Le Système Solaire dans 1000 ans

Voir dans l'avenir est le rêve de beaucoup de personnes, mais peu s'interrogent vraiment sur ce que nécessite l'obtention d'un tel pouvoir. Aujourd'hui nous allons voir comment y parvenir, et à très grande échelle : celle de notre système solaire. Nous allons comprendre comment l'astrophysique nous permet avec une grande fiabilité de nous projeter dans les siècles à venir pour savoir avec précision à quoi ressemblera le système solaire et notre planète.

Dans un premier temps nous comprendrons le rôle du déterminisme comme méthode de projection dans le temps, puis nous étudierons l'importance de la puissance de calcul comme moteur de la machine temporelle, pour enfin observer le résultat d'une simulation sur 1 000 ans de notre Système Solaire. 

Contrairement à ce que les petits phénomènes de la vie courante peuvent nous laisser croire, tout n'est pas dû au hasard. C'est même plutôt l'exacte opposé : presque rien n'est dû au hasard. Plus précisement, la plupart des évènements de la vie sont les conséquences de causes qui sont elles mêmes des conséquences d'autres causes, et on peut ainsi remonter très loin (jusqu'au commencement de l'Univers précisement). Le déterminisme est la méthode qui nous permet de comprendre la nature des causes, des conséquences, et ce qui les lient. Grâce à cela, nous pouvons comprendre pourquoi le monde fonctionne ainsi, et même prédire comment il fonctionnera dans le futur, en utilisant nos connaissances des causes et de leur conséquences. 

Concrêtement, chaque domaine du savoir est concerné par le déterminisme, qu'il s'agisse de la psychologie jusqu'au mouvement des galaxies. Lorsque l'on dit bonjour à quelqu'un, on peut facilement prédire s'il va nous répondre en fonction de s'il est Parisien ou non. De même, lorsque l'on soumet quelqu'un à une odeur de croissant chaud (stimulis sensoriel), son appétit va se réveiller grâce aux réactions chimiques qui se seront opérées dans son cerveau. Les neurosciences permettent ainsi de comprendre à un niveau presque physique les résultats de chacune des stimulations auxquelles peuvent être soumis les êtres vivants. Le déterminisme est donc également capable de s'appliquer au Hommes (nous ne sommes pas si "libre" de nos actions qu'on aimerait le penser), mais le fonctionnement du cerveau étant extrêmement complexe (autant que le coeur des étoiles), la science n'est pas encore en mesure de prédire le comportement exacte de chaque individus... mais il y a fort à parier que ça ne saurait plus tarder.

Pour en revenir à nos planètes, nous avons beaucoup plus de chance que pour la psychologie humaine, car le déterminisme total a été atteint depuis de nombreuses années. Kepler de son temps avait déjà fait 90% du travail en réduisant le mouvement des planètes à de simples équations (qui portent son nom), les lois de Kepler. Quelques siècles plus tard, Einstein plia le game en résolvant tous les problèmes restants grâce à sa théorie de la Relativité Générale. Aujourd'hui, nous comprenons exactement l'orbite des planètes autour de leur étoile grâce au phénomène de la gravitation et aux équations qui le décrivent. 

Pour la majorité des problèmes physiques d'échelle humaine jusqu'aux planètes, la clé du déterminisme est l'équation suivante :

∑F = m a

Il s'agit de la seconde loi de Newton. À partir de cette si simple équation, il est possible de dériver une infinité d'équations décrivant des phénomènes physiques de tous les jours (comment esquiver un avion en papier, comment mettre le ballon dans le panier de basket à 100% des coups, comment dévier un astéroide...) et de les prédire avec une extrême exactitude. Il est facile d'utiliser cette équation pour obtenir les lois de Kepler (ne fuyez pas on ne le fera pas !), et donc de connaitre exactement comment se déplaceront les astres de notre ciel dans le futur.

Il ne nous manque plus qu'une chose : connaitre les conditions initiales. Il s'agit de la position actuelle de la planète que l'on veut étudier, ainsi que sa vitesse dans chaque direction, et quelques autres informations mesurables sans trop de difficultés (avec les bons instruments). On utilise alors ces données dans les équations de la mécanique céleste (lois de Kepler), et on peut ensuite connaitre à chaque instant la position de la planète (et plein d'autres infos en manipulant un peu les équations).

En guise d'exemple concret, j'ai codé dans un programme les équations de la mécanisme céleste en implémentant les données de toutes les planètes de notre Système Solaire, et en quelques secondes de calculs nous obtenons le tracé des planètes pour les 170 prochaines années (suffisant pour voir jusqu'à l'orbite de Neptune).

On pourrait se demander "pourquoi pas plus que 170 ans" ? Et bien vous l'aurez peut être remarqué mais j'ai précisé que cela avait pris quelques secondes de calculs... ce qui nous amène au deuxième secret pour prédire le futur : la puissance de calcul.

Nous aurions pu faire tous ces calculs d'orbite à la main sur une feuille de papier (sur un million de feuilles de papier plutôt), mais cela aurait pris toute une vie, tandis qu'avec un ordinateur cela ne prend que quelques secondes. Comme vous commencez à l'apercevoir, prédire le futur nécessite de savoir le faire, mais aussi de pouvoir le faire. Les machines artificielles ont en terme de vitesse de calcul un pouvoir beaucoup plus grand que les machines biologiques - nos cerveaux -. C'est pourquoi des ordinateurs doivent être utilisés.

Mais lorsque l'on veut prédire loin dans le futur, et obtenir une excellente fiabilité de prédiction, il faut prendre en compte tous les éléments du système (astéroïdes, effets relativistes, transferts d'énergie...) ce qui complexifie les équations et alourdie énormement la charge de calcul que doit gérer l'ordinateur. Malheureusement, le processeur des ordinateurs classique n'est pas assez puissant pour ce genre de calculs. À titre d'anecdote personnelle, j'ai quand même essayé, et voilà ce qu'il s'est passé :

1. Le curseur de la souris passe en mode "je tourne sur moi même"
2. Le programme "ne répond plus"
3. Freeze de l'écran
4. Le ventilateur de l'ordinateur se transforme en réacteur d'avion
5. Le clavier de l'ordinateur portable devant brulant (j'aurai dû essayer de mettre un oeuf pour voir...)
6. Exctinction de l'ordinateur.

Heureusement il fonctionne encore, mais il ne s'en est pas complétement remis, malheureusement. Quoiqu'il en soit, c'est comme ça qu'on teste la science. Après cette petite expérience vous vous demandez peut-être "mais du coup, comment on simule le système solaire sur 1000 ans si un ordinateur n'y arrive pas ?" C'est très simple, on utilise un super-ordinateur !

Les superordinateurs sont basiquement des boites de plusieurs mètres carrés ultra ventilées remplies de processeurs sous stéroïdes. C'est un incontournable pour tout département de recherche qui se respecte (par contre ne leur demandez pas leur consommation d'électricité... ça risquerait d'entacher la vision de scientifiques écoresponsables qu'ils ont d'eux mêmes). Mais bref, trêve de sarcasme, car sans ces superordinateurs nous ne pourrions pas obtenir des simulations aussi précises et lointaines dans le futur de notre Système Solaire en seulement quelques heures (ou alors pour éviter de faire planter les ordinateurs cela prendrait plusieurs semaines... la légende raconte que certains scientifiques ont déjà fait cela -on ne citera pas de nom-).

Maintenant que nous avons le savoir et le pouvoir, nous sommes en capacité de prédire comment sera exactement chaque planète du Système Solaire, y compris la Terre, dans 1000 ans !

Voici, avec beaucoup d'humilité, l'intégration d'un programme qui simule le système solaire en temps réel et permet de voyager à plus de 1 000 ans dans l'avenir ! Chaque jour le programme s'actualise et calcul la nouvelle position de chaque planète. Les distances représentées sont également à l'échelle.

Cette simulation puissante est très complète et est encore plus plaisante à utiliser sur un ordinateur. Prenez donc votre temps pour explorer la galaxie... et l'avenir !

Nous avons donc vu comment exploiter les équations déterministes combinées aux machines super puissantes de notre époque pour prédire l'avenir sur un temps très long et avec une extrême précision. Mais cela ne s'arrête pas aux planètes du Système Solaire, car on peut également utiliser cette méthode pour simuler des voyages spatiaux ou même des expéditions interstellaires vers des exoplanètes habitables ! Le potentiel de la vision d'avenir est énorme, et ne manquera pas de nous venir en aide dans de nombreux nouveaux domaines, à l'avenir !

À bientôt dans l'espace !

Référence :

• https://arxiv.org/pdf/2208.13562.pdf

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