Le tourbillon causé par le passage de l'eau dans le drain a clairement laissé une ombre au fond de la piscine de Luc Saint-Hilaire, de Lévis. Pourquoi?

L'eau claire peut-elle faire de l'ombre?

CHRONIQUE / «Quand j’ai vidé la piscine, l’automne dernier, en utilisant uniquement le drain de fond, il s’est créé un tourbillon. Or une chose m’a frappé : ce tourbillon-là a laissé une ombre au fond de la piscine. Pourtant, l’eau était très claire. Alors comment cela se fait-il? Est-ce que le mouvement de l’eau peut affecter la trajectoire de la lumière?» demande Luc Saint-Hilaire, de Lévis.

Ce qui s’est passé dans la piscine est un phénomène appelé réfraction. Quand la lumière passe d’un milieu à un autre dont la densité est différente, sa trajectoire se trouve à être déviée. Et c’est bien évidemment ce qui arrive quand la lumière quitte l’air, très peu dense (autour de 1,2 kg/m3), pour entrer dans l’eau, qui l’est environ 800 fois plus (997 kg/m3).

Lorsque la surface de l’eau est bien plane, cette déviation ne fait aucune ombre au fond de la piscine. Cela implique évidemment que les objets dans l’eau ne sont pas exactement là où ils apparaissent vu «de l’air» — ils sont un peu décalés parce que leur lumière est réfractée —, mais cela ne fait pas d’ombre. Cependant, explique le chercheur en optique Simon Thibault, de l’Université Laval, le tourbillon déforme la surface de l’eau et change localement l’angle de la réfraction. «La lumière [qui tombe sur le tourbillon] est déviée à des angles assez grands et dans des directions différentes. Ainsi cette lumière est envoyée à d’autres endroits [que le cercle d’ombre]. Comme la déformation de surface est plutôt petite (par rapport à la taille de la piscine), la quantité de lumière déviée est négligeable par rapport à toute la lumière qui éclaire de fond de la piscine. C’est pour cette raison que nous ne pouvons pas la percevoir à l’œil nu [le reste de la piscine n’apparaît pas plus clair]», m’a écrit M. Thibault lors d’un échange de courriels.

Soulignons un petit détail supplémentaire dans la photo que M. Saint-Hilaire m’a envoyée. Tout autour de la zone d’ombre, on aperçoit très nettement un cercle plus lumineux que le reste. Il s’explique par le fait que le tourbillon dévie la lumière vers l’extérieur du «rond» sombre — évidemment, puisque autrement il n’y aurait pas d’ombre. Mais juste sur le pourtour du tourbillon, aux endroits où la surface de l’eau commence à peine à descendre, l’angle de la réfraction est encore très faible et cela a pour effet de concentrer la lumière — d’où le cercle clair. Passé cette mince bande autour du tourbillon, la lumière est déviée à des angles beaucoup plus prononcés et se trouve alors à être essentiellement «dispersée» un peu partout dans la piscine.

«Le phénomène se produit aussi lorsqu’il y a des vagues sur la surface de l’eau, signale M. Thibault. On voit alors au fond de la piscine des franges sombres et claires car la lumière est alors concentrée sur des zones spécifiques. L’étude de ses franges permettrait de mesurer l’amplitude et la fréquence des vagues [ndlr : leur «hauteur» et la distance qui sépare une crête de vague de la suivante]. C’est une technique utilisée en optique pour caractériser des surfaces réfractives.»

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«On apprenait récemment que la galaxie d’Andromède pourrait avoir été créée à partir de la collision-fusion de deux amas stellaires. Mais comment une telle collision est-elle possible? Je croyais que le Big Bang s’apparentait à une explosion, que tout ce qui est expulsé se disperse uniformément dans toutes les directions, et que l’attraction diminue entre les particules projetées par leur éloignement progressif. Dans ces conditions, j’ai de la misère à comprendre comment des collisions pareilles peuvent se produire» demande Christian Marcon.

Dans les explosions qui surviennent sur Terre, il y a deux forces qui dominent complètement la trajectoire des pierres et des débris : la déflagration elle-même, qui poussent la matière à s’éloigner du centre dans toutes les directions — ce qui rend impossible des collisions entre les éclats —; et la gravité, qui finit rapidement par incliner les trajectoires et par tout ramener au sol. Et comme le Big Bang est souvent décrit comme une explosion, il est normal de se la représenter en partant des explosions que l’on connaît.

Mais comme le montre le cas d’Andromède, cela peut être trompeur, avertit le cosmologiste de l’Université Laval Hugo Martel. Il y a des galaxies qui entrent en collision, on en connaît ou soupçonne plusieurs exemples. Comment est-ce possible ?

«Le modèle du Big Bang, c’est un univers en expansion, et c’est globalement vrai, c’est globalement ce qu’on observe. Mais il y a des déviations par rapport au modèle. Les galaxies s’attirent entre elles à cause de la gravité, tout simplement», dit-il.

Sur Terre, les débris d’une explosion ne s’attirent pratiquement pas entre eux. En principe, bien sûr, on pourrait calculer qu’ils exercent une attraction gravitationnelle les uns sur les autres, mais celle-ci est totalement insignifiante comparé aux autres forces en présence (la déflagration et la gravité terrestre). Dans le cas des galaxies, c’est autre chose : leur masse est astronomique et leur gravité, à l’avenant. Les distances sont énormes, bien sûr, mais la gravité agit quand même.

Alors même si le mouvement général de l’univers depuis le Big Bang est celui d’une explosion où les objets s’éloignent les uns des autres, «à cause de la force d’attraction entre les galaxies, celles-ci ralentissent et, parfois, vont faire demi-tour», dit M. Martel.