Stanislaw Ulam, le mathématicien qui a « réparé » la bombe H | Café et théorèmes | Science

En 1942, les États-Unis, en collaboration avec le Canada et le Royaume-Uni, créent le projet Manhattan, dans le but de fabriquer la bombe atomique avant les puissances de l’Axe. Dans la conception théorique de la bombe, qui a été réalisée dans le laboratoire secret de Los Alamos (Nouveau-Mexique), de nombreux scientifiques européens qui avaient émigré aux États-Unis fuyant les nazis ont participé. parmi eux se trouvait Stanislaw pêcheur (né le 13 avril 1909 et mort en 1984), brillant mathématicien polonais qui contribuera de manière décisive à la conception de la bombe à hydrogène.

Ulam a grandi dans une famille aisée de la ville de Lviv (aujourd’hui en Ukraine), où il est devenu membre d’une communauté mathématique dynamique. Cependant, l’offre de places dans les universités polonaises était rare, ce qui, combiné à son statut juif, le conduisit à émigrer en Amérique en 1935. Quatre ans plus tard, l’Allemagne envahit la Pologne. Toute sa famille mourra dans l’Holocauste, à l’exception de son frère, qui l’avait accompagné aux États-Unis.

Ulam a essayé de s’enrôler dans l’aviation américaine, mais heureusement il a été rejeté en raison de ses problèmes de vision et a continué à travailler à l’université jusqu’en 1943, date à laquelle il a reçu une invitation du physicien allemand. Hans Béthe aller à Los Alamos pour travailler sur la conception de la bombe atomique.

L’énergie atomique peut être obtenue de deux manières : par le processus de fission, qui consiste à scinder de gros atomes, comme l’uranium ou le plutonium, ou par le processus de fusion, c’est-à-dire en joignant de petits atomes, comme l’hydrogène. Dans les deux cas, le processus commence par une « inflammation » qui provoque la division (ou l’union) de quelques atomes, suivie d’une « réaction en chaîne », dans laquelle le processus se propage au reste des atomes.

Le processus de fusion est plus compliqué et libère beaucoup plus d’énergie que le processus de fission. Mais le processus de fission peut être déclenché avec un explosif traditionnel, tandis que le processus de fusion nécessite une énorme quantité d’énergie, qui ne peut être obtenue qu’avec une bombe à fission. Par conséquent, pour construire une bombe à fusion, il faut d’abord avoir obtenu la bombe à fission. Lorsque ces processus sont exécutés en même temps, une énorme quantité d’énergie est libérée et une bombe est obtenue. La bombe qui utilise le processus de fusion est généralement appelée «bombe à hydrogène», en réservant le terme «bombe atomique» à la bombe qui utilise le processus de fission.

À Los Alamos, Ulam a rejoint l’équipe de Edouard Teller, qui a enquêté sur la conception de la bombe à hydrogène. En juillet 1945, le projet Manhattan a testé avec succès la première bombe atomique et en août Hiroshima et Nagasaki ont été dévastés par les premières armes nucléaires de l’histoire. La guerre était finie et la plupart des scientifiques de Los Alamos retournèrent dans leurs universités.

Cependant, quatre ans plus tard, la Russie se dote de sa première bombe atomique et le président américain Harry Truman donne alors la priorité à la construction de la bombe à hydrogène. Teller a réuni son équipe et a repris le projet, qu’il a dirigé de manière très personnelle. La relation entre Ulam et Teller était tendue depuis le début, ce qui n’a pas été aidé par le fait que le Polonais, avec son collaborateur Cornelius Everett, a passé les six premiers mois de leur séjour à faire des calculs détaillés sur la viabilité du projet de Teller.

Casinos et simulations

Pour cela, il a utilisé une méthode, imaginée par lui-même, qu’il a appelée comme Méthode de Monte-Carlo en l’honneur d’un de ses oncles, qui fréquentait le casino. Elle consiste à résoudre un problème à partir d’un grand nombre de simulations. Par exemple, pour trouver l’aire d’une figure géométrique compliquée (pour laquelle on ne peut pas appliquer les formules apprises à l’école) la solution traditionnelle est d’approximer l’aire avec des figures simples de plus en plus grandes contenues dans la figure géométrique. La méthode de Monte Carlo, quant à elle, propose de prendre d’abord un carré contenant la figure, puis de calculer la probabilité qu’un point aléatoire du carré se trouve dans la figure en exécutant un grand nombre de simulations. Si, par exemple, le carré mesure six mètres carrés et que l’on estime que 33% des points du carré sont dans la figure, alors on peut en déduire que l’aire de la figure sera d’environ deux mètres carrés.

La méthode de Monte Carlo est généralement beaucoup plus rapide à résoudre les problèmes que la méthode traditionnelle. Bien qu’il n’ait pas été le premier à concevoir une telle méthode – elle était déjà utilisée dans l’expérience de l’aiguille de Buffon au XVIIIe siècle – Ulam a été le premier à réaliser son énorme potentiel, grâce aux premiers ordinateurs développés par son ami, le mathématicien hongrois John de Neumann. Aujourd’hui, la méthode est toujours utilisée : elle est fondamentale en science et en ingénierie et est utilisée dans des domaines aussi divers que l’animation 3D ou la biologie évolutive.

Ces résultats, ainsi que d’autres obtenus avec le physicien italien Enrico Fermi, sont décevants : la méthode de Teller ne permet pas de déclencher ou d’entretenir la réaction en chaîne. Peu de temps après, les calculs seraient répétés et confirmés avec l’ordinateur MANIAC de von Neumann. Cependant, en 1951, le même Ulam découvert que si l’hydrogène était suffisamment comprimé à l’aide d’une bombe atomique, la réaction en chaîne fonctionnerait. Après avoir incorporé ce changement dans la conception de Teller, connu sous le nom de procédé Teller-Ulam, le projet de bombe à hydrogène s’est poursuivi jusqu’à ce que la première explosion soit réalisée sur l’atoll d’Enewetak en 1952. La puissance de cette bombe était 400 fois supérieure à celle des bombes atomiques qui tombaient sur Le Japon en 1945. Les Russes ne réaliseront la première explosion fonctionnelle d’une bombe à hydrogène qu’en 1955, avec la conception de Sakharov.

La vie d’Ulam est recueillie dans l’autobiographie intéressante aventures d’un mathématicience qui était transformé en film en 2020. Il y explique sa position concernant l’enquête sur les armes atomiques : « Contrairement à ceux qui se sont violemment opposés à la bombe […], je n’ai jamais douté des travaux purement théoriques. Il ne me semblait pas immoral d’essayer de calculer des phénomènes physiques […]. Ce que je pensais, c’est qu’il ne fallait pas lancer des projets qui mènent à la catastrophe. Mais une fois que l’on sait que de telles possibilités existent, ne vaut-il pas mieux examiner si elles sont réelles ou non ? Une illusion encore plus grande est de croire que si vous ne le faites pas, il ne sera pas possible de le faire. […]”.

Federico Cantero Moran Il est professeur à l’Université autonome de Madrid et membre de l’ICMAT

Café et théorèmes est une section dédiée aux mathématiques et à l’environnement dans lequel elles sont créées, coordonnée par l’Institut des sciences mathématiques (ICMAT), dans laquelle chercheurs et membres du centre décrivent les dernières avancées de cette discipline, partagent des points de rencontre entre les mathématiques et d’autres expressions sociales et culturelles et se souvenir de ceux qui ont marqué leur développement et ont su transformer le café en théorèmes. Le nom évoque la définition du mathématicien hongrois Alfred Rényi : « Un mathématicien est une machine qui transforme le café en théorèmes ».

Édition et coordination : Agate A. Gouvernail G Longoria (ICMAT).

Vous pouvez suivre MATÉRIEL dans Facebook, Twitter e Instagrampointez ici pour recevoir notre newsletter hebdomadaire.