exemple.
Source : Université du Delaware
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