Pourquoi un physicien devrait-il, dans une certaine mesure, connaître la physique expérimentale? [fermé]

PML

Pourquoi un physicien devrait-il, dans une certaine mesure, connaître la physique expérimentale? [fermé]


J’ai essayé de dresser une liste avec les raisons pour lesquelles un bon physicien théoricien devrait comprendre les méthodes et la difficulté de faire de la physique expérimentale . Jusqu’à présent, je n’ai pensé qu’à deux points:

  • Savoir comment une théorie peut ou ne peut pas être vérifiée;
  • Être capable de lire des articles basés sur des données expérimentales;

Mais c’est à peu près ce à quoi je peux penser. Ne vous méprenez pas, je pense que la physique expérimentale est très difficile à travailler et je n’essaie pas de la diminuer avec ma liste ridiculement courte. Je ne peux vraiment penser à aucune autre raison. Quelqu’un peut-il m’aider?

Matt Reece

Qu’entendez-vous par « véritable physicien théoricien»?

PML

@MattReece En ce sens qu’en fin de compte, la physique, comme toutes les sciences, doit concerner le monde réel. Bien sûr, nous avons tous un sens de la beauté et de l’élégance et nous aimons transposer cela dans nos théories, mais ce qui devrait vraiment être important est de savoir si ces théories pourraient ou non expliquer l’univers, en tant que telles, peuvent être falsifiables. Un physicien théoricien « convenable » devrait donc toujours avoir cela à l’arrière de la tête, sinon il habite simplement le fantastique, et pour moi, ce n’est pas de la science.

Réponses


 Danu

En tant que théoricien, on aime inventer de nouvelles idées sur la façon dont les choses pourraient fonctionner. Un élément crucial de la construction de la théorie est la recherche du lien avec les expériences: une théorie n’a aucun sens physique lorsque nous ne pouvons pas la tester, car alors elle ne peut pas être falsifiée. Un théoricien devrait pouvoir proposer des tests expérimentaux pour ses théories . Cela nécessite une bonne compréhension de ce dont les expérimentateurs sont (non) capables.

L’exemple parfait ici est Einstein (n’est-ce pas toujours le cas?), Qui a proposé un certain nombre de prédictions expérimentalement testables de sa théorie de la relativité générale (celles de la relativité restreinte étaient assez évidentes, donc il n’a pas eu à travailler trop dur sur ça). La plus célèbre d’entre elles est la prédiction de la déviation correcte de la lumière, confirmée par Eddington et quelques autres lors d’une éclipse solaire.

Un exemple notoirement mauvais à cet égard est la théorie des cordes. Jusqu’à présent, il s’est avéré impossible de trouver un moyen de tester la théorie des cordes, et cela est considéré par beaucoup comme un problème grave (même si cela n’a peut-être pas à voir avec le manque de compréhension des théoriciens de la physique expérimentale).

PML

+1 De beaux exemples. Votre point était essentiellement ce que je voulais dire avec mon premier point.

Anna v

Je m’oppose à votre « Il s’est avéré jusqu’à présent impossible de trouver un moyen de tester la théorie des cordes ». La théorie des cordes ne se développe pas dans le vide, comme jouet mathématique. Sa cohérence avec la théorie des champs quantiques, le modèle standard et les théories gravitationnelles est en cours de test. Il s’agit d’une théorie d’ordre supérieur dont le terrain d’essai expérimental sont les théories inférieures qui ont été validées à ce jour. Il prédit la supersymétrie, et cela reste à tester. Le modèle de grandes dimensions supplémentaires n’a pas été validé aux énergies du LHC, mais il s’agissait d’un modèle de chaîne dont la validation peut être vérifiée.

dmckee ♦

@annav Toutes les « prédictions » (vraiment des post-juridictions) de la théorie des cordes qui peuvent être validées maintenant sont héritées de ses prédécesseurs. Obtenir ce droit est une exigence minimale pour une nouvelle théorie candidate, et c’est un triomphe mathématique qui n’a encore été accompli par aucune autre théorie candidate, mais cela ne rend pas la théorie des cordes validée expérimentalement. La théorie des cordes est une théorie scientifique car elle pourrait être falsifiée si elle est erronée, mais elle n’a pas encore fait face à un test dans lequel un résultat négatif ne peut pas être annulé en disant « Eh bien, nous n’avons pas atteint l’échelle où cela apparaît encore «  .

Néant

Je pense qu’anna v présente un point supplémentaire très important dans sa réponse (je ne parle pas maintenant de la discussion sur les cordes). Le fait est que le théoricien doit comprendre quelle est la masse des données matérielles et comment elles ont été obtenues. Sinon, le théoricien ne comprendra jamais les « angles morts » possibles d’une théorie ou une interprétation différente d’une expérience qui peut être exploitée dans la formulation d’une nouvelle. C’est-à-dire, si vous connaissez simplement la description formelle et non les faits, vous ne pouvez pas redécrire les faits.

dmckee ♦

@Aaron Ces symétries préexistantes sont testées. Bien. Personne ne conteste cela. Mais les réécrire n’ajoute rien de nouveau à la somme des connaissances humaines. Les mathématiques elles-mêmes ajoutent quelque chose aux mathématiques, mais à ce stade, il n’y a aucune raison expérimentale de préférer la théorie des cordes au fouillis des théories existantes. Il y a des raisons philosophiques: la théorie est magnifique et unifiée. Mais ce ne sont pas des données. Et la nouvelle prédiction n’a pas été testée . Ou plutôt la théorie a échoué au test sur les gammes d’énergie accessibles.


 DarioP

Parce que sinon tu es mathématicien.

Le but de la physique est de décrire la nature en utilisant le langage des mathématiques, mais la seule façon de rester en contact avec la nature est d’interagir avec elle à travers des expériences et des observations.

Si vous perdez complètement la capacité de comprendre comment un processus démarre et se développe, dans quelle mesure il peut être influencé par des facteurs externes, comment extraire des données importantes afin de le comprendre et de le reproduire; alors vous jouez avec des nombres. Vous pouvez trouver des choses intéressantes mais vous ne faites plus de physique.

De plus, de nos jours, de nombreuses théories sont testées avec des simulations informatiques qui partagent bon nombre des techniques connues depuis des siècles par les expérimentateurs, en particulier en analyse de données. Se salir les mains de temps en temps fera de vous un meilleur physicien, non seulement lorsqu’il s’agit de concevoir un test expérimental pour votre travail: en effet, ce serait une tâche facile si vous aviez gardé votre modèle assez près de la nature.

Phonon

+1 pour la comparaison de simulation informatique, mais ce serait bien si vous pouviez développer plus loin!

DarioP

@Phonon C’est assez basique: si vous obtenez un modèle complexe non intégrable pour quelque chose, vous ne pouvez tester sa validité qu’à l’aide d’un ordinateur. Cela signifie mettre en place un mot virtuel qui respecte les règles de votre modèle et le comparer au monde réel. C’est pourquoi la physique contemporaine a tellement faim de puissance de calcul: nous avons tendance à tout simuler pour voir si nous avons tous les aspects d’un système.

Phonon

Merci pour la réponse, vous avez peut-être mal compris ma question, je sais parfaitement ce que sont les simulations informatiques, c’est pourquoi j’ai aimé le fait que vous l’ayez mentionné dans votre réponse, ce que je demandais était à peu près lié à ce qu’est le PML, c’est-à-dire de quelle manière un expert en développement de simulations informatiques peut-il bénéficier d’une éventuelle expérience de fond en physique expérimentale? Il est à noter que la plupart des experts dans ce domaine que je connais, sont tous des physiciens théoriciens, qui s’appuient sur l’exactitude de la théorie existante sur la base de laquelle ils écrivent des simulateurs, et non sur des « résultats expérimentaux ».

DarioP

Dans le genre de simulations que vous avez en tête, vous prenez une théorie consolidée et l’appliquez à des conditions aux limites complexes. Cependant, dans d’autres situations, la théorie elle-même fait l’objet d’une enquête, ici vous essayez de garder les conditions aux limites aussi simples que possible et, bien sûr, vous devez comparer les données expérimentales. L’exemple le plus concret que je puisse apporter est celui de la physique nucléaire: où l’on peut vouloir tester comment un nouveau modèle est capable de prédire le comportement et les propriétés du noyau.

Phonon

Bel exemple et remarque faite, je pense que vous pourriez ajouter quelques exemples comme celui-ci à votre message, ce sera une lecture beaucoup plus agréable, j’en suis sûr;)


 Anna v

Pour moi, un expérimentateur, le nombre de personnes théoriquement inclinées que j’ai observées ici, qui se débattent avec des concepts qui devraient être de la philosophie et qui se penchent sur l’ effondrement de la fonction d’onde , me stupéfie.

Je voudrais commander un cours de physique des particules, cela donnera une intuition de ce que signifie se déplacer dans les dimensions de la mécanique quantique, une connexion avec la réalité et les nombres durs. Sans une carte claire des nombres réels que nous avons maîtrisés qui décrivent la nature, un théoricien n’est qu’un mathématicien, en ce qui concerne l’intuition. C’est pourquoi nous obtenons des gens qui pensent avoir trouvé « la composite », ou une nouvelle façon de voir la nature: parce qu’ils ignorent la masse des données matérielles qui ont été accumulées au fil des ans et doivent être incorporées dans un ordre supérieur théorie.

En ce sens, le soutien solide des théories des cordes par de nombreux physiciens vient du fait qu’il a la structure de groupe et d’équation pour intégrer toutes les mesures durement gagnées des dernières décennies dans un cadre cohérent. D’un autre côté, c’est peut-être ce qui a amené les théoriciens à penser qu’ils peuvent simplement cogiter et créer des théories de la physique, car la théorie des cordes est une théorie validée par des théories qui ont été validées par des données. Espérons que plus de prédictions que de supersymétrie, bien que si elle est trouvée, elle sera suffisamment grande, et de grands modèles de dimension supplémentaire seront proposés pour des tests dans la prochaine génération de mesures au LHC et éventuellement à l’ ILC.


 Davidmh

Certains cas avec des exemples de mon domaine (juste parce que je le connais le mieux), mais sont applicables à d’autres:

  • Soyez conscient des observables. Ils fournissent des points de départ et d’arrivée pour une théorie.
    • Par exemple, si vous modélisez la structure 3D de protéines, vous pourriez être intéressé à générer des cartes de contact (essentiellement, toutes les paires d’atomes qui sont proches les unes des autres) car il existe des preuves expérimentales pour elles; ou autrement les utiliser comme entrée. Vous devez connaître les limites de ces données pour voir si les différences entre votre théorie et l’expérience sont significatives. Vous devez également être conscient des différences entre, par exemple, les plantes et les humains au niveau des protéines, ce qui fonctionne bien dans l’un peut ne pas le faire pour l’autre.
  • Certaines parties de votre théorie peuvent être très difficiles à décrire analytiquement. Mais on peut, par exemple, essayer d’appliquer simplement le Machine Learning aux données et simplement l’utiliser. Cela signifie que vous devez être conscient de ses limites, ainsi que des aspects qui peuvent être améliorés dans un laps de temps réalisable (légères améliorations technologiques, différents paramètres, etc.).
    • Un flux d’électrons frappant une protéine aura tendance à la fragmenter et certains points sont plus faibles que d’autres. Cela peut être résolu théoriquement par certaines simulations de Monte Carlo et la théorie des perturbations, mais dans la pratique, il est impossible de le faire (ou du moins, il l’a été jusqu’à présent). Mais il existe des milliers de machines qui génèrent littéralement des gigaoctets de données toutes les heures. On pourrait simplement en rassembler suffisamment pour obtenir un bon modèle. Et pas une seule fonction d’onde n’était nécessaire.
    • Dans l’appareil précédent, on peut obtenir moins de bruit et une meilleure résolution simplement en augmentant le temps d’intégration. Cela signifie que nous obtenons moins d’échantillons, mais ils vont être plus précis. Si votre application particulière bénéficierait d’une plus grande précision, vous savez que vous pouvez obtenir quelques plis avec les machines d’aujourd’hui. D’un autre côté, d’autres sources de bruit ne peuvent pas être facilement améliorées et il faut trouver le moyen de les gérer.

Je veux ajouter que dans le second cas, en fonction de l’algorithme ML utilisé, on peut réellement faire une interprétation physique des paramètres. Quelque chose de similaire au modèle de goutte liquide pour les masses nucléaires: c’est juste un ajustement de nombreux paramètres, mais intéressant, pour certains d’entre eux qui peuvent être (au moins partiellement) modélisés théoriquement, les valeurs sont dans la même plage.


 Slebetman

Voici une raison qui n’a pas encore été abordée (mais qui est évoquée par votre question): pour pouvoir former de nouvelles théories.

Beaucoup de théories les plus intéressantes en physique proviennent de quelqu’un qui lit une expérience et essaie d’expliquer les résultats. Nous n’aurions pas de relativité si Einstein n’avait pas lu sur l’expérience de Michelson – Morley et dit « hmm … supposons qu’il n’y a pas d’erreur, quelque chose de drôle se passe ici ».

Il y a encore beaucoup d’expériences publiées avec des résultats inattendus avec des explications incomplètes ou pas si convaincantes. Oui, beaucoup d’entre eux sont dans des domaines moins glamour tels que la mécanique des fluides ou l’acoustique ou la dynamique des foules. Mais de temps en temps, nous en tirons des théories intéressantes et de temps en temps deux domaines apparemment sans rapport produisent une seule théorie unificatrice.

akhmeteli

Pour autant que je sache, il est controversé, dans le meilleur des cas, si l’expérience de Michelson-Morley a influencé Einstein ( en.wikipedia.org/wiki/Michelson%E2%80%93Morley_experiment )


 adil

Je ne sais pas si cela aide, mais peut-être que décomposer ce qui peut être vérifié en quelles quantités mesurables peut être utile? Peut-être aussi dans quelles limites les quantités du modèle sont valables.

Je dois admettre qu’en tant que physicien défaillant (je pense à tous les niveaux), la physique théorique est peut-être plus de mathématiques appliquées en ce sens que les concepts mathématiques sont appliqués pour résoudre des problèmes physiques tandis que les mathématiciens sont plus soucieux de développer des concepts mathématiques. Bien sûr, cela ne signifie pas que certains concepts commencent leur vie entre les mains de physiciens théoriciens et sont repris par des mathématiciens et étudiés plus en profondeur. Les deux groupes sont nécessaires et importants.

Je dois admettre que pour moi le nombril (qui je pense est un peu dur) comme le coup de pied sur les pneus sur QM (problème de mesure etc.) est essentiel pour vraiment comprendre les limites du modèle. Ce n’est qu’en essayant d’aller au-delà des limites actuelles de notre compréhension que nous progressons.

Pour ma part, je dois admettre que j’ai toujours des réserves sur la théorie de la perturbation (pour moi, il semble toujours essayer d’installer une cheville carrée dans un trou rond en rasant les morceaux – cela convient, mais est-ce juste). Mais cela pourrait être dû au fait que je comprends très peu.

 

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