D’où viennent les théories ?

Illustration of a tree with thought bubbles as fruit
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Cela pourrait être l’odeur de chlore ou les motifs de lumière dansant au fond de la piscine. Pour une raison quelconque, le centre de loisirs de l’Université de Californie à Riverside est la muse de Flip Tanedo.

“Les étincelles de créativité apparaissent dans la piscine, quand je ne me force pas à penser à la physique”, explique Tanedo, théoricien et professeur adjoint à UC Riverside. “Lorsque vous éteignez votre cerveau, quelque chose est encore en train de s’éloigner.”

Pour Peter Woit, les moments d’eurêka arrivent pendant le sommeil.

“Avant d’aller dormir, je vais commencer à lire des articles liés à ce sur quoi je travaille”, explique Woit, qui est théoricien et mathématicien à l’Université de Columbia. « Ils m’ont endormi assez rapidement. Et puis je me réveillerai le matin avec de nouvelles idées.

Les histoires de révélation soudaine font que le travail d’un théoricien semble quelque peu passif, voire divin. Mais la majeure partie du temps d’un théoricien est consacrée à créer activement les conditions pour qu’une nouvelle idée apparaisse.

De nouvelles idées de théories viennent du fait de suivre les dernières recherches, d’essayer et d’échouer et d’essayer à nouveau, et d’utiliser tous les mauvais virages pour tracer un chemin clair et convaincant vers la bonne réponse.

Immersion absolue

Dorota Grabowska est passionnée de physique depuis son enfance. Grabowska aime toujours lancer des idées avec des copains d’escalade et des gens sur Twitter, comme passe-temps.

Mais à l’université, la physique est passée d’un passe-temps à une carrière.

« J’ai 33 ans maintenant », déclare Grabowska, membre du groupe de théorie du CERN. “La physique est mon travail à temps plein depuis que j’ai 18 ans. C’est, oh mon Dieu, 15 ans de connaissances et de discussions accumulées.”

Ces années d’efforts ont permis à Grabowska de faire un travail théorique au-delà d’imaginer des “et si” sur le mur d’escalade.

Si quelqu’un est sérieux au sujet de développer une nouvelle hypothèse, Grabowska recommande qu’ils frappent les livres. « Il existe une base de connaissances si massive qu’il peut être difficile pour quelqu’un qui n’a pas baigné dans le monde universitaire de la physique de juger de la validité de son idée », déclare Grabowska. « Il est difficile de proposer une nouvelle idée si vous ne savez pas ce qui a déjà été conçu, testé et abandonné. Cela n’a rien à voir avec le talent inné.

Même pour les experts, rester au courant des derniers développements en physique théorique peut être un défi. La théoricienne Sophie Renner commence sa journée de travail en allant en ligne et en vérifiant arXiv.org, un référentiel en ligne continuellement mis à jour d’articles de recherche.

“Je vais parcourir les titres et les résumés et voir s’il y a quelque chose que je veux lire plus en profondeur”, déclare Renner, qui est également membre du groupe de théorie du CERN. « La plupart des gens le font tous les jours, sinon vous allez rater des choses. S’il y a un article intéressant, vous demanderez à vos collègues : l’avez-vous lu et qu’en pensez-vous ?

Trouver le bon problème

Lorsque les expérimentateurs rapportent avoir vu quelque chose d’inattendu, les oreilles de Renner se dressent.

« C’est un point de départ évident », dit-elle. “Il y a quelque chose de bizarre dans les données, réfléchissons-y.”

Renner réfléchit actuellement aux résultats étranges de plusieurs expériences : BaBar, Belle et, plus récemment, LHCb. Dans certaines désintégrations de particules composites appelées mésons B, les scientifiques ont détecté un peu plus d’électrons que de muons.

“Le muon est juste une copie légèrement plus lourde de l’électron, donc le rapport devrait être le même”, dit-elle. « Mais ils n’ont pas vu ça. C’est inattendu et au-delà de notre théorie actuelle.

Une fois qu’elle a identifié une anomalie potentiellement intéressante, Renner réfléchit aux implications possibles pour se concentrer sur une question spécifique et gérable.

« Peut-être existe-t-il une nouvelle force ou particule qui fait la distinction entre les muons et les électrons », dit-elle. “Peut-être que nous pouvons le relier à d’autres mesures étranges. L’expérience Muon g-2 est un lien évident car elle étudie également les muons.

Travailler avec un ‘W’ majuscule

Une fois qu’un physicien sait quelle question poser, il peut commencer à développer et à tester des réponses possibles. Tanedo décrit cette partie du processus comme suit : “Travailler avec un ‘W’ majuscule”.

« Quand je n’enseigne pas, c’est entre 8 et 11 heures du matin », dit Tanedo. “Il est assez tôt pour que mes étudiants diplômés ne se soient pas réveillés, donc c’est assez calme.”

Tanedo dit qu’il utilise ces heures du matin pour démêler des calculs épineux.

“Vous commencez avec un ajustement d’une théorie, puis vous martelez tout ce que vous pouvez”, dit-il. “Et quand vous réalisez que votre seule petite théorie ne peut pas répondre à vos questions, vous réalisez à quel point votre théorie échoue.”

L’échec répété est une partie inévitable du processus créatif de construction de la théorie, dit Tanedo. “Vous êtes défini plus par la façon dont vous échouez et comment vous vous relevez que par la façon dont vous réussissez.”

Un moment de clarté

Finalement, Tanedo atteint sa limite. « Juste au moment où je commence à avoir faim, c’est quand j’ai atteint mon maximum de grincheux », dit Tanedo.

Il fait une pause pour le déjeuner, puis traverse le campus jusqu’au centre de loisirs UCR.

Lorsque Renner atteint ce point, elle se promène dans les champs derrière l’expérience ATLAS au CERN.

« Si vous vous cognez la tête contre un problème, alors faites littéralement n’importe quoi d’autre, c’est mieux. Vous faites autre chose, mais le problème persiste en arrière-plan. »

Lorsque l’esprit vagabonde, une nouvelle connexion est parfois établie. “Vous pouvez souvent emprunter des idées ou des techniques à des choses qui ne semblent pas liées”, déclare Renner.

Renner tombera soudainement sur une solution simple à son problème épineux. Mais le soulagement du moment est de courte durée, dit Renner. “Je trouve ça un peu anticlimax parce que j’ai un très bref moment ‘Aha’ et ensuite ça se transforme immédiatement en frustration. Je m’en veux de ne pas l’avoir vu plus tôt.

Faire une histoire

Mais le travail de Renner n’est pas encore terminé. Une fois qu’elle a une idée solide, Renner réfléchit à la meilleure façon de l’articuler. “Je ne peux vraiment le comprendre qu’une fois que je peux le mettre en mots”, dit-elle.

Elle condense le voyage sinueux en un récit clair et concis. Cela peut être à des kilomètres de son point de départ, car souvent même la question elle-même a évolué.

“Vous devez comprendre quelles questions ont été posées et auxquelles il a été répondu auparavant, et où il y a des lacunes à combler”, dit-elle.

Au cours de cette partie du processus, Renner se concentre sur d’autres théoriciens et sur la manière dont ils pourraient interpréter son travail. “Je pourrais le comprendre comme ça, mais est-ce la meilleure façon de le présenter à mon lecteur?” elle demande. “Et si je veux faire valoir ce point, de quels tracés et données ai-je besoin pour le rendre aussi clair que possible ? C’est le processus – pour arriver au point où cela semble facile.

Elle collabore avec d’autres théoriciens pour mettre au point les détails et rédiger un article scientifique. Ensuite, elle soumet leur travail à arXiv.org, où encore plus de théoriciens (et d’expérimentateurs) le découvriront, peut-être en parcourant le site tout en prenant leur café du matin. Et le processus recommencera.

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