Livre science-FR by Etienne & Etienne

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Table des matiĂ¨res

1re partie: Introduction Avant-propos 9 12

Intention stratégique 11 Engagements 13 Enjeux 17

2e partie: Invitation aux Voyages Les équipes scientifiques 20 Les unités catalysantes 21 Les 4 Horizons:

L’innovation et l’invention naissent du voyage des scientifiques vers l’infiniment loin…

La compréhension et la technologie grandissent du voyage des scientifiques vers l’infiniment petit…

De la Terre au ciel 37 Atmosphère, altitude, rayons cosmiques Des étoiles aux planètes 39 Soleil, télescopes, exoplanètes Dans la nurserie 41 Amalgames, galaxies, années-lumière à l’origine des temps 43 Traitement, masse, composition

L’instrumentation pour agir sur l’énergie et la matière se crée par les recherches dans les interactions…

Nos connaissances s’enrichissent par la maîtrise de la complexité…

à partir de rien 51 Atomes, particules, quarks

Action et influence 65 Causalité, forces, dynamique

L’entrée en matière 53 Composition, dualité onde-matière, matériaux fonctionnels

Observation et interprétation 67 Hypothèse, mesure, intégration

Comprendre et gérer 79 Dimension, abstraction, application

Zones d’émergences 69 Lumière, matière, lego

Des propriétés construites 55 Propriétés, instruments, supraconductivité

Phénomènes nouveaux 71 Intrication, architecture, espace-temps

En quête de matière 57 Matière, antimatière, matière noire

3e partie: Bienvenue au Centre Perspectives 91

Graal scientifique 81 Equations, théories, unification Transitions de phase 83 Seuil, matières, percolation Valeur ajoutée 85 Physique, centre, énergie

1re partie . Introduction

Avant-propos

Comme il a été rappelé lors du Dies Academicus de son 450e anniversaire, la fondation de l’Académie de Genève participe du mythe mobilisateur de l’histoire de la République par « l’union de la foi éclairée, du travail scientifique, de mœurs vertueuses et d’institutions exemplaires ». épicentre d’une véritable « internationale huguenote », notre Université a, dès l’origine, accueilli nombre de professeurs et d’étudiants venus des quatre coins de l’Europe, préfigurant ce qu’il sera coutume d’appeler plus tard « l’esprit de Genève » sur lequel repose, pour beaucoup, la place si particulière que notre ville tient dans le monde. Initialement centrée sur la théologie et les humanités, notre institution n’a cessé de s’ouvrir à d’autres domaines. Une évolution qui lui permet, aujourd’hui, d’embrasser l’ensemble des domaines du savoir, des sciences humaines aux sciences physiques les plus fondamentales. Cette diversité permet les rencontres et les enrichissements mutuels, par le biais d’approches interdisciplinaires. La quête de rigueur et d’excellence conjuguée à ce constant souci d’ouverture fondent aujourd’hui encore la politique de gouvernance de notre institution. Avec succès. Figurant dans le peloton de tête des universités polyvalentes, notre Université jouit en effet d’une reconnaissance de niveau mondial dans ses domaines prioritaires et notamment en physique, en astronomie et en mathématiques. Visant à faire fructifier ce précieux héritage tout en répondant aux défis de demain, le pôle en sciences physiques, astronomie et mathématiques permettra de développer plus encore les synergies entre les disciplines qui y seront regroupées. Il renforcera aussi les liens avec les grandes organisations internationales sises à Genève (CERN et OMM notamment), et avec les différents acteurs présents au plan national et international. Placé sous le triple signe de la science, de la responsabilité et de la collaboration, notre nouveau Centre est une parfaite synthèse des ambitions de l’Université de Genève pour le futur. Professeur Jean-Dominique Vassalli Recteur Université de Genève

Intention stratĂŠgique

Notre nouveau Centre des sciences astronomiques, physiques et mathématiques est destiné à renforcer la capacité des équipes scientifiques de Genève à repousser les limites des mondes connus et d’explorer de nouveaux territoires scientifiques. Nos équipes se distinguent mondialement aujourd’hui par leurs travaux dans des domaines aussi variés que l’origine de l’Univers, la détection des planètes extrasolaires, l’optique quantique, les propriétés et la création de nouveaux matériaux, les particules à haute énergie, la physique du climat ou la théorie de la percolation et la géométrie tropicale. Le nouveau Centre met en place les conditions permettant de stimuler la recherche fondamentale de pointe à Genève. Il rassemble dans un projet unique ces forces scientifiques jusqu’ici géographiquement dispersées. Tout en conservant leur identité, les interfaces rendues possibles entre les différents départements et sections, réunis par thèmes, favorisent l’émergence de nouvelles recherches. En sciences, comme dans les principaux enjeux sociétaux, partager dans un milieu interactif optimise l’échange et le développement de nouvelles branches pluridisciplinaires qui conjuguent des énergies à partir de matières différentes. Notre projet s’inscrit localement dans une tradition universitaire genevoise pluridisciplinaire et proche des institutions scientifiques, technologiques, économiques et politiques. Il répond aussi dans le fond et la forme aux exigences de liens avec les unités de recherche des entreprises industrielles. Sur le plan international, le Centre sera une destination scientifique incontournable pour les experts et les étudiants, mais aussi un modèle pour l’organisation et le développement de la recherche fondamentale du XXIe siècle. La configuration du lieu permettra de nourrir l’inspiration et la créativité. Elle optimise les moyens et l’esprit de ses recherches par des équipements, des instruments et des espaces modulaires adaptés aux échanges académiques. La Science n’a plus de frontière. Elle s’enrichit du contenu des réseaux de compétences scientifiques. Une connexion active de nos expertises individuelles doit former une masse critique qui nous permette de créer localement et d’animer internationalement les réseaux scientifiques issus des recherches. Notre nouveau Centre se construira sur la très haute compétence scientifique des chercheurs à Genève. En unifiant leurs forces, ils s’engagent à mettre en place un nouvel environnement exceptionnel pour la recherche en sciences astronomiques, physiques et mathématiques. C’est à Genève, ensemble, qu’il faut commencer. C’est unis que nous pourrons faire une différence. Professeur Øystein Fischer Directeur, NCCR MaNEP Université de Genève Responsable de l’élaboration du nouveau Centre

Engagements

La grande diversité et la richesse des connaissances présentes au sein de la Faculté des sciences de l’Université de Genève offrent un terrain unique pour développer un nouveau Centre des sciences astronomiques, physiques et mathématiques. Cette initiative est une réponse concrète à la nécessité de la transdisciplinarité dans la recherche et l’enseignement. Une telle contribution à l’intelligence collective permettra de répondre aux besoins de l’éducation du futur en renouvelant l’art de formuler les questions. Connecter entre eux des champs de recherche si souvent séparés contribuera également à développer encore plus loin l’excellence tout en créant de nouvelles opportunités à l’interface entre les disciplines. Professeur Jean-Marc Triscone Doyen, Faculté des sciences Université de Genève

Membres du centre Professeurs ordinaires et associés membres du nouveau Centre Département d’astronomie

Section de physique

Prof. Thierry Courvoisier Prof. Georges Meynet Prof. Francesco Pepe Prof. Daniel Pfenniger Prof. Didier Queloz Prof. Stéphane Udry Prof. Daniel Schaerer

Prof. Martin Beniston Prof. Alain Blondel Prof. Markus Büttiker Prof. Allan Clark Prof. Ruth Durrer Prof. Øystein Fischer Prof. Antoine Georges Prof. Thierry Giamarchi Prof. Nicolas Gisin Prof. Giuseppe Iacobucci Prof. Corinna Kollath

Section des mathématiques Prof. Michele Maggiore Prof. Marcos Mariño Beiras Prof. Alberto Morpurgo Prof. Andreas Mueller Prof. Marzio Nessi Prof. Patrycja Paruch Prof. Martin Pohl Prof. Christoph Renner Prof. Jean-Marc Triscone Prof. Dirk van der Marel Prof. Jean-Pierre Wolf

Prof. Anton Alekeev Prof. Martin Gander Prof. Ernst Hairer Prof. Anders Karlsson Prof. Marcos Mariño Beiras Prof. Grigory Mikhalkin Prof. Stanislas Smirnov Prof. Tatiana Smirnova-Nagnibeda Prof. András Szenes Prof. Yvan Velenik

Enjeux

Antoine de Saint-Exupéry

L’enjeu de notre Centre est d’implémenter les conditions nécessaires et suffisantes capables de générer une intelligence collective scientifique qui renforcera le potentiel et les ambitions de chacun. L’organisation géographique actuelle des groupes scientifiques et des moyens à disposition n‘est pas adaptée au développement de l’excellence et au maintien de la compétitivité internationale. En réunissant dans une infrastructure commune l’ensemble de leurs expertises, les sciences astronomiques, physiques, et mathématiques de Genève sauront répondre aux besoins et aux défis de la recherche et de l’enseignement de demain. Tout en restant attentifs à conserver les identités et les diversités, l’unité favorise la créativité des scientifiques. La proximité des équipes actives dans des secteurs différents permet l’émergence de nouveaux champs de recherche et la création de cursus. Ce Centre est conçu pour stimuler l’enseignement et innover. Il attisera la créativité des scientifiques autant que la curiosité du public. Il générera cet enthousiasme à s’y associer, comme étudiant ou chercheur, comme doctorant ou industriel. Il constituera un outil unique de partage pour l’ensemble de leurs travaux afin qu’ils puissent évoluer dans leur recherche grâce à leur représentation visuelle et déclencher les vocations des générations futures. Notre Centre rendra la science compréhensible et accessible. Il fera réfléchir différemment et provoquera l’inspiration. Il permettra l’accélération des avancées des sciences en coopération avec des centres de recherche et d’autres centres académiques nationaux et internationaux. La résonance de ses liens internationaux et ses nouveaux espaces de réflexion offriront une plateforme mondiale pour les échanges scientifiques. Notre Centre accueillera des symposiums réunissant l’élite mondiale des acteurs de la Science. Les défis de la recherche fondamentale nous ouvrent des voies qui changeront notre civilisation. Une compréhension nouvelle de l’origine de l’Univers pourrait provoquer une révolution copernicienne de la place de l’homme dans l’Univers. L’avenir de l’électronique, des télécommunications et de notre mobilité passera par une maitrise profonde des origines et des propriétés de l’énergie et de la matière. Celui de l’humanité est lié aux ressources de la planète et le climat en est une dont les seuils critiques, les facteurs d’influence et les interactions restent à déchiffrer. Genève peut et doit devenir une place de référence pour définir, orienter et soutenir les grands enjeux scientifiques mondiaux, pour les décideurs publics ou privés, au même titre qu’elle l’est dans l’humanitaire ou dans la diplomatie.

2e partie . Invitation aux voyages

Les voyages élargissent nos champs de connaissances, donc nos boîtes à outils, pour trouver des solutions aux enjeux de notre civilisation. Ils révèlent des phénomènes inconnus, permettent de démontrer ou de contredire des théories existantes ou d’en formuler de nouvelles. Ils contribuent fondamentalement au développement et à l’amélioration des technologies, à la réalisation de solutions concrètes et exigent souvent le développement de nouvelles technologies pour avancer. Les « Expéditions scientifiques » possibles à Genève nous entraînent dans des mondes extraordinaires. Nous vous invitons dans les prochaines pages à suivre nos scientifiques sur le chemin de leurs recherches et à vous familiariser avec l’intuition nécessaire au chercheur. Vous pourrez partager l’émotion des premiers pas et l’enthousiasme que suscitent la découverte et l’exploration de nouveaux mondes scientifiques. 20

Nos voyages vers de nouveaux horizons racontent les collaborations humaines et techniques nécessaires à l’étude des phénomènes et des éléments découverts en chemin. Ils illustrent aussi la créativité et l’imagination nécessaires à la poursuite de voyages dans la recherche fondamentale qui flirtent toujours avec les limites de notre connaissance, de nos technologies et de notre compréhension. Les acteurs initiaux de ces voyages sont une quarantaine d’équipes de scientifiques de l’Université de Genève dont les sujets sont survolés dans les pages suivantes. Elles vont conjuguer leurs spécialités dans le Centre pour repousser les limites des mondes connus dans six thèmes principaux : Thème 1

Exploration des nouveaux mondes de l’Univers

UNIVERS

Thème 2

Climat et exploration de l’atmosphère

Thème 3

Photonique quantique et dispositifs nanostructurés pour l’électronique

Thème 4

Matériaux quantiques

MATERIAUX

Thème 5

Des particules élémentaires au cosmos

PARTICULES

Thème 6

Mathématiques

CLIMAT NANO

MATHS

Les parties communes dédiées à l’ergonomie du Centre servent à ouvrir le dialogue, à faire des ponts qui soutiennent la collaboration, l’accessibilité et la participation à l’innovation. Ces unités agiront comme catalyseurs aux initiatives des équipes fondatrices du Centre notamment pour les Collaborations interdisciplinaires et les relations Nationales et Internationales (C.N.I.). Elles forment la clé de voûte du partage des savoirs et du développement de l’enseignement. Le ScienScope, le Laboratoire de Technologie Avancée (L.T.A.) et les ateliers spécialisés constituent des progrès importants sur le chemin de la transdisciplinarité avec les facultés universitaires et de la technologie avec les Hautes Ecoles et l’industrie.

Nos projets académiques de recherche et d’enseignement ainsi que le rôle des unités sont décrits en détails dans le Projet Scientifique. 21

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Analyse numérique

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Hautes énergies

Astroparticules

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Dispositifs nanoscopiques

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Symposia, conférences, séminaires

n io at rm fo In

Institutions (CERN, PSI, ESA, etc.)

Que faut-il pour que l’énergie

devienne matière, pour que la matière devienne étoile et pour que l’étoile devienne énergie ?

Sur quelles échelles

de tailles et de temps doit-on travailler pour comprendre notre monde ?

L’homme sait inventer

les instruments pour aller voir et comprendre ce qui est hors de sa portée immédiate.

Au-delà d’aller voir loin dans l’espace,

la quête scientifique s’attache à comprendre et à valider nos découvertes dans de nouvelles dimensions.

Petit à petit

le grand vide se remplit grâce à la connaissance.

De la Terre au ciel

Quittons notre planète pour découvrir qui nous sommes et comprendre où

nous allons. La première étape que nous franchissons est l’atmosphère. Ces couches de gaz variés ont permis le développement de la vie sur Terre. A 100 km d’altitude déjà, nous atteignons l‘espace où le ciel passe du bleu au noir et de petits points lumineux se voient par milliers. C’est en parcourant les presque 400’000 km jusqu’à la Lune que nous avons pris conscience de notre propre planète. Nous réalisons que tout ce dont l’humanité dispose se trouve dans cette sphère qui voyage dans l’espace. Depuis le premier spoutnik envoyé en 1957, des milliers de satellites artificiels peuplent aujourd’hui les orbites de notre planète bleue. Certains sont tournés vers nous pour regarder et mieux comprendre la Terre et son climat, d’autres pointent vers des mondes lointains à la recherche de réponses sur le passé et sur l’avenir. Comprendre l’environnement de notre planète et mesurer l’impact que l’espace a sur elle est devenu une priorité. Tenter de le prédire est devenu un besoin tant au niveau humanitaire qu’économique. Que pouvons-nous dire sur les grands bouleversements climatiques actuels ? GENÈVE – La recherche de pointe dans la physique du climat à Genève nous permet de collaborer sur

des projets internationaux et de contribuer activement à l’étude du changement climatique et ses conséquences sur notre planète. Le comportement du climat alpin et l’impact de la fonte des glaciers sur la faune ou la production hydro-électrique sont des thèmes d’importance bien au-delà de nos frontières (projets NCCR, EU, ETHZ). Voir Projet Scientifique – CLIMAT C’est grâce à la nuit de l’espace en dehors de la « pollution lumineuse » que nous pouvons commencer à regarder de plus près ce qui est au loin. En voyageant au-delà du cocon protecteur de notre atmosphère nous nous trouvons bombardés par le vent de particules cosmiques venant de toutes parts de l’Univers et en particulier de notre étoile, le Soleil. Les particules cosmiques ont une très haute énergie et se désintègrent en sous-particules quand elles heurtent l’atmosphère. Que nous apprennent cette radiation cosmique et les jets massifs de rayons provenant de notre étoile ? GENÈVE – Notre Département de physique nucléaire et corpusculaire étudie et enseigne l’origine et les propriétés des particules spatiales. Sur le plan théorique, nous analysons l’effet de leur désintégration sur la matière. Expérimentalement, nous pouvons observer les particules et leur énergie dans des détecteurs sur Terre et dans l’espace. Voir Projet Scientifique – PARTICULES

Newton a compris la gravitation en observant la rotation des planètes autour du Soleil. Plus un satellite est proche de son étoile, plus il tourne vite pour compenser la gravitation et rester sur son orbite. L’espace commence officiellement à 100 km d’altitude, mais le statut d’astronaute se donne à partir de 80 km. Les avions de ligne volent à 9 km. Les jets militaires les plus performants atteignent 30 km.

Les éruptions solaires peuvent être si fortes qu’elles « court-circuitent » les satellites ou détruisent les réseaux d’électricité sur Terre.

Des étoiles aux planètes

Notre compréhension du Soleil reste essentielle à l’étude de l’évolution

des conditions de la vie. Etudier notre étoile est une étape importante pour comprendre la formation des planètes, le système solaire et ce qu’il y a au-delà.

Globalement, mieux connaître les étoiles permet d’appréhender l’Univers à toutes les échelles. De leur naissance à leur mort, leur vie comme « naines blanches », supernovas ou trous noirs, marque l’évolution d’une galaxie et la formation des éléments qui constituent la matière qui nous compose. Comment observer et analyser les objets si loin dans l’espace ? Genève – L’Observatoire de l’Université de Genève utilise les données de satellites et sondes spatiales

couplées avec les observations des puissants télescopes terrestres tels que ceux de l’ESO (European Southern Observatory) sur les montagnes du Chili. Nos équipes se sont spécialisées dans l’étude de l’évolution stellaire et sont à la pointe de la recherche dans la formation et la variabilité des étoiles.

Voir Projet Scientifique – UNIVERS

Le Soleil et ses planètes se déplacent dans la Voie lactée à 235 km/s. La Voie lactée s’étend sur 80 000 années-lumière.

Genève bénéficie sur les plans théorique et mathématique d’une longue tradition d’excellence. L’analyse numérique au travers des équations différentielles partielles ou ordinaires offre des outils de modélisation qui proposent des solutions aux sciences physiques et astrophysiques. Voir Projet Scientifique – MATHS

Avec des milliards d’étoiles dans notre Galaxie, la question sur l’existence d’autres planètes en dehors de notre système solaire se pose rapidement. L’étoile la plus proche de nous, Proxima Centauri, se trouve à 4,22 années-lumière, soit à environ 40 000 milliards de kilomètres. Nous recevons aujourd’hui la lumière qu’elle a émise il y a plus de quatre ans. D’autres systèmes solaires réunissent-ils les conditions nécessaires à une forme de vie ? GENÈVE – Avec la découverte des premières exoplanètes en 1995, les équipes de l’Observatoire de

Genève ouvrent la chasse aux nouveaux mondes. Grâce à l’expertise développée dans les techniques d’observation, la construction d’instruments et des technologies adaptées, Genève est encore aujourd’hui un leader mondial dans ce domaine. Nos recherches se concentrent sur les processus de qualification de ces planètes pour déterminer leur composition, leur atmosphère et la possibilité d’y trouver la vie. Ces travaux sont importants pour faire avancer nos connaissances sur le fonctionnement et l’évolution de ces autres mondes (projet DACE). Ils permettent aussi de mieux comprendre notre propre planète et son environnement. Voir Projet Scientifique – UNIVERS et CLIMAT

La première planète extrasolaire a été découverte, par la méthode des vitesses radiales à 51 annéeslumière de la Terre dans la constellation de Pégase, autour de l’étoile 51Pegasi, une naine jaune considérée comme un jumeau du Soleil.

Dans la nurserie

Quittons notre système solaire pour pénétrer plus profondément dans notre

Galaxie : la Voie lactée. Passons des milliards d’étoiles baignant dans un nuage de gaz interstellaires, le tout se mouvant suivant une dynamique bien définie et en évolution permanente. Soumis à une gravité suffisante pendant des milliards d’années, ces amalgames gaz-étoiles donnent vie aux galaxies comme dans une immense nurserie. Les éléments atomiques comme le carbone ou l’oxygène produits dans les étoiles, puis éjectés par celles-ci en fin de vie, sont recyclés dans les galaxies au cours de générations successives d’étoiles. Ce brassage permet à la matière d’évoluer vers les formes que nous connaissons. Combien de disciplines scientifiques faut-il maîtriser dans ce contexte pour comprendre la nature de ce milieu primordial ? Genève – Au sein même de l’Université de Genève la proximité avec les facultés de Chimie et de Biologie,

Les télescopes sont des machines à remonter le temps. Ils se sont régulièrement perfectionnés, permettant de voir l’Univers et la matière tels qu’ils étaient il y a 1990 - 6 milliards d’années 1995 - 1.5 milliards d’années 2004 - 800 millions d’années 2010 - 480 millions d’années 2015 - 200 millions d’années

entre autres, offre de véritables tremplins scientifiques à nos spécialistes en sciences physiques et astrophysique. Voir Projet Scientifique – CLIMAT et MATéRIAUX

Au-delà de notre Galaxie, nous réalisons que l’Univers contient autant de galaxies que celles-ci contiennent d’étoiles. Andromède, la galaxie la plus proche de nous, se trouve à environ 2,5 millions d’années-lumière. Nous la voyons aujourd’hui dans son passé, telle qu’elle a été il y a 2,5 millions d’années. Plus nous regardons loin, plus nous voyons donc des objets anciens, et plus nous remontons dans le temps. Au-delà de loin, notre voyage vers les origines du monde fonctionne ainsi comme une machine à remonter le temps nécessaire à l’évolution. Nous pouvons en effet comparer des systèmes solaires ou des galaxies à des stades de vie différents sur des échelles de temps quasi infinies. Les instruments modernes tels que le télescope spatial Hubble, nous permettent de voir des objets vieux de quelques milliards d’années. Grâce aux technologies actuelles nous sommes capables de cartographier l’Univers de plus en plus près de l’instant « zéro ». Nous y rencontrons des galaxies nées juste après le big bang, il y a presque 14 milliards d’années. Quel avantage tirons-nous de l’ensemble des informations recueillies par ces instruments ? GENÈVE – La cosmologie à Genève, branche théorique de l’astrophysique qui étudie l’Univers en

tant que système, bénéficie des connaissances en physique des particules et en mathématiques. La collaboration de tous nos experts dans ces domaines permet à Genève de rester à la pointe de la recherche mondiale en cosmologie. Voir Projet Scientifique – PARTICULES et MATHS

Cette archéologie galactique permet d’étudier l’évolution macroscopique comme nous étudions déjà celle des espèces. L’instant « zéro » symbolise le big bang de la création de l’Univers. Il reste toutefois une limite théorique parce qu’impossible à atteindre (notion d’espace-temps). 1 année-lumière = 9 460 730 472 580.8 km

à l’origine des temps

L’Univers est tellement plus riche que notre imagination. Par l’évolution et le cumul des

techniques d’observation, nous réalisons aujourd’hui qu’il est peuplé d’objets invisibles à l’humain.

Sous quelle forme pouvons-nous recueillir, analyser et exploiter la masse des données captées par les instruments au sol ou en orbite ? Genève – Les astrophysiciens de Genève ont créé un centre spécialisé dans le traitement, l’analyse, la

distribution et l’archivage des données des sondes spatiales, l’ISDC (Data Centre for Astrophysics). Ce centre gère aujourd’hui les données de satellites scientifiques autant que de télescopes au sol. De nouveaux instruments, satellites et infrastructures sont planifiés en collaboration avec des équipes internationales. Le nouveau Centre permettra de faire face aux nouveaux besoins de collecte des données. Voir Projet Scientifique – PARTICULES Nos fondements théoriques ne nous permettent cependant pas encore d’expliquer certaines observations macroscopiques, en l’occurrence l’effet de la force de gravitation dans les galaxies spirales comme Andromède. Si nous ne considérons que la matière visible dans un télescope, sa dynamique viole les lois établies par Newton. En effet, l’ensemble des objets que nous détectons dans l’Univers pourrait en fait ne représenter que 4% de sa composition globale. On nomme matière noire et énergie sombre ces composants encore inobservés. Un problème de taille en découle : faut-il remettre en cause une théorie fondatrice de la physique moderne ? Faut-il trouver et où, puis qualifier ces 96% de l’Univers manquant pour la confirmer ? GENÈVE – Genève bénéficie d’une équipe spécialisée dans la physique des astroparticules qui réunit

des éléments de la physique des particules et de l’astrophysique avec ceux de la cosmologie observationnelle. Leurs études se complètent avec celles faites en laboratoire au CERN. En capitalisant sur la proximité du CERN, un nouveau Centre des Astroparticules (CAP) a été mis en place pour faciliter l’interaction de ces spécialisations et offrir une nouvelle plateforme internationale d’étude dans ce domaine. Nos recherches nous permettent d’avancer sur des phénomènes encore mal compris comme la composition de l’Univers, la formation de structures à grande échelle, la source de particules cosmiques et également les mystérieuses matière noire et énergie sombre. Voir Projet Scientifique – PARTICULES

Beaucoup reste à découvrir et à comprendre sur le chemin que nous venons de parcourir. En explorant l’espace, nous découvrons les particules originelles qui constituent la matière. Pour progresser sur notre chemin du savoir, nous devons poursuivre en plongeant dans l’infiniment petit et comprendre les règles qui régissent, l’espace, le temps et la matière. Un voyage en provoquera toujours un autre…

En contradiction des observations de Newton, les étoiles en périphérie des galaxies spirales se déplacent à la même vitesse que celles proches du centre. L’existence de la matière noire invisible est déduite des effets qu’elle exerce sur son environnement.

Que savons-nous

aujourd’hui du monde subatomique ?

Jusqu’à quelle dimension

faut-il aller pour observer de quoi la matière est vraiment faite ?

Au-delà d’aller voir près,

la quête scientifique permet d’observer, analyser et comprendre des phénomènes inconnus ou invisibles à l’œil nu.

Les propriétés atomiques

persistent à plus grande échelle dans des combinaisons illimitées et riches de propriétés surprenantes exploitées dans notre quotidien.

Le monde de l’infiniment petit

se dévoile comme un univers parallèle où nous cherchons à aller toujours plus loin.

Ă partir de rien

Arrivés au fin fond de l’Univers pour explorer l’infiniment grand, nous

atteignons l’infiniment petit. Plus nous regardons loin, plus nous nous approchons du big bang où, il y a 13,7 milliards d’années, tout a commencé de « rien ».

Comment sommes-nous parvenus de ce « rien » aux systèmes complexes que nous observons aujourd’hui ? Comment notre Univers, la matière, les atomes ont-t-ils été créés ? Et comment avons-nous su explorer la matière, juste assez pour découvrir qu’en fait tout un autre univers s’y trouve également, celui de l’infiniment petit. Notre compréhension de la composition de la matière a radicalement évolué au fil du temps. Dans l’Antiquité, les Grecs utilisaient le mot « atome » pour décrire un objet indivisible. Au XIXe siècle, l’atome est considéré comme le plus petit élément de la matière. Au XXe siècle, la recherche démontre que les atomes sont en fait divisibles et composés de particules : protons, neutrons et électrons. Dans les années 1960, une nouvelle étape est franchie par la découverte que chaque neutron et chaque proton est constitué de 3 quarks. Les atomes sont donc des assemblages de quarks et d’électrons qui se combinent pour former les éléments de la matière. Aujourd’hui nous comptons 24 particules élémentaires, associées soit à la matière (fermions - les électrons, les neutrinos, les muons et quarks) soit aux forces qui la gouvernent (bosons - photons, mésons, etc.). Elles sont considérées comme les éléments indivisibles de la matière et les constituants fondamentaux de l’Univers. Dans cette grande famille de particules, peu sont stables à l’état naturel. Elles sont ainsi difficilement détectables. Des années de recherche et d’innovation technologique nous ont permis de construire les accélérateurs et détecteurs permettant d’accéder aux conditions particulières où ces particules élémentaires peuvent être aperçues. Ces instruments sont des portes ouvertes sur l’origine de la matière comme les télescopes le sont sur l’origine de l’Univers. Des théories sophistiquées ont été élaborées dans le cadre de la physique des particules pour décrire les phénomènes qui les gouvernent. Il s’avère, de manière surprenante, que certaines de ces théories peuvent être appliquées à des phénomènes observés à plus grande échelle dans les matériaux, comme les solitons ou les monopôles magnétiques. Peut-on imaginer meilleure complémentarité que de pouvoir comprendre une particule de sa création à sa désintégration ? Genève – Les équipes de Genève en physique des particules et astroparticules collaborent dans leur

recherche avec les équipes du CERN. La proximité de ces deux institutions permet à notre Université d’offrir une dimension académique à la recherche expérimentale et crée ainsi un continuum scientifique. Voir Projet Scientifique – PARTICULES

La matière est un assemblage d’atomes eux-mêmes formés de particules élémentaires : • l’électron est découvert en 1897 • première utilisation du terme proton : 1920 • le neutron est découvert en 1932 • le modèle du quark est proposé en 1964

Notre tableau périodique contient actuellement 118 éléments. Il pourrait à priori en exister d’autres en augmentant le nombre de protons ou de neutrons.

Chaque minute, nous sommes bombardés par 600 particules provenant de l’espace.

L’entrée en matière

Nous ne sommes qu’au début de nos découvertes sur la matière, sa constitution et

ses comportements. Les lois de la physique qui régissent les atomes et leurs composants bouleversent les notions classiques d’objets microscopiques qui se meuvent dans un système macroscopique. Aux petites dimensions caractéristiques des atomes, les particules se révèlent bien plus complexes qu’un point matériel bien défini. Elles acquièrent un caractère d’onde. En fait, elles ne sont ni corpuscule ni onde, mais adoptent une forme ou l’autre selon les circonstances. Cette physique, nommée « quantique », formalise cette dualité onde-corpuscule et transforme notre façon de voir le monde. Elle est à la base de notre compréhension du comportement de la matière aujourd’hui. Les propriétés quantiques ne sont pas confinées aux atomes et particules. Elles se manifestent aussi à plus grande échelle dans des matériaux et dispositifs que nous utilisons de façon courante, par exemple le transistor, le laser, ou l’imagerie par résonance magnétique.

Les deux grandes théories du XXe siècle sont : la relativité générale qui explique les phénomènes macroscopiques à l’échelle astronomique; la physique quantique qui étudie les phénomènes aux dimensions microscopiques des particules élémentaires.

Comment découvrir et comprendre les propriétés de la matière pour les exploiter au bénéfice de notre société ? Genève – Le Pôle de recherche national (NCCR) MaNEP que nous dirigeons depuis l’Université de Genève est le leader national dans le domaine des matériaux électroniques du futur. C’est un projet de recherche à long terme qui réunit des compétences variées de toute la Suisse, de la synthèse à la caractérisation des matériaux. D’importance stratégique pour l’avenir des sciences, de l’économie et de la société, il intègre des collaborations étroites avec l’industrie et une interface vers le grand public. Voir Projet Scientifique – MATéRIAUX

Les découvertes régulières de matériaux sont une source constante de phénomènes physiques nouveaux et d’innovations technologiques. Notre maîtrise croissante des particules de matière associée à celle des particules de lumière (photons), nous laissent entrevoir des applications prodigieuses (ordinateur quantique, cryptographie, téléportation, etc.). Quel substitut pouvons-nous trouver au silicium dont la microfabrication et les fonctionnalités approchent leurs limites ? GENÈVE – Nous gérons une dizaine de groupes spécialisés entre autre dans l’étude théorique des

matériaux, de leurs propriétés électroniques et magnétiques, de la supraconductivité et des interfaces. Nos chercheurs synthétisent de nouveaux matériaux, développent des techniques de calculs avancées pour la modélisation et réalisent de nouvelles méthodes expérimentales. Le tout conduit à une meilleure compréhension et des applications innovantes. La physique de la matière condensée est un domaine qui attire les étudiants et les industries car il offre des perspectives d’applications très vastes. Voir Projet Scientifique – NANO et MATéRIAUX

Nous appelons « matériaux quantiques » ceux dans lesquels les lois fondamentales de la physique quantique se manifestent à l’échelle macroscopique. Le silicium, un matériau semiconducteur sans propriétés particulières, est à la base des technologies de l’information qui a fait le succès de notre société du XXe siècle.

Des propriĂŠtĂŠs construites

Si les télescopes nous permettent de regarder toujours plus au loin, les techniques

de microscopie elles, nous permettent de regarder de plus en plus près. Elles nous plongent au cœur de la matière. Grâce à des technologies avancées d’instrumentation nous pouvons aujourd’hui simultanément imager la structure et caractériser certaines propriétés de la matière jusqu’au niveau des atomes. En déconstruisant la matière pour mieux la comprendre, nous découvrons qu’il ne s’agit pas d’un simple puzzle composé d’éléments distincts. Certaines combinaisons d’atomes ont des comportements inattendus - par exemple électriques, magnétiques, mécaniques, ou thermiques. D’autres propriétés encore peuvent se manifester sous des conditions d’observation particulières. L’étude des propriétés des matériaux est un vaste chantier pour en saisir les mécanismes et imaginer des applications nouvelles. Comment voir et agir dans le monde microscopique sans perturber le milieu observé ? Genève – Nos experts dans la physique des matériaux à Genève se sont spécialisés dans l’étude des

phénomènes parfois spectaculaires au cœur de la matière, certains physiciens pour les comprendre, d’autres pour les exploiter. Ils ont dû développer des instruments sophistiqués pour avancer leurs recherches. Ces techniques de spectroscopie avancées, de systèmes optiques et de microscopies à balayage nous offrent une vue sur la matière encore jamais atteinte. Nombre de nos outils ont inspiré des techniques expérimentales utilisées ailleurs dans le monde. Voir Projet Scientifique – MATéRIAUX La supraconductivité est un phénomène où la physique quantique se manifeste de manière particulièrement spectaculaire à l’échelle macroscopique. Ses applications concrètes vont de puissants électroaimants utilisés dans l’imagerie médicale au train à lévitation. Les conditions de température nécessaire à la manifestation de ces propriétés restent toutefois très contraignantes. Notre but ultime est de trouver, ou assembler, des matériaux où la supraconductivité se manifeste à des températures aussi élevées que possible. Pouvons-nous créer des matériaux nouveaux avec des propriétés prédéfinies que nous souhaitons exploiter ? GENÈVE – De nouvelles techniques de croissance et de manipulation atomiques nous permettent de

« fabriquer » la matière atome par atome. Cette maîtrise place Genève à la pointe de la recherche dans ce domaine et nous permet de créer des matériaux nouveaux avec des propriétés choisies. Elle nous ouvre non seulement les portes sur de vastes champs d’applications, mais nous a aussi permis de produire des matériaux avec des propriétés totalement inattendues. Voir Projet Scientifique – MATéRIAUX

La supraconductivité est le phénomène de circulation d’un courant électrique sans aucune résistance, donc sans perte d’énergie. Leur température « critique » la plus élevée aujourd’hui est de -109 0C (ou 164 0K). La jonction de deux isolants avec une précision atomique a donné, de façon absolument surprenante, une interface métallique, qui devient même supraconductrice quand elle est suffisamment refroidie.

En quête de matière

L’étude de la matière nous permet de comprendre son fonctionnement, ses

propriétés et sa structure. Elle nous permet de connaître les matériaux qui existent et, au-delà, d’en concevoir et d’en découvrir de nouveaux en assemblant la matière atome par atome. Mais cette recherche ne nous aide pas à comprendre son origine. Comment est-elle créée ? Existe-t-il plusieurs natures de matière ? Ce n’est qu’en retournant au loin que nous trouverons la réponse. La « nucléosynthèse stellaire » se fait par fusions nucléaires successives d’atomes sur des millions d’années à partir de la combinaison des neutrons présents après le big bang. Comment ce processus a-t-il pu mener jusqu’à la formation de notre Soleil et de notre Terre ? Genève – Ces notions fondamentales sur la composition de l’Univers et l’origine de la matière sont enseignées par nos professeurs à l’Université de Genève. Nos observations de l’Univers lointain nous fournissent des images spectaculaires des éléments en formation. L’étude de la distribution des éléments chimiques et comment ils participent à la formation de systèmes galactiques, stellaires et planétaires est un sujet d’expertise des astrophysiciens de notre Observatoire. Voir Projet Scientifique – UNIVERS

Pour chaque particule de matière, les recherches ont démontré l’existence de son jumeau de même masse mais de charge opposée, son antiparticule. Il devrait donc exister dans l’Univers autant de matière que d’antimatière. Les observations ne montrent toutefois à ce jour qu’une faible proportion d’antimatière. Où est-elle ? Par ailleurs, il y a un immense vide théorique qu’il est possible de combler par l’hypothèse de l’existence d’une autre matière, de nature inconnue, ni mesurée, ni observée à ce jour autrement que par un effet gravitationnel qui lui est attribué. Nous l’appelons matière noire et elle occuperait 23% de l’Univers connu. Savons-nous formuler la bonne question quant à la définition de la matière ? GENÈVE – La physique des particules et la cosmologie sont deux axes de recherche à Genève qui tentent

de comprendre les mécanismes de genèse de la matière et d’élucider le mystère de la matière noire par des mesures géométriques de l’Univers et des expériences en laboratoires sur Terre et dans l’espace. En étudiant les collisions de particules à très haute énergie, nous cherchons à observer la signature pour la matière noire et l’antimatière, ainsi qu’à analyser les rayons cosmiques provenant de l’Univers et du big bang. Voir Projet Scientifique – PARTICULES Nos voyages aux confins du loin et dans le monde quantique au cœur de la matière mettent en lumière des efforts similaires nécessaires au développement de la recherche fondamentale. Ils soulignent la convergence persistante des moyens théoriques et des expériences pratiques sur la matière et l’énergie. Abordons maintenant dans chacune de ces dimensions, les interactions à la source du changement.

La matière primordiale est essentiellement composée d’atomes d’hydrogène et d’hélium. Petit à petit le plasma de particules d’hydrogène fusionne et crée des atomes d’hélium, puis des atomes plus lourds tels que carbone, oxygène, silicium, calcium, jusqu’au fer. À la fin du processus, suivant sa taille et sa masse, une étoile peut exploser en supernova. Les atomes éjectés donnent alors naissance à encore d’autres éléments comme le plomb, l’or ou l’uranium.

La première antiparticule, l’antiélectron, a été découverte en 1933. Des antiatomes ont pu être « piégés » pendant 1000 secondes dans une expérience au CERN en juin 2011.

Quelles sont les forces

identifiées qui agissent sur le monde tel que nous le connaissons ?

Que se passe-t-il

quand la matière agit sur la matière ou lorsqu’un champ d’énergie interagit avec la matière ?

L’action réciproque

entre deux objets, peut modifier leurs propriétés ou leur comportement.

Les interactions peuvent

conduire à la stabilité, soutenir une évolution permanente ou mener au chaos.

Les phénomènes d’interaction

sont tout aussi spectaculaires dans l’infiniment grand que dans l’infiniment petit.

Action et influence

Nos voyages

dans l’infiniment loin et l’infiniment petit nous dévoilent quantité de systèmes et phénomènes parfois très surprenants, souvent inattendus. Ils mettent en évidence combien il nous reste à comprendre. Au-delà d’événements classiques de causalité - où un élément ou fait résulte de l’action d’un autre l’interaction illustre l’influence réciproque que les objets ou événements exercent les uns sur les autres. Cette influence peut modifier les composants ou les phénomènes. Elle peut aussi en créer de nouveaux et permettre ainsi des émergences. La constitution et la dynamique du monde connu qui nous entoure sont gouvernées par quatre interactions : la gravité, l’électromagnétisme, l’interaction faible et l’interaction forte. Elles agissent aussi bien sur les particules et la matière, que sur les champs de forces auxquelles ces dernières sont soumises. La recherche scientifique s’attèle à comprendre et maîtriser leurs effets souvent spectaculaires. Les interactions à toutes les échelles, des particules aux objets les plus grands comme les galaxies, ont façonné l’Univers tel qu’il nous apparaît dans nos télescopes. Comprendre le cosmos, tous ses constituants (planètes, étoiles, galaxies, …), leurs dynamiques relatives et les effets qui en résultent, nous éclairent sur l’origine des éléments, sur la formation des planètes et de la vie sur Terre. L’étude d’interactions aux effets colossaux telles que celles qui contrôlent les disques d’accrétion dans les quasars, les champs magnétiques dans les trous noirs et la dynamique de galaxies en collision, est un objet de recherche fascinant et sur beaucoup d’aspects encore mystérieux. Quels instruments devons-nous concevoir et construire pour nous permettre de voir ce que nous pressentons, mais que nous ne savons ni ne pouvons interpréter ? Genève – Nos équipes à l’Observatoire de l’Université de Genève sont spécialisées dans l’analyse et l’étude

des interactions stellaires et galactiques. Les synergies apportées par les échanges interdisciplinaires entre groupes de recherche internationaux nous ouvrent des perspectives nouvelles sur l’observation de ces interactions. Des équipements et instruments pour les divers types de télescopes, développés au sein même de l’Observatoire dans des ateliers mécaniques et parfois en salles blanches, représentent une source importante d’innovation. Les technologies utilisées dépendront des objets célestes ou phénomènes à observer. La réalisation de ces outils par nos propres experts nous permet de garder la maîtrise sur les axes de recherche innovants et de rester compétitifs au niveau mondial.

Voir Projet Scientifique – UNIVERS

L’émergence désigne l’apparition inattendue d’un phénomène, d’une propriété ou d’un objet issus d’une interaction.

L’interaction forte agit sur la cohésion des noyaux atomiques. L’interaction faible agit sur toutes les particules. L’électromagnétisme agit sur les particules chargées de manière répulsive ou attractive par des échanges de photons.

Observation et interprĂŠtation

La mystérieuse matière noire dont l’Univers serait constitué à 23% n’est

à ce jour détectable que par son influence gravitationnelle. Selon la loi de gravitation de Newton, les étoiles loin du centre d’une galaxie doivent se déplacer plus lentement que celles proches du centre. Or l’observation de la rotation de la galaxie Andromède montre une vitesse constante des étoiles dans la galaxie, quelle que soit leur position dans celle-ci. Cette observation, pour être compatible avec les lois de Newton, suggère la présence d’une entité massive qui échappe à notre observation. De même, la trajectoire suivie par la lumière qui nous parvient de certains objets célestes lointains ne peut s’expliquer que par la présence d’une masse en chemin qui échappe elle aussi à nos observations. C’est l’effet de lentille gravitationnelle. À moins de mettre en cause la nature des interactions gravitationnelles, ces observations mènent à la conclusion nécessaire de l’existence de la matière noire. Existe-t-il réellement une matière « noire », ou devrions-nous plutôt considérer d’autres formes d’interactions ? Genève – La Physique des particules et la Cosmologie à Genève s’efforcent d’apporter une réponse à

cette question. Le détecteur central de l’instrument AMS a été construit par nos équipes pour étudier les particules d’origine cosmique. Dans l’espace, au-dessus de l’atmosphère terrestre, il peut y voir un grand nombre de particules à très haute énergie venant de l’Univers. Un aimant permet de distinguer les particules de matière et d’antimatière qui, en traversant l’instrument, laissent des signatures spécifiques dans une série de détecteurs. Ces interactions devraient apporter des réponses sur la problématique de l’antimatière et l’origine de la matière noire. Voir Projet Scientifique – PARTICULES

En revenant sur terre, nous observons des interactions (conduction, convection, radiation, …) entre notre atmosphère, la croûte océanique en circulation, et la croûte et les manteaux terrestres. Les rotations terrestres sur son axe et autour du Soleil complètent ce tableau pluridimensionnel, où les interactions énergie-matière et matière-matière se couplent. Notre évolution climatique est la résultante de toutes ces interactions sur des mailles spatiales et temporelles multiples. L’étude des cycles de réchauffement et de refroidissement climatiques doit s’appuyer sur des outils de simulations et de modélisations sophistiqués qui permettent d’assembler des informations jusqu’ici réparties dans de multiples disciplines. Pouvons-nous intégrer dans un modèle unique les données provenant de l’ensemble des disciplines touchant aux questions climatiques ? Genève – Genève s’est donné le défi de comprendre les mécanismes des événements climatiques

extrêmes et leur évolution. La modélisation mathématique et le besoin d’équations non-linéaires sont des outils clés qui vont grandement bénéficier des nouvelles synergies du Centre.

Voir Projet Scientifique – CLIMAT et MATHS

Le détecteur de particules cosmiques AMS, développé au CERN et par nos équipes à Genève, a été installé sur la station spatiale internationale (ISS) en mai 2011. La preuve expérimentale au CERN ou avec AMS de l’existence - ou non du boson de Higgs est essentielle à notre compréhension de l’Univers, en particulier l’origine de la masse (l’énergie et la lumière n’ont pas de masse).

Zones d’émergences

Les interactions déterminent la nature de notre environnement. Mais elles sont pour

nos chercheurs aussi un moyen de sonder ses propriétés et d’agir sur lui. Nos technologies et notre savoir nous permettent de plus en plus de maîtriser les conditions expérimentales et « mettre en scène » des interactions dans un contexte qui ne se produit pas naturellement. Nous pouvons ainsi générer des phénomènes ou construire des systèmes artificiels pour observer et exploiter des propriétés inédites.

L’interaction lumière-matière permet de sonder ses propriétés physico-chimiques jusqu’à l’échelle moléculaire, voire atomique, avec des lasers. Elle permet de maintenir des atomes dans une grille tridimensionnelle de façon à former un solide artificiel dont nous pouvons contrôler certaines propriétés clés, en particulier l’intensité des interactions atomiques. Ces systèmes simulent la matière solide et permettent de valider des modèles développés par nos théoriciens.

Le faisceau laser est une lumière cohérente, dans laquelle toutes les particules de lumière se propagent en phase et à la même énergie.

Serons-nous un jour maître de la foudre ? Genève – En physique appliquée à Genève, nous perfectionnons des faisceaux laser très puissants

qui nous permettent de déclencher les éclairs, mais aussi de produire des nuages de vapeur d’eau. Ces recherches particulièrement innovantes et les instruments qui y sont associés, nous positionnent à la pointe dans le contrôle des processus atmosphériques et la géo-ingénierie. Ces lasers particuliers nous permettent aussi d’obtenir une cartographie tridimensionnelle de polluants divers présents dans l’atmosphère. Un de nos objectifs majeurs est de fournir une mesure quantitative de la concentration d’aérosols dans l’air. Voir Projet Scientifique – CLIMAT

La maîtrise technologique autorise la conception et la synthèse de nouvelles classes de matériaux. Elle facilite la création de substances avec des propriétés prédéterminées, voire un mélange de propriétés, qui ne se retrouveraient pas ensemble dans la nature. Plus fascinant encore, la maîtrise ultime d’une synthèse avec précision atomique permet une combinaison totalement artificielle de substances qui favorise des interactions particulières et peut conduire à l’émergence de propriétés inédites. Nos atomes seront-ils un jour de simples pièces de Legos ? Genève – Le niveau de contrôle sur les atomes est impressionnant, mais bien des énigmes restent à explorer.

La compréhension théorique du comportement des systèmes fortement corrélés et de leur dynamique est un champ d’investigation prioritaire de nos équipes dans la physique de la matière condensée. Voir Projet Scientifique – MATéRIAUX et NANO

Interaction : réactions réciproques entre deux objets ou phénomènes. Corrélation : rapport réciproque entre deux notions ou objets.

Les matériaux à fortes corrélations sont des substances dans lesquelles les interactions électronsélectrons et électrons-atomes sont très fortes. Ils sont essentiels pour de nombreuses technologies modernes (mémoires, IRM, …)

Phénomènes nouveaux

L’aptitude à manipuler et caractériser la matière à l’échelle atomique au moyen

de « sondes à balayage en champ proche » amène un regard particulier. Leurs capacités uniques à explorer simultanément la structure atomique et les propriétés physiques sont en progrès permanent. Elles nous permettent d’étudier les matériaux dont les propriétés macroscopiques découlent directement de corrélations ou d’interactions électroniques à l’échelle atomique. Des possibilités d’applications inédites s’ouvrent, au-delà de l’électronique standard, avec des matériaux « oxydes » où des nouveaux phénomènes collectifs apparaissent aux interfaces et présentent des propriétés radicalement nouvelles et fonctionnelles, différentes de celles de leurs matériaux d’origine. Peut-on devenir des architectes de la matière ?

Avec le besoin croissant de capacité et les limites atteintes par la miniaturisation, nous devons trouver des nouveaux matériaux pour l’électronique du futur.

Genève – Notre groupe de physique de la matière condensée utilise une large gamme de techniques de

microscopie en champ proche qui analysent le relief à l’échelle atomique en exploitant des interactions matière-matière et électrons-matière. Voir Projet Scientifique – NANO

Dans les matériaux avec des propriétés propres couplées, comme les systèmes multi-ferroïques magnétoélectriques, l’interface des matériaux présente un comportement inhabituel. Nous étudions le comportement statique et dynamique de ces interfaces afin de clarifier leurs effets de couplage magnétoélectrique microscopiques. D’énormes opportunités sont aussi offertes par des interfaces avec des matériaux biologiques. Voir Projet Scientifique – MATéRIAUX L’optoélectronique quantique est considérée comme l’une des dix technologies qui changeront le monde. L’étude des corrélations non locales comme une ressource pour le traitement de l’information est sans équivalent dans aucune autre science. Les recherches en optique quantique doivent conduire à une compréhension de l’origine des corrélations non locales qui semblent encore, en quelque sorte, comme surgir de l’extérieur de l’espace temps. Pourquoi explorer des mondes « magiques » où les comportements défient notre bon sens ? Genève – Comme pour les jumeaux, deux particules intriquées restent « connectées » même à

distance. Lorsqu’une nouvelle particule vient déranger l’une des deux, sa jumelle réagit comme si elle avait directement interagi avec cette nouvelle particule. L’ « apparition » de la particule étrangère aux deux endroits simultanément, sans transport réel, est le phénomène de la téléportation. Des recherches de pointe dans ce domaine permettent à Genève d’être leader en cryptographie quantique. Le gouvernement genevois a implémenté ce système de communication de l’information basé sur le phénomène de corrélation non locale pour le e-voting. Voir Projet Scientifique – NANO

Ces technologies qui, aux yeux du XXe siècle semblent magiques, ouvrent la voie à la réalisation d’un web quantique, aux simulations de systèmes quantiques complexes et à l’ordinateur quantique.

L’optoélectronique, à la fois branche de l’électronique et de la photonique, étudie les composants électroniques qui émettent ou interagissent avec la lumière. Elle est à la base des télécommunications par fibre optique. Même éloignés l’un de l’autre et en absence de lien physique entre eux, deux photons dits « intriqués » continuent à ne former qu’une seule et même entité quantique.

Quels liens unissent

la complexité et la prédictibilité dans l’odyssée humaine ?

La complexité n’est-elle

qu’un reflet des limites humaines de compréhension ?

La complexité regroupe

des notions comme l’interdépendance et la non-linéarité, les phénomènes d’irréversibilité, d’émergence et de transition de phase.

La conjugaison des progrès,

théoriques et technologiques, ouvre des perspectives exceptionnelles en matière de compréhension et de maîtrise de systèmes complexes.

Nous pouvons imaginer,

observer, simuler, analyser et comprendre des univers d’une complexité considérable.

Comprendre et gĂŠrer

Nos voyages à l’échelle microscopique et macroscopique nous ont fait découvrir les élé-

ments qui composent notre Univers et comment ils s’associent dans un puzzle géant qui forme notre monde. En plus de jouer son propre rôle, chaque objet petit ou grand contribue à une dynamique et une évolution globales.

La seule étude d’éléments isolés ou de phénomènes indépendants ne donne qu’une image partielle. Pour une compréhension profonde nous devons tenir compte de sa complexité, avec une multitude d’éléments en interactions les uns avec les autres, souvent de façon imprévisible et sur des échelles de temps et d’espace variables. Pris individuellement, ils ne sont pas nécessairement compliqués, mais considérés comme un tout, ils forment un ensemble complexe à analyser. L’état actuel de nos connaissances et des technologies ouvrent les portes à une maîtrise de la complexité et des avenues nouvelles à explorer. Pouvoir comprendre et savoir gérer cette complexité est primordial pour nous permettre de rester à la pointe de la recherche. Cette complexité nourrit les croissances exponentielles qui caractérisent notre monde. Elle nous force à évoluer avec elle et à innover. Savoir la dompter nous permet de prendre une part active dans la construction des systèmes de l’avenir. Comment pouvons-nous gérer ce niveau de complexité accru avec nos outils de recherche traditionnels ? Les mathématiques et la modélisation des systèmes amènent une solution élégante et efficace. Depuis des millénaires les mathématiques ont été le langage universel pour décrire la nature et prédire son évolution, pour aider l’homme à naviguer et à visualiser. Cette science est un outil logique mais sophistiqué et créatif. Elle évolue en permanence au fur et à mesure que la complexité de nos univers se révèle. En réduisant la complexité des systèmes, en neutralisant temporairement l’effet de paramètres incertains, les mathématiques permettent de contourner les barrières physiques de l’expérimentation pour aller au-delà. La formulation mathématique d’un système est une brique essentielle de la quête scientifique.

Comprendre la complexité en soi est devenu une science, tant dans l’urbanisme, le système immunitaire, le web que l’économie. Cette science multidisciplinaire doit étudier la structure, le comportement et la dynamique, pas de l’objet ou du sujet, mais du changement lui-même. Pour évoluer, les systèmes doivent aujourd’hui s’adapter au changement comme un ensemble.

Y a-t-il une limite théorique ou expérimentale à la résolution de la complexité ? Genève – Le Département de mathématiques de l’Université de Genève a une longue tradition

d’excellence. Chercheurs et étudiants internationaux y convergent pour contribuer aux grands défis encore à résoudre. Nos équipes se distinguent notamment dans les domaines de la géométrie et topologie qui inclut la théorie des groupes et la théorie des nœuds, de l’analyse numérique qui permet la modélisation grâce aux équations différentielles et de la physique mathématique qui développe des outils nécessaires à l’exploration des théories physiques. Voir Projet Scientifique – MATHS

La géométrie tropicale est une nouvelle branche de la géométrie algébrique en plein développement. Elle peut représenter pour la géométrie classique ce que la physique quantique représente pour la physique.

Graal scientifique

L’astronomie, la physique et les mathématiques font face

aujourd’hui encore à un défi commun : l’incapacité de décrire, dans un système unique, l’ensemble des phénomènes et des composants de la nature. En somme, une manière simple d’expliquer le pourquoi et le comment des interactions complexes de l’infiniment grand à l’infiniment petit. La physique se base largement sur les deux grandes théories du XXe siècle. Chacune très performante dans leur domaine d’application, elles n’arrivent cependant pas à nous éclairer sur des systèmes complexes où elles opèrent conjointement. Ces deux dimensions extrêmes pourraient en fait n’être qu’un tout et devraient ainsi être étudiées comme un ensemble. Les mathématiques jouent un rôle important dans la résolution de ce problème en offrant un moyen « simplifié » de regarder l’ensemble de ces structures. Ces théories et leurs équations permettent de s’absoudre de paramètres qui empêchent d’identifier le bon chemin ou même de voir la solution.

Les interactions électromagnétiques et les interactions nucléaires forte et faible sont des interactions particulières d’une forme plus générale, mais que la gravitation échappe encore à cette unification.

La recherche d’une théorie du Tout occupe physiciens et mathématiciens depuis près d’un siècle. Cette grande unification permettrait de finaliser l’unification des 4 lois de la physique (gravité, interactions nucléaires forte et faible, force électromagnétique) en une seule théorie. La force de gravité, qui est infime par rapport à la force électromagnétique, n’a toujours pas trouvé sa place dans l’équation du Tout. Une tentative récente pour formuler cette théorie du Tout est le développement de la théorie des cordes. Cette élégante solution « géométrique » permettrait de simplifier la complexité des systèmes et de naviguer confortablement tant au niveau quantique que macroscopique en tenant compte des 4 lois fondamentales et de l’espace-temps. Existe-t-il une théorie unique pour expliquer l’ensemble de systèmes complexes ? Genève – L’équipe de mathématiciens en physique mathématique à Genève travaille sur une

formulation de la théorie des cordes. Au-delà du défi mathématique pur, ces recherches nous proposent une méthode de construction de l’Univers sans contradictions décrite dans une formule mathématique unique. Elle devrait nous permettre de mieux comprendre son origine et son évolution.

Voir Projet Scientifique – MATHS

La théorie du modèle standard propose quant à elle une solution au niveau microscopique. Elle décrit l’ensemble du système particules-forces qui constitue la matière et permet d’expliquer tous les phénomènes naturels observables à l’échelle des particules - à l’exception de l’effet de la gravitation et de la matière noire. Une alternative au modèle standard serait-elle donc nécessaire ? Nous n’avons aujourd’hui pas encore tous les outils pour comprendre le système complexe matièreénergie dans son ensemble.

La théorie des cordes suppose que les particules élémentaires sont en fait de minuscules cordes cent trillions de fois plus petites. Ces cordes ouvertes ou fermées (anneaux), vibreraient au niveau subatomique, chacune des vibrations correspondant à une particule dans un état particulier.

Transitions de phase

D’autres complexités se manifestent au passage de systèmes macroscopiques

d’un état à un autre. Dans la recherche sur le climat et certains phénomènes météorologiques comme les tornades, nous observons des changements d’états soudains et difficiles à prédire. Ces transitions abruptes sont associées à des points de basculement (Tipping Points). Bien qu’acceptés dans leur principe, leur seuil, leur survenance, les nouvelles conditions d’équilibre échappent encore à nos capacités de prédiction. Quel est le point commun entre l’échelle géologique du climat et son échelle météorologique ? Genève – Les chercheurs en physique du climat à Genève se concentrent sur les instabilités du

système climatique. La transition d’un état apparemment stable vers un nouvel équilibre irréversible en passant par une phase de chaos peut s’appuyer sur des modèles mathématiques probabilistes spécifiques, comme les équations différentielles partielles utilisées pour simuler les tremblements de terre, les tsunamis ou les avalanches. Voir Projet Scientifique – CLIMAT et MATHS Dans les matériaux, nous observons aussi toute une série de transitions de phase d’un état d’équilibre vers un autre. Dans un matériau supraconducteur, la résistance électrique passe subitement à zéro au-dessous d’une certaine température critique. Cette transition est accompagnée de très fortes fluctuations de certains paramètres physiques. Elle est réversible et résulte d’une interaction complexe entre les électrons et les oscillations des atomes dans la structure cristalline. Comment imaginer des matériaux permettant de maîtriser la phase supraconductrice ? GENèVE – Dans cette quête, les équipes de Genève en physique des matériaux mettent en œuvre

des nouvelles méthodes de synthèses et un large éventail de techniques de caractérisation pour identifier le mécanisme physique qui conduit à cet état extraordinaire de la matière.

Voir Projet Scientifique – NANO et MATéRIAUX

La percolation décrit la transition d’un système d’un état imperméable vers un état perméable. Elle permet de comprendre le passage de l’eau dans le marc du café, et décrire le seuil critique qui lui permet d’en extraire l’arôme. Nous pouvons calculer par extension la densité critique d’une forêt à même de prévenir la propagation du feu, ou celle d’une population pour contenir la propagation d’un virus. Une formulation mathématique peut-elle prédire le seuil de percolation ? GENèVE – Un chercheur du Département de mathématiques a reçu la médaille Fields en 2010 pour ses

travaux sur la percolation. L’équipe de physique mathématique a pu apporter la preuve, pour un modèle de percolation triangulaire - un modèle unique de grille infiniment fine - qu’il existe une limite d’échelle. Voir Projet Scientifique – MATHS

Une approche intégrée des processus responsables du comportement non linéaire du climat, par le biais de techniques de modélisation novatrices et faisant appel aux ressources informatiques les plus puissantes, permettra d’améliorer les connaissances des risques associés à un climat qui change et de mieux prédire son évolution future.

Valeur ajoutĂŠe

La complexité est trop souvent considérée comme une barrière. La recherche fondamen-

tale démontre qu’elle est en fait une source de progrès et d’innovation.

Dans ces lieux où nous pouvons aller voir, dans ces matières que nous construisons et dans les théories que nous développons, la maîtrise de la complexité génère en permanence de la valeur ajoutée. Les progrès technologiques renforcent nos capacités à simuler et à comprendre les interconnections multidimensionnelles ou la rétroactivité des composants. Encore faut-il créer les conditions qui permettront de mesurer à l’avenir ce que l’intuition scientifique nous suggère aujourd’hui, mais dont nous ignorons encore l’existence. Les capacités croissantes de calculs allègent les contraintes et nous permettent de modéliser et parfois de visualiser les phénomènes non linéaires et imprévisibles, les effets de seuils irréversibles dans certains changements d’état, et les coévolutions. Encore faut-il créer et intégrer les modèles théoriques, les objets mathématiques et les données expérimentales pertinentes à ces simulations. Pour la communauté scientifique et le public en général, la valeur ajoutée issue de la complexité en recherche fondamentale se traduit très concrètement par la mise à disposition d’outils théoriques ou physiques, capables de résoudre des problèmes et de repousser les limites. L’intégration de cette valeur ajoutée dans une nouvelle plateforme de recherche en astronomie, physique et mathématique, favorise non seulement une augmentation de la masse critique de la connaissance, mais également du potentiel de son exploitation. La maîtrise de la complexité en physique trouve aussi des applications dans la complexité des organisations ou des systèmes d’information. Les trois suivent de manière comparable la théorie des agents adaptatifs. Selon cette théorie, ces systèmes forment en effet des réseaux indépendants de plusieurs « agents » qui agissent en parallèle et influencent rétroactivement le système dans son ensemble. Ces propriétés dynamiques sont essentiellement non linéaires et à l’origine de l’émergence de phénomènes imprévisibles. Dans une organisation, comme dans nos voyages scientifiques, le cumul exponentiel des expériences issues des émergences, et l’influence qu’elles exercent sur l’orientation des actions futures, permet de tendre vers un nouvel état issu de l’énergie du savoir. Nous réalisons chaque jour que la science est une docte ignorance. à chaque siècle pourtant, des esprits éclairés ont considéré le travail accompli. Voltaire ne disait-il pas : « Nous sommes dans le siècle où l’on a détruit presque toutes les erreurs de la physique. »

3e partie . Bienvenue

Perspectives

Un futur proche - Discours d’inauguration Chers Invités, Bienvenue dans une réalisation scientifique et architecturale qui fera date dans l’histoire de Genève et dans celle des sciences astronomiques, physiques et mathématiques. Ce nouveau Centre respecte un subtil équilibre entre une ouverture large, une convivialité rassurante et une intimité nécessaire. Les bâtiments reflètent immédiatement l’esprit modulaire d’un projet prêt à accueillir et nourrir les initiatives scientifiques qui pourront y germer. Le hall central est à lui seul un appel à entamer, ou recommencer ses études. Les zones d’échanges et de travail sont particulièrement bien aménagées et facilement accessibles pour toutes ces disciplines. Au centre de Genève, l’esprit campus apporté par les logements étudiants complète les initiatives visant à concevoir des lieux qui nourrissent l’envie d’apprendre. Ces lieux qui permettent des croisements des disciplines, tout en préservant l’intimité nécessaire au chercheur. Ces lieux enfin qui incitent à rester pour réfléchir et étudier, pour comprendre comment les autres s’y prennent pour relever les défis de la recherche fondamentale. La présence aujourd’hui de tous nos professeurs visiteurs, suisses et étrangers, souligne le succès des liens historiques mais aussi des nouvelles collaborations initiées voici quelques années. Les ambassades inter-facultaires ont, elles-aussi, trouvé rapidement leurs marques avec les projets concrets que vous avez pu apprécier. Le ScienScope, avec son atelier de réalité et son centre de visualisation avancée, nous a ébahis par sa capacité de communication tant pédagogique que scientifique. Il contribuera sans aucun doute à briser la frilosité des étudiants et du grand public face à la science. La visualisation holographique est particulièrement éblouissante. Le Laboratoire de Technologies Avancées (LTA) est déjà une association efficace de l’UNIGE et de HES-SO Genève. Il est activement sollicité par les industries implantées à Genève et qui cherchent à y perpétuer ou à y retrouver le savoir-faire de la recherche fondamentale. Comme l’ont rappelé ce matin nos amis du Centre, en recherche fondamentale, la question est moins de trouver la réponse que de poser la bonne question. Il faut d’abord imaginer puis donner à voir aux autres. Il faut ensuite tordre le cou à la mécanisation pour faire passer l’émotion de la découverte aux futurs chercheurs et futurs étudiants. Il ne faut jamais perdre de vue que le principal obstacle au progrès scientifique est l’illusion de la connaissance. La convergence des matières grises issues de toutes les disciplines du Centre nous le rappellera sans cesse, mais elle activera surtout la production de l’énergie du savoir. Que cette nouvelle énergie nous amène de nouvelles observations, de nouvelles recherches, de nouvelles théories,de nouveaux cursus académiques et de nouvelles vocations. Qu’elle nous emmène dans de nouveaux voyages, dans de nouvelles dimensions et notre nouveau Centre vers l’atteinte de ses ambitions ! Merci de votre attention.