La physique dans DOOM

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La science, c’est toujours plus amusant quand on l’aborde d’un point de vue ludique et concret. Quelle personne normale (mise à part un chercheur du CNRS, de Caltech ou du MIT) aime écrire et lire à longueur de journée des équations comportant plus de lettres, que de chiffres ? Réponse évidente : quasiment aucune, ou alors vous êtes un Sheldon Cooper qui s’ignore !

Sheldon Cooper, le geek et astrophysicien ultra-maniaque (Asperger ?) de la série The Big Bang Theory

En revanche, comprendre les principes physiques, chimiques ou biologiques à travers des exemples concrets et amusants, est à la portée de tous, pour peu qu’on puisse suffisamment vulgariser le sujet tout en expliquant bien les bases.

Comme la licence de jeu vidéo « DOOM » est mon petit défouloir vidéoludique, et que je l’ai déjà mise en avant dans un article de société (sur la relation infondée entre jeux vidéos et tueries de masse par armes à feu); j’ai pensé « et pourquoi pas expliquer des grands principes de physique à travers l’emblématique série des FPS qu’est DOOM ? »

Finalement, c’est peut-être moi qui suis un peu Sheldon Cooper sur les bords…

1. L’Arsenal du Doom Slayer

1.1 Les armes à plasma

Que serait un jeu DOOM sans la palette d’armes qui le caractérise. La favorite du Slayer est incontestablement le double shotgun (fusil à pompe double à canons sciés), mais elle est somme toute très classique dans son fonctionnement. Dans les armes plus futuristes et qui sont intéressantes à aborder d’un point de vue physique et ingénierie, nous avons le fusil à plasma. Ce dernier permet d’envoyer des boules bleues incandescentes sur les soldats des enfers et de les faire monter en température progressivement jusqu’à explosion.

Les démons et autres morts-vivants sont littéralement « destructibles » petit à petit dans ce dernier opus

Qu’est-ce que le plasma ? C’est un état de la matière, au même titre que l’état solide, gazeux et liquide. Nous en avons un exemple au dessus de nos têtes tous les jours : le Soleil qui est une gigantesque boule de plasma. Sur Terre nous pouvons également observer cet état de la matière avec les flammes de hautes températures ou la foudre qui sont en réalité toutes deux, des plasmas. Les aurores boréales en sont également.

Mais concrètement, qu’est-ce que le plasma ? Il s’agit d’un gaz suffisamment chauffé et atteignant un certain degré de ionisation, pour devenir conducteur d’électricité. Le taux d’électron par unité de volume devenant suffisamment important par rapport aux nombres d’atomes neutres. C’est ce qui lui confère cet état plasmique, le soumettant aux champs électromagnétiques et aux courants de convections très complexes. Les applications pratiques sont diverses et variés, mais on peut notamment citer les torches à plasma pour la chimie, certains écrans (télévisions) à plasma, utilisant sa luminosité, ou encore la fusion nucléaire avec le réacteur TOKAMAK – ITER.

Cependant en faire une arme capable de lancer des « boules de plasma », c’est encore un tout autre problème. Le système d’ingénierie qui s’en rapprocherait le plus serait celui du focalisateur de plasma dense. La méthode consiste en un confinement de couches de gaz en radial et une accélération électromagnétique des électrons d’hydrogène-bore. Celle-ci se fait par induction d’un champ électrique de haute puissance entre l’anode et la cathode à la base du dispositif en cylindre. Ce différentiel de charge, c’est à dire la force de Laplace, permet la progression rapide (plusieurs fois la vitesse du son) du plasma dans le tube vers la sortie (phase axiale).

Principe de fonctionnement d’un plasma focus (la nappe, constituée dans la réalité d’une multitude de filaments radiaux, est représentée sous forme filaire 3D pour rendre son évolution plus lisible) ; les divers éléments ainsi que la forme et l’évolution de la nappe peuvent varier notablement selon la conception du dispositif et sa mise en œuvre.
1: cathode – 2: anode – 3: nappe de courant et de plasma – 4: isolant électrique – 5: générateur d’impulsions électriques de haute puissance

Schéma explicatif du dispositif focalisateur de plasma densesource Wikipédia

A la sortie du cylindre, plus resserrée, un champ magnétique est appliqué pour permettre au plasma d’être maintenu par un « cordon » magnétique. C’est la phase de compression radiale. En théorie, il faudrait réduire très fortement ce dernier champ qui reste nécessaire pour maintenir une focalisation du plasma, et ainsi de pouvoir le diriger et éviter une dispersion inutile en sortie. Ce qui aurait pour effet de pouvoir projeter le plasma dans la direction choisie (en pointant le fusil) par la force de Laplace. On met tout ça en forme de gros fusil et il n’y a plus qu’à cramer du démon !

Dans la continuité du fusil à plasma, lorsqu’on aborde le sujet des FPS (jeu de tirs à la première personne – first person shooter) on ne peut faire l’impasse sur les flingues et en particulier les plus gros et destructeurs. L’une des armes les plus emblématiques du monde vidéoludique est le bien nommé Big Fucking Gun ou plus exactement le BFG 9000. Cette arme incarne la quintessence de ce qu’on appelle le « grosbillisme » dans le monde vidéoludique : faire parler la puissance. Elle sert à faire place nette quand l’écran est clairement surchargé d’ennemi.

Son principe ? C’une boule d’énergie concentrée qui est éjectée par l’arme et qui semble faire monter la température des démons touchés par des protubérances, lequelles jaillissent du projectile initial dès lors qu’ils sont dans son champ d’action. Le projectile principal quant à lui, explose au contact, générant une onde dévastatrice.

Le fonctionnement semble similaire au fusil à plasma « classique », et il est fort probable que le BFG soit en réalité un fusil à plasma amélioré (tous deux développés par l’UAC, la corporation terrienne spatiale dans le jeu, ce n’est pas une arme extra-terrestre). Ce qui change, ce sont surtout les liaisons entre les cibles excentrées et le projectile principal. En mécanique des plasmas, l’explication possible semble s’orienter vers une très forte ionisation du plasmoïde. On remarque que le projectile du BFG 9000 a d’ailleurs du mal à avoir une structure nette. Cette ionisation exacerbée d’un plasma entraînerait un très fort différentiel de charge négative. Comme l’arme ne cible que les démons et ne touche pas le Slayer, on peut légitimement estimer que les démons, venant d’une dimension différente, possèderaient une charge positive, expliquant les liaisons se formant entre eux et la salve du BFG les faisant surchauffer et exploser.

1.2 Le Canon Gauss (version DOOM 2016 et Ballista dans DOOM Eternal)

Cette arme, dans son principe, existe réellement, elle peut aussi porter le nom de « railgun » ou canon à aimants supraconducteurs. Le principe consiste à accélérer un projectile jusqu’à une vitesse avoisinant Mach 10 (environ 3500m/s). Le procédé consiste en une utilisation ingénieuse des équations de Maxwell, en particulier celle de Maxwell-Gauss et la puissance des différentiels de charges électromagnétiques dans le champ idoine. Ces équations bien que méconnues du grand public, sont celles qui ont peut-être le plus d’applications pratiques dans notre quotidien avec tous nos appareils électriques ou électroniques. Voyons à quoi ressemble plus spécifiquement celle qui nous intéresse.

Mathématiquement, et selon la définition de la divergence, cela signifie que la somme des variations du champ électrique sur les trois axes de l’espace cartésien est proportionnelle à la densité de charges électrique en un point de cet espace.
définition simple et élégante prise ici : http://www.tangentex.com/EquationsMaxwell.htm
schéma explicatif du railgun
source wikipédia

Je reviens à son fonctionnement. Prenez un petit obus de quelques centaines de grammes de tungstène (métal très dense et très dur). Chargez le à l’entrée du canon, enchâssé à distance égale entre deux rails d’aimants supraconducteurs inversés. Au moment de déclencher le tir, la charge initiale est balancée par flux électrique sur le projectile, lequel étant métallique, va se retrouver justement, chargé électriquement. Le reste se fera par le différentiel de charge avec un champ magnétique entre les deux rails d’aimants et va le faire accélérer brutalement tout le long du canon supraconducteur. Si la masse est l’élément déterminant dans la gravitation, la charge électrique est celui de l’interaction électromagnétique. Ce rail supraconducteur est en général long par rapport au projectile et fonction de sa masse, pour amplifier cette accélération jusqu’en sortie et permettre à la fois de lisser la contrainte thermique qui résulte d’un tel procédé tout en donnant suffisamment de vitesse pour contrebalancer la force de gravitation.

Parallèlement (si j’ose dire vu le fonctionnement du dit canon) à cette formidable puissance de feu, les contraintes physiques exercées sur les deux rails contenant les supraconducteurs sont énormes.

Le Gauss Canon de DOOM, attention au recul !

Les matériaux doivent donc être conducteurs pour le projectile et les rails, mais isolants et très solides pour les supports des rails ou la couche séparatrice de la structure de ces derniers. Une conductivité de ce support induirait une perte de puissance par l’effet d’induction de courant. Tandis que des matériaux pas assez solides feraient que la structure se déformerait voire pourrait fondre par l’effet joules avec la chaleur que développent les arcs électriques d’une telle intensité (encore ce fameux plasma). De plus, le canon doit pouvoir supporter un fort recul tant la force F de poussée est importante sur le projectile et donc appliquera une force inversement proportionnelle sur la base. Enfin et ce n’est pas le plus petit des problèmes, l’alimentation électrique est colossale. Il faut, pour un canon fixe tirant des obus de 2 kg de tungstène, 10MW en alimentation, soit la moitié de ce que requiert le porte-avion Charles de Gaulle.

Le potentiel destructeur d’un obus de tungstène à Mach 10 est terrifiant et ce même dans un référentiel terrestre avec une vitesse malgré tout très éloignée de celle de la lumière en appliquant Ec = 1/2 de mv². Imaginons que l’arme puisse exister en mode portatif. Une arme de ce genre tirant des balles de tungstène équivalentes au standard 5,56 x 45mm OTAN, munitions des M16 américains. Le poids serait donc de 4gr environ en ne comptant que la partie projectile de la cartouche. Une balle de M16 est, sous sa forme complète (cartouche avec projectile et poudre) d’un poids de 19gr. Le railgun n’a pas besoin d’autre chose que le projectile en lui même dans le rail. Sur cette base, nous avons :

  • Le fusil d’assaut M16 qui permet de faire jaillir une balle à 975m/s. Ce qui donne : 1/2 de 0,004 x 975² = 1901.25 J
  • Un railgun en arme d’épaule (fusil), en faisant jaillir la balle à 3500m/s développerait : 1/2 de 0,004 x 3500² = 24500 J

Soit plus de 12 fois la puissance d’une M16 moderne. Il va sans dire que cette application est du domaine de la science-fiction à l’heure actuelle. En revanche, celle pour le canon longue portée est elle, bien réelle. Elle est une solution envisagée pour la lutte anti-missiles depuis le programme « Star Wars » de Reagan et l’Europe regarde aussi dans cette direction. DOOM utilise donc de la technologie en devenir basée sur des concepts physiques bien réels, quand bien même la licence verse elle, allègrement dans la « Science Fiction Fantasy » avec les enfers et tout le toutim démoniaque.

La puissance d’un railgun expérimental de la Navy en action

Les armes ne sont pas la seule utilisation de la physique dans cet univers de fiction, la physique ce n’est pas qu’une application d’ingénierie, c’est aussi de manière plus fondamentale, la compréhension des déplacements à travers l’espace et potentiellement le temps.

2. Les déplacements spatiaux et temporels du Doom Slayer

2.1 Le Dash (traduit en mouvement brusque/instantané) et les portails de téléportation

La légendaire armure Praetor

Cette capacité permet au Doom Slayer de se mouvoir dans la direction de son choix sur une courte distance jusqu’à deux fois d’affilé avant de devoir être rechargée.

De deux choses l’une, soit l’armure du Doom Slayer la fameuse « Praetor » possède des boosters multidirectionnels (peu probable) et permet par propulsion de faire changer de position ultra-rapidement son utilisateur. Une option qui serait suicidaire tant celui-ci verrait son cerveau éclater dans sa boîte crânienne, vu les G d’accélération subits. Soit l’armure est capable de générer des mini trous de vers temporaires pour que son porteur s’y engouffre dedans et puisse en ressortir à la position souhaitée dans les limites du champ d’action du dispositif : pour faire simple, une téléportation. On appelle cela des ponts d’Einstein-Rosen à la base, mais il en existe plusieurs déclinaisons, notamment en raison de la possibilité de les traverser ou non. Et cela vaut aussi pour le portail de téléportation présent dans la forteresse du Slayer ou la technologie expérimentale utilisée par l’UAC pour couvrir de (très) longues distances voire des changements de dimensions.

schéma explicatif du trou de ver
source wikipédia

Cette solution, bien que technologiquement hors de notre portée, est théoriquement bien plus séduisante et crédible. Les trous de vers de Lorentz répondent à nos besoins explicatifs. Dans un espace à trois dimensions (quatre avec le temps, car nous parlons d’espace-temps en réalité), quel est le chemin le plus court ? Sur une feuille de papier, c’est la ligne droite. Mais dès que nous rajoutons la troisième dimension, alors le plus rapide est de replier l’espace pour superposer les points A et B.

Sur un plan encore plus théorique, c’est non seulement l’énergie pour générer mais surtout maintenir ces trous de vers qui est totalement hors de portée pour nous. Une solution a bien été envisagée par Kip S. Thorne, prix Nobel de physique et spécialiste des trous noir,s lors de sa collaboration avec Carl Sagan pour l’écriture de son oeuvre majeure : « Contact ». Mais la solution, si mathématiquement élégante soit-elle, inclue une matière exotique non détectée à ce jour. Une sorte de particule à gravité négative, permettant de repousser les parois du trou de vers pour éviter qu’il ne s’effondre sur lui-même et évitant aussi l’écueil de la spaghettisation d’un corps qui entrerait dans cette singularité gravitationnelle.

Pour conclure sur le sujet, un portail de téléportation fixe semble « abordable » à notre niveau de connaissance théorique. La capacité du Slayer de se mouvoir instantanément sur une courte distance, elle, relève plus de la magie que de la science. Mais après tout, la magie d’hier n’est-elle pas la science d’aujourd’hui ?

2.2 Les lignes temporelles dans DOOM

Les lignes temporelles… on les retrouve dans de nombreuses oeuvres de science-fiction et ce quelque soit le support. De l’emblématique saga Terminator qui repose sur ce principe, tout comme Retour vers le Futur ou encore Avengers Endgame et même Star Trek (reboot cinéma ainsi que la série Discovery). Et DOOM dans tout ça ? Pour relier toutes les itérations de ce jeu : DOOM 1 & 2, DOOM 64, DOOM 3 et DOOM 2K6 puis Eternal, ID Software a fait en sorte que l’histoire soit basée sur des lignes temporelles qui s’interconnectent pour ne former qu’une seule et même trame. Certains pensent à des cycles sur des éons de temps, d’autres à des « retours temporels ». (Je ne dévoilerai pas l’épilogue de The Acient Gods Part 2)

Pour la petite histoire, le modèle du « Doomguy » n’est autre que le co-créateur d’ID Software, John Romero.

Pour la petite histoire, en simplifiant à l’extrême une trame narrative qui s’est largement complexifiée depuis le DOOM originel de 1993 nous avons cette trame narrative : le « Doomguy » est un marine d’une firme spatiale, l’UAC, qui survit à une invasion de démons imprévues en raison d’un test sur Phobos, lune de Mars, sur les portails dimensionnels. Les opus suivants continuent d’enrichir cette histoire de base pour aller jusqu’au coeur de l’Enfer en étant bien sûr passé par la Terre au préalable.

Puis nous avons le reboot de 2016, et là… ça se complexifie, et pas qu’un peu. Mais en synthèse, ce « Doom Guy », après avoir tué la « mère des démons » dans DOOM 64, est coincé en Enfer pour y lutter jusqu’à la mort et s’assurer que les démons ne viendront plus envahir notre dimension. Finalement, il est happé après un n-ième combat contre une entité par un portail dimensionnel et se retrouve sur une planète (Argent D’Nur) où des guerriers dimensionnels (les sentinelles) luttaient contre les enfers.

Les lignes temporelles s’entremêlent à partir de ce moment, puisque ce Doomguy, devenant le champion des sentinelles et quasi-immortel, va devenir le point d’origine du combat entre les hordes démoniaques qui vont envahir Phobos (et Mars) et déchaîner l’enfer sur Terre en étant le guerrier légendaire des « mythes » contenus dans le jeu. Après avoir été trahi par les prêtres d’Argent D’Nur lors d’un assaut sur les enfers, il sera enseveli dans un temple et scellé magiquement dans un sarcophage avec son armure Praetor. Par ailleurs, cette dernière semble avoir été forgée dans la dimension infernale car on y retrouve le symbole de « la bête » sur le casque, et qui est inscrit la peau même du Dark Lord. Une relique (l’armure comme le Doom Slayer) que l’UAC va aller chercher pour la ramener dans notre dimension, sur Phobos. Le héros de la série devient donc l’origine de ce nouvel affrontement entre l’humanité et les enfers, qu’il a lui même connu des éons auparavant. Et pour ceux qui auront fini « The Ancient Gods part I et II », vous comprendrez aisément le sens de ce dénouement.

Dans toutes les équations de physique fondamentale, et je précise bien toutes, il n’y en a qu’une seule qui ait un rapport au temps dans le sens où on parle d’un état passé, présent et futur déterminé et déterminable. Cette équation ce n’est ni plus ni moins que celle de l’entropie (pour faire simple) aussi connue sous le nom de formule de Boltzmann. Celle-ci apporte un moyen précis de prendre la mesure de l’entropie au niveau microscopique et non plus simplement macroscopique (auquel Rudolf Clausius avait déjà apporté une solution mathématique pour formuler le 2eme principe de la thermodynamique). Et pour parfaire la petite histoire, c’est en réalité Max Planck qui l’a écrite sous cette forme, mais elle était implicite à travers les calculs très complexes de Boltzmann.

La formule est d’ailleurs gravée sur sa tombe : S = kb log Ω, et elle se traduit par S (entropie) = kb (constante de Boltzmann) multipliée par fonction logarithmique naturelle (normalisée « ln » en mathématiques modernes) d’Ω.

kb peut s’interpréter comme le facteur de proportionnalité reliant la température thermodynamique d’un système à son énergie au niveau microscopique, dite énergie interne. Ω se traduit approximativement par « probabilités thermodynamiques » d’un corps, soit tous les états possibles de ce corps à l’échelle macro comme microscopique en fonction de la position et de la vitesse des particules le composant. Concrètement, cette formule permet de définir comment on passe d’un état où le chaud se diffuse dans un autre corps pour devenir froid, de manière irréversible sans apport énergétique extérieur.

Passer d’un état à un autre sans pouvoir revenir en arrière, c’est la seule équation qui aborde un phénomène de cet ordre et qui n’est pas réversible, le futur ne pouvant redevenir le passé. Par exemple, les équations sur la relativité d’Einstein ou de l’électromagnétisme de Maxwell peuvent s’inverser. Pas celle de Boltzmann.

C’est sur ce fondement qu’on peut comprendre pourquoi c’est l’entropie qui gouverne les évènements de l’univers et non l’énergie elle même, la basse entropie devant aller inéluctablement vers de la haute entropie. Avec cette phrase, je vous ai synthétisé les propos de Carlo Rovelli, physicien et philosophe, il est un des grands fondateurs de la théorie quantique à boucle et a voué sa carrière à la physique quantique et au temps.

Où je voulais en venir avec cette équation de Boltzmann et le fait que l’entropie domine les évènements de l’univers ? Tout simplement que si les voyages temporels alimentent notre imagination et permettent des histoires aux multiples intrications et rebondissements dans la science-fiction, par ailleurs pas toujours très cohérents, ils semblent bels et bien impossible d’un point de vue physique. L’entropie étant inéluctable, le futur ne peux redevenir passé. Même les électrons qui peuvent sur des microsecondes « remonter le temps » en physique quantique, ne permettent pas d’espérer qu’un jour, ce sera du domaine de la réalité. Mais si on se base sur une histoire « cyclique », on pourrait penser que le « chaud » de l’Enfer, est obligé de verser dans le « froid » de la dimension de l’humanité dans DOOM. D’où l’interconnexion à travers les éons. L’entropie gouvernant cet affrontement inéluctable ! Cette petite assertion finale est donc la confirmation que DOOM is… Eternal !

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