Variations Physiques

Appel à résidence création immersive AADN Planétarium de Vaulx-En-Velin

Présentation de la création

Synopsis Les Variations Physiques sont un ensemble de créations immersives inspirées des merveilles cachées de la recherche scientifique. Avec une scénarisation inspirée des structures musicales baroques en trois temps, cette première oeuvre met en scène trois expériences de magnétohydrodynamique à travers un nuage de particules en mouvement perpétuel régi par des équations qui lui impriment des dynamiques surprenantes et esthétiques. Successivement passives et animées d’une volonté propre, les particules nous renvoient à notre propre condition : l’essence de la vie réside-t-elle dans la complexité infinie d’une grande équation ?

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Avant-propos Je crois n’avoir jamais envisagé les mathématiques autrement que par leur représentation graphique, car écrire une équation c’est pour moi dessiner toutes les réalités de ce qu’elle met en jeu. Au milieu de la mosaïque de dessins de petits-enfants ornant la chambre de ma grand-mère se trouve encore cette page A4 remplie de symboles grecs et de nombre arabes, qui expriment probablement la solution messianique d’un problème inventé. Incongru au possible, me direz-vous peut-être, mais beau ? Cet amour pour les chiffres qui m’a longtemps porté a laissé place à la physique le jour où je découvris qu’il était possible de prédire le mouvement d’un projectile grâce à l’opération d’intégration. Les mathématiques commencèrent alors à prendre un tout autre sens : un langage pour le physicien qui veut décrire, comprendre et explorer l’univers. Elles perdirent leur intérêt pur lorsque dans les plus hautes années d’études, on ne s’intéressait plus qu’à l’application systématique de théorèmes, permettant de bâtir des pyramides logiques dont la teneur échappe à la sensibilité et qui se moquent de toute approche graphique. Au moment de cette transition, des rudiments de programmation me permirent de ressentir l’excitation de la recherche à ma modeste échelle, me tenant en éveil des nuits entières quand je parachutais des particules chargées dans un champ de force magnétique pour en observer les trajectoires erratiques. Pour être honnête, je crois que j’étais au moins autant passionné par les couleurs vives et la forme des courbes que par l’intérêt scientifique des résultats révélés. Cette aventure me fit ressentir la fragilité chaotique de la juste mesure, la position exacte de la particule qui permettra une aurore boréale, la valeur exacte de telle variable qui résoudra le problème. J’ai l’intime conviction que cette recherche de la valeur juste est le plus grand point commun entre l’artiste et le scientifique. C’est cette recherche itérative qui permet à l’artscientiste de constamment confronter l’état de son travail à son idée du beau, et d’agir avec son moyen d’expression pour y parvenir. Pinceau de calligraphie ou algorithme d’optimisation sous contraintes, le choix du chemin est libre. Ce ressenti du beau, je crois qu’il est propre à chacun, mais n’ayant pas suivi de cursus académique porté sur l’art je ne permettrai pas l’aventure dans des débats d’idées qui me sont externes. J’ai cependant une certitude : l’exercice de réflexion sur notre perception du beau se doit d’être authentique et personnel. Il est probablement sans fin et assurément extrêmement subjectif, mais j’aimerais partager mes trois dimensions du beau puisque vous m’avez fait l’honneur de lire jusque là.

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De l’échelle de l’atome à celle des galaxies nous retrouvons une notion commune que nous avons appelé symétrie. Aux multiples adjectifs, elle est nécessaire à la vie qui émerge en ordonnant les éléments d’un tout et minimisant ses dépenses d’énergie, permet à une cathédrale de tenir debout, décrit des comportements célestes, etc. L’anatomie humaine est elle-même un panaché de symétries et dissymétries à différentes échelles. Notre relation à la symétrie est exceptionnelle, nous la projetons partout dans le monde depuis des siècles si bien que nous en avons systématiquement autour de nous. Au fond, je crois que nous l’aimons tant car elle nous permet de comprendre l’entièreté d’une chose en n’observant qu’une partie, ce qui nous élève et nous rassure. C’est de là qu’une équation unique décrivant tout un champ de force tient sa beauté : par sa nature elle résume toutes les évolutions possibles des éléments qu’elle affecte. Notre rapport aux dimensions des choses est un deuxième facteur du beau : la grandeur. Combien de nos sens et en quelle proportion sont-ils affectés ? De combien de façons l’oeuvre nous dépasse-t-elle ? Là où une Merveille du Monde nous impose a minima sa taille, un orchestre nous submerge de sons et de vibrations. L’émotion que l’on tire est certes liée au détail de la richesse des nuances, au jeu des consonances et dissonances mesurées, mais avant tout à l’ampleur juste. En ce sens, le dôme du Planétarium est un médium qui met l’oeuvre sur un piédestal de grandeur visuelle et sonore. Métaphore directe du ciel, il nous positionne en observateur. L’immersion ne peut cependant avoir lieu que si la calibration de notre rapport avec toutes les dimensions de l’oeuvre est juste, et je crois que c’est ce qui doit guider le travail de résidence dans ce lieu particulier. Enfin, pour une raison que je ne parviens pas encore à embrasser complètement, une oeuvre qui met en jeu un élément organique vivant nous transporte davantage, par rapport à un élément inanimé ou mû par des lois qui paraissent non naturelles. C’est un axe de recherche qui reste pour moi à explorer. Au-delà des déformations organiques 3D et des transitions entre champs de forces qui sont naturellement fluides, trouver des mécaniques qui donneront à un nuage de particules une volonté propre perceptible me semble être un défi très intéressant. J’espère en écrivant ces lignes que vous aurez saisi l’essence de ce qui me porte à vouloir partager par ce projet la beauté intrinsèque des sciences fondamentales.

Alexandre Andrieux 10 mai 2018

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Équipe

Nom de la création : Variations Physiques Genre artistique : Performance audiovisuelle immersive Équipe : Alex Andrix Direction artistique et scientifique, programmation Mickael Bourgoin Directeur de Recherche CNRS au Laboratoire de Physique ENS Lyon Magnétohydrodynamique, Instabilité dynamo, Approches Lagrangiennes Nicolas Plihon Chargé de Recherche CNRS au Laboratoire de Physique ENS Lyon Magnétohydrodynamique, Instabilité dynamo, Turbulence plasma Jean Lilensten Directeur de Recherche CNRS, Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble Créateur de la Planeterrella Jean-François Robin (Melting Space) Artiste 3D, scenariste VR, expert Unity Benoit Arbelot (Théoriz) PhD in computer graphics, INRIA Auteur du système de particules KAPPS Nicolas Chartier (Le Séquenceur) Direction musicale Dorian Mignerat Violoniste

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Intentions Ce dossier de présentation a pour vocation de transmettre les idées qui font le projet. Pour cela je choisis de briser un peu les règles et opte pour un format particulier : un ensemble d’extraits d’emails et de discussions échangées pendant le mois de mai. J’espère de cette manière permettre au lecteur d’entrer tout de suite dans le coeur des idées et de leur évolution, sans vernis. Je partagerai également des images/vidéos ainsi que quelques détails et réflexions.

Extraits d’échanges “Je suis en train de construire un projet avec des laboratoires de recherche pour visualiser en 3D et de façon artistique les phénomènes incroyables qu'ils mettent en oeuvre dans leurs expériences. Jusqu'alors, il s'agissait de monter une collaboration pour créer une expérience en VR, dans l'esprit de ce qu’on avait présenté au Mirage Festival avec jeanf mais plus axé sur la partie physique des particules. Là avec l'appel de l'AADN et le dôme, le projet peut prendre une toute autre ampleur et s'inscrire franchement dans une pratique de sublimation des sciences fondamentales par l'art.” “Pour la scénarisation, ça ressemblerait à un nuage de particules en mouvement perpétuel régi par des lois variables, qui lui imposeraient des dynamiques basées sur les équations de magnétohydrodynamique, d'attraction Newtonienne, etc. Les transitions seraient douces car la nature physique des forces fait que l'on peut passer d'un champ de force à l'autre de manière fluide. Parfait pour un changement de décor/d'ambiance. Côté sonorisation, j'imagine un arrangement en trois mouvements. Deux options que l’on peut coupler : une rythmique plus électro avec des ambiances spatiales, et une composition instrumentale axée sur les cordes (violon, violoncelle ou autre) et plutôt baroque, sur les modèles Allegro - Largo - Allegro.” “Je réfléchis en ce moment à monter un projet au croisement de la recherche scientifique, de l'art numérique et de la musique dans le cadre de cet appel à résidence. La version initiale serait une mise en scène artistique 3D des phénomènes de magnétohydrodynamique, sur une composition en trois mouvements calquée sur les mécaniques baroques. J'imagine une performance d'un(e) musicien(ne) classique en accord avec les mouvements de particules soumises à des champs de forces. L'expérience pourrait s'inscrire dans une série de Variations Physiques, qui seraient des oeuvres courtes illustrant un phénomène d'intérêt scientifique et beau. Cet appel à résidence pourrait nous permettre de créer une première pièce avec le labo de physique sur le dôme 360° et en VR, mais j'imagine des suites allant chercher d'autres sujets issus des labos. À ce stade-là, je crois que vous êtes bien placés pour imaginer ensemble les perspectives.”

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“J'imagine pour les trois mouvements de l'oeuvre m'inspirer des trois expériences de MHD suivantes : 1 - Le canon à plasma de Nicolas, avec sa longue forme torsadée et la division en colonnes (modes propres) 2 - La Planeterrella, et le mouvement de particules soumises à un voire deux champs type magnétosphère 3 - L'icosaèdre d'une expérience de Mickael où tous les couples de faces opposées impriment des rotations inverses, ce qui crée un milieu homogène et isotrope au centre” “Mon message s'adresse à toute la société, les enfants qui doivent choisir entre la "science" et le reste, les adultes curieux qui entendent l'expression "les scientifiques" toutes les cinq minutes sur Arte comme si c'était un corps mystique. Oui je veux partager une admiration, et secrètement j'espère lever des blocages sur le cloisonnement des disciplines. Et en cela tu as raison : même la MHD est un opportunisme car je la réduis au statut d'exemple frappant de mon message. Je passe sous silence beaucoup de sa richesse et de ses applications réelles, mais je crois pouvoir assumer mon approche vulgarisatrice.”

Ressources 1 - Système de particules KAPPS Cette vidéo présente le système de particules KAPPS (Kinetic And Physical Particle System) développé par Théoriz sur la base du travail de Keijiro Takahashi. C’est à partir de ce système que l’équipe développera de nouveaux modèles physiques inspirés des expériences des chercheurs et réalisera la création graphique.

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2 - Résultats obtenus avec KAPPS Le projet _Transition dirigé début 2018 par Jean-François et présenté au Mirage Festival nous a permis de développer des briques physiques supplémentaires pour le système KAPPS. J’ai pu mettre à l’essai une démarche d’imagination des champs de forces 3D simples comme un trou noir ou un ouragan pour les traduire en équations. Benoit a ensuite récupéré et modularisé les éléments développés dans le cadre de _Transition pour les inclure dans le système coeur. Les scènes présentent une création artistique plus large mais l’une d’entre elle met particulièrement en jeu le système de particules, en voici quelques aperçus. Nous continuons à développer cet autre projet.

3 - Expériences de magnétohydrodynamique La magnétohydrodynamique, ou MHD, est une discipline de la physique qui étudie les mouvements des fluides conducteurs de courant électrique. C’est une discipline riche et complexe que l’on essaie d’approcher en simulant des conditions simples pour résoudre les équations du fluide, décrire le déplacement de particules chargées ou visualiser les mouvements de convection. C’est le coeur d’étude des trois chercheurs de l’équipe de la première variation, qui ont chacun mis en place des expériences en laboratoire pour mieux comprendre les phénomènes.

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La première expérience est un canon à plasma qui permet d’analyser les déplacements de charges à l’intérieur du flux. Ces analyses révèlent un enroulement hélicoïdal du flux, ainsi que la formation de filaments de convection, comme des petites tornades avec des rotations opposées. La danse de ces petites tornades de plasma à l’intérieur du flux, dont le nombre varie, est hypnotique et fascinante.

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La seconde expérience est un large icosaèdre rempli de fluide avec des turbines collées sur les faces intérieures du solide. Les faces opposées ont un mouvement de rotation inverse, si bien qu’au total le fluide au milieu est immobile. Ce dispositif permet de créer des conditions simples pour étudier les fluides magnétiques. L’icosaèdre dispose également d’une ouverture sur le dessus, par laquelle on peut lâcher des traceurs, de toutes petites billes luminescentes qui vont suivre les lignes de champ du fluide. De cette manière on étudie le fluide par la description du mouvement observé plutôt que par la résolution d’équations complexes. On parle d’approche Lagrangienne, et je crois qu’elle traduit bien l’élan vulgarisateur du projet qui ne cherche pas à affronter la complexité traditionnelle de la science des plasmas mais à la faire parler autrement.

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La dernière expérience s’appelle la Planeterrella. Avec deux sphères métalliques sous tension et du gaz dans une cloche de mise sous vide, elle permet d’observer le mouvement des particules chargées. On reproduit ainsi les conditions d’apparition des aurores boréales, qui résultent de l’entrée du vent de plasma solaire dans l’immense champ magnétique terrestre. Refusant de breveter une invention spectaculaire, son créateur Grenoblois a permis sa reproduction partout dans le monde.

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Détails et réflexions J’envisage ce projet comme une grande aventure, avec son lot de certitudes et d’incertitudes. Surtout j’espère animer l’équipe et son entourage dans le partage de leurs savoirs, savoir-faires, personnalités, convictions, ce qui pour moi vaut tous les efforts d’orchestration ! Tout ce que j’ai pu imaginer jusqu’à présent l’a été avant tout échange avec l’AADN et le Planétarium. Je pense que le partage de l’élan initial de l’équipe avec les conseils et ressources des porteurs de projet permettra d’enrichir les réflexions, d’orienter les décisions, de remettre en question tout un tas de choses qui aboutiront à une première variation, complète. La masse de travail à accomplir est considérable, et c’est pourquoi il faut que les jours passés au dôme soient précédés de tout ce qui peut s’anticiper. J’estime qu’il faut au moins trois semaines de travail en amont pour les réflexions scientifiques et artistiques, les premiers tests, le bouleversement des idées. J’ai le sentiment que le plus grand défi lorsque l’on veut lier art et science au sens traditionnel, c’est de trouver la juste signification de “ s’inspirer de “. Mon objectif sur ce sujet est d’étudier les approches scientifiques avec suffisamment de précision pour structurer des modèles statiques de champ de force qui s’approchent des résultats de magnétohydrodynamique, sans utiliser nécessairement les modèles ‘coeur’ de magnétohydrodynamique aux calculs lourds. Une grande zone d’exploration va être la recherche de rendus graphiques. Un premier projet VR en binôme mettant en jeu le système KAPPS nous a permis d’utiliser les propriétés de rendu par défaut et un peu plus - ajouter un mesh simple texturé sur chaque particule, mélanger les forces, orienter les particules, etc - mais je pense que l’on peut pousser le côté graphique bien plus loin, en imaginant des liens entre les particules et pas seulement leur rendu individuel. Une technique qui pourrait bien fonctionner en post-processing serait l’application successive de filtres de flou Gaussien puis de contraste élevé, ce qui donnerait des effets fluides. Je souhaite que la scénarisation soit clairement inspirée des Quatre Saisons de Vivaldi et de la valse émotionnelle que l’on retrouve sur chaque partie. Rapidité et émotion forte en introduction, largo calme avant la tempête puis final quasi-cathartique. J’ai beaucoup apprécié certaines expériences du Mirage 2018 incluant de la ‘space music’, et jouer à la fois avec ce type de sons et le classique pourrait donner des sonorités prenantes. Là-dessus mon savoir-faire est très limité, et au-delà de l’idée générale je pense que l’équipe musicale aura les ressources pour faire quelque chose de grand et surprenant. Les mouvements de caméras seront à imaginer. Les équations des champs de forces sont conçues depuis un point de vue observateur, extérieur, mais y a-t-il aussi un intérêt à se positionner à l’intérieur du nuage de particules ? C’est fort probable.

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Mon premier pied dans la MHD (magnétohydrodynamique) a été lors d’un projet étudiant en 2010. L’expérience, uniquement numérique, était simple : deux champs dipolaires censés représenter les magnétosphères de deux planètes dans un espace rempli par des particules chargées. Il s’agissait de vingt particules uniques simplement soumises au champ, et j’observai leurs mouvements. Certaines transperçaient les couches proches des planètes (aurores) et d’autres se mettaient à tourner autour (ceintures de Van Allen). Il y en a même qui faisaient des allers-retours entre les deux planètes en tourbillonnant (arches de plasma). Bien sûr le comportement en milieu continu de la MHD est bien plus complexe, mais les motifs sont les mêmes et ont été observés. A l’époque vingt particules sous logiciel Maple suffisaient à faire transpirer un ordinateur mais avec KAPPS les possibilités sont dix mille fois plus grandes, et je m’attends à des découvertes inédites. La réflexion peut-être la plus intéressante derrière la première variation sera celle du vivant. Les particules subissent un environnement exact, imaginé comme on imagine une loi physique pour embrasser la réalité de la nature ou de l’expérience. Mais l’exactitude n’est pas la nature par essence. Comment peut-on reproduire une sensation de vivant par des contraintes exactes ? La cinématique inverse utilisée en robotique permet d’approcher cette sensation car elle lie toutes les particules de façon organique et crée des bras, des filaments, des tentacules qui semblent réelles, mais j’ai le sentiment que la recette du vivant simulé se trouve dans des équilibres entre vitesse, taille et volume des micro-éléments. Qui sont les artistes dans cette oeuvre ? Ce sont d’abord les équations, et l’équipe est là pour le révéler. Ce message est important et je crois qu’il faut le raconter : toute la beauté de ces mouvements est contenue dans une seule équation (enfin trois, une pour chaque mouvement) à qui l’on donne vie par des choix de positions de particules et de variations des paramètres. Au-delà de sa présence sous-jacente permanente dans la création - et de la distribution du programme à l’entrée du dôme qui marquera le début de l’oeuvre - il s’agira de trouver des moyens de rendre ce message explicite dans chaque scène. Pour ce but précis nous avons eu une première idée, qui est de diffuser en spatialisé des extraits très courts d’enregistrements de scientifiques expliquant leurs expériences, baignés dans la composition musicale. L’équipe s’est réunie pour la première fois le 28 mai à l’ENS de Lyon. J’ai tenu à ce que chacun comprenne l’histoire de ma démarche au fil des rencontres, et au-delà d’un engouement partagé pour le projet, pourquoi le rôle chacun est important. Aborder la discussion avec cette approche a permis à tout le monde de rapidement s’approprier le propos artistique, de soulever les manquements, d’approfondir les intentions. Il est évident que ces réflexions doivent continuer, car appliquer des méthodes scientifiques dans un projet artistique soulève des questions techniquement complexes et indispensables. Nous avons notamment débattu sur la valeur scientifique de la construction d’équations ‘descriptives factices’ pour dépeindre artistiquement

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des expériences qui sont elles-mêmes déjà une simplification exagérée mais nécessaire de la réalité. Aussi, ces expériences sont valides pour des échelles très précises ; si l’on s’écarte des champs de validité, le modèle scientifique perd tout son sens. Pourrait-on se permettre de jouer avec ces limites dans le cadre de l’oeuvre pour imaginer des expériences impossibles ? Je n’imagine pas le travail de résidence sans la poursuite de ces réflexions, tant avec l’équipe qu’avec les porteurs du projet. Merci à Jean Lilensten qui au cours du mois de mai a poussé à l’extrême mes questionnements avec une fermeté bienveillante, et m’a accueilli dans son royaume pour philosopher et assister au spectacle qu’est la Planeterrella. Merci à l’AADN et au Planétarium de Vaulx-en-Velin pour nous permettre a minima d’imaginer ce projet, et peut-être plus. Merci à Mickael et Nicolas pour avoir ouvert les portes du labo de Physique de l’ENS de Lyon à l’équipe. Merci à tous ceux qui soutiennent le projet, et qui comme moi espèrent en faire quelque chose de grand !

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