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lundi 15 septembre 2014

Ondes et signaux

Contrairement à la matière qui ne peut se trouver en deux lieux différents au même instant, les ondes possèdent la propriété d'ubiquité, c'est à dire la capacité d'être présentes en plusieurs lieux simultanément. De plus, alors que la matière transfère l'énergie lors de chocs ou de contacts physiques, certaines ondes peuvent véhiculer l'énergie à distance à travers le vide sans contact physique direct. Ceci fait que dès que l'on veut faire référence à une action non mécanique ou non physique, la grande majorité de personnes pensent "onde", et parmi ceux qui ont un bagage scientifique minimum rajoutent très souvent le terme "électromagnétique". Pour que les choses soient claires pour tous, cette page rappelle comment la science regroupe en 7 catégories les différentes types d'ondes que l'on peut rencontrer dans la nature:
1. Ondes élastiques
2. Ondes capillaires
3. Ondes acoustiques ou sonores
4. Ondes électromagnétiques
5. Ondes gravitationnelles
6. Ondes de probabilité
7. Ondes subtiles
Les catégories 1 à 3 sont des vibrations qui ont besoin d'un support matériel pour se propager: solide (n°1), liquide (n°2) ou gazeux (n°3). S'il n'y a pas de matière, aucune énergie ne peut être transportée via de telles ondes. Détaillons très brièvement chacune des catégories. 
Lorsqu'on se place à l'échelle de notre planète Terre, les ondes élastiques de la première catégorie s'identifient aux ondes sismiques. Pour des objets moins massifs, ce sont des ondes qui changent la forme de l'objet de manière périodique comme on peut le voir sur cette très célèbre vidéo:


Les ondes capillaires sont également bien connues de tous sous la forme des rides que l'on observe à la surface de l'eau dès qu'elle est agitée:

Il est important de bien comprendre que les ondes des catégories 1 à 3 peuvent aussi véhiculer une chose immatérielle bien différente de l'énergie qui est l'information. Les ondes acoustiques sont par exemple abondamment employées dans le monde animal (cris) et humain (langage) et l'on doit bien comprendre que quand je parle, j'émets bien sûr de l'énergie acoustique mais également un message informationnel qui utilise l'énergie acoustique comme moyen de propagation et atteindre l'autre. De même quand je danse, je soumets mon corps à des déformations de nature élastiques et je dépense de l'énergie, mais je transmets aussi un message non matériel, une information aux autres personnes. La bouteille à la mer est un dernier exemple de l'utilisation de l'énergie disponible dans les ondes capillaires pour transmettre un message. Pour résumer, toute propagation d''énergie sous forme d'onde, peut être employée pour véhiculer un message, une information, chose bien distincte de l'énergie qui n'est que le moyen de transport. En science, le principe de relativité stipule que toute propagation d'énergie sous n'importe quelle forme que ce soit ne peut se faire plus vite que la vitesse de la lumière. On parle alors de signal dès qu'il y a propagation non seulement d'énergie mais également d''information susceptible de mettre la matière en mouvement. Si seule l'énergie est transportée sans information, on parle de bruit. Enfin s'il y a propagation d'information sans dépense d'énergie, on parle d'onde de phase. Pour bien comprendre cela, rappelons la forma générale d'une onde:

Enfin les ondes acoustiques concernent tous les sons et bien évidemment la musique en général:


On voit qu'il faut trois choses pour caractériser une onde: une longueur d''onde qui correspond à la distance entre 2 crêtes ou 2 talweg, une amplitude qui correspond à la hauteur des bosses ou des creux et aussi une phase qui correspond au choix de l'origine pour mesurer les distances. Classiquement l'énergie disponible à un instant donné correspond au carré de l''amplitude maximale de l'onde, tandis que l'énergie véhiculée correspond à la valeur moyenne sur une période du carré de l'onde (valeur efficace). On voir donc clairement que le principe de relativité qui limite la vitesse maximale de propagation de l'énergie supportée par l'onde concerne la vitesse de propagation des maxima et les minima de l'onde. On parle alors de vitesse de groupe. Mais on peut aussi s''intéresser à la vitesse de propagation des points où l'onde s'annule. Comme l'énergie est proportionnelle au carré de l'amplitude et qu'en ces points particuliers l'amplitude est nulle, cette vitesse ne concerne en rien l'énergie mais correspond bien à la phase. On parle ici de vitesse de phase et comme aucune énergie n'est disponible en ces lieux, cette vitesse de phase n'est pas soumise au principe de relativité et toute valeur, y compris celles supérieures à la vitesse de la lumière sont possibles. Dans le cadre d'une distinction claire entre énergie et information, il est légitime d'associer à l'énergie la vitesse de groupe finie et à l'information pure la vitesse de phase, non limitée. Cette identification est d''ailleurs parfaitement conforme à la non-localité observée de la physique quantique (expériences d'Alain Aspect sur la violation des inégalités de Bell).
Les catégories 4 à 5 sont des vibrations qui peuvent propager l'énergie en l''absence de matière, c'est à dire dans le vide. Dans la catégorie n°4 on trouve évidemment la lumière et bien sûr tout le spectre électromagnétique:


Dans la catégorie n° 5 des ondes gravitationnelles, on range tous les phénomènes liés à la gravitation:

En toute rigueur, il est bon de noter qu'il n'y a encore aucune confirmation expérimentale de l'existence de telles ondes et que l'on s'active actuellement fébrilement pour les mettre en évidence. Comme ces ondes sont prévues par la théorie de la relativité générale et que cette théorie est validée dans ses moindres détails chaque fois que l''on utilise un GPS, il est fort probable que l'on arrivera à les détecter dans un futur proche.
Comme ces ondes de catégorie 4 et 5 transportent de l'énergie elle ne peuvent se propager plus vite que la vitesse de la lumière (principe de relativité). Comme les ondes précédentes, il est néanmoins possible de propager de l'information via la phase de l'onde.
La catégorie n°6 sont des ondes qui se propagent à des vitesses supérieures à la vitesse de la lumière et ne peuvent donc véhiculer que de l'information et pas d'énergie. Il s'agit des fameuses ondes de matière de Louis de Broglie et qui sont abondamment traitées dans les nombreux livres de physique quantique. Voici l'un des rares films permettant de se faire une idée de ce type d'onde:


Comme il s'agit ici d'ondes purement informationnelles ne véhiculant aucune énergie, il est plus commode de les appeler "ondes de probabilité", car le carré de ces ondes correspond à la probabilité d'observer la masse, qui contient toute l'énergie, en un lieu donné.
Il est bon de savoir que la recherche scientifique académique ne reconnaît que les catégories 1 à 6. Pour la recherche non académique il existe une septième catégorie où l'on trouve: les onde psychiques (télépathie), les ondes biologiques (dynamisation de l'eau), les ondes de forme (parapsychologie, Feng-Shui), les ondes telluriques (radiesthésie, réseaux Hartmann, Curie, etc...), et bien d'autres encore. Pour la commodité du langage, j'ai l'habitude de regrouper ces phénomènes sous l''appellation "ondes subtiles". Si de telles ondes existent bel et bien, une seule chose est sûre: il ne peut s'agir que d''ondes de phase purement informationnelles, similaires ou distinctes des ondes de probabilité. Si de telles ondes véhiculaient une réelle énergie physique, elles seraient en effet détectables avec les appareils de mesure physiques de la science actuelle et seraient donc officiellement reconnues au même titre que les autres. En fait, le point commun à toutes ces ondes subtiles, c'est qu'elles ne sont pas invariantes par changement d'observateur comme les ondes officielles. Il faut impérativement faire intervenir ici le sujet qui réalise la mesure. Le cadre théorique quantique a été formulé par le physicien Joel Sternheimer qui a montré que de telles ondes impliquant le sujet ou l'observateur n'étaient pas des ondes de Broglie mais de nouvelles ondes assurant la propagation de l'information d'échelle en échelle, raison pour laquelle elles ont été baptisées "ondes d'échelle".

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