The computational turn in physics

Coordinateur (s)
Présentation

La relation entre physique et calcul a changé de manière significative durant les dernières décennies. Les ordinateurs sont aujourd'hui des instruments indispensables utilisés de manière quotidienne en physique. Ce tournant majeur dans l'activité des physiciens est susceptible d'avoir de profondes implications du point de vue des aspects épistémologiques de leur travail. On s'attend particulièrement à ce que les notions traditionnelles en philosophie des sciences, d'explication et de compréhension, de représentation scientifique et d'expérience soient affectées par ce « tournant computationnel ».

La notion traditionnelle de compréhension scientifique est certainement condamnée à évoluer radicalement à cause de ce tournant computationnel : traditionnellement liée à la détermination des solutions (parfois numériques) d'équations différentielles, elle dépend à présent de la possibilité de reproduire certains aspects des phénomènes naturels au moyen d'un ordinateur. De plus, dans certains cas, le programme informatique ne contient aucun substitut aux équations différentielles qui contribuent traditionnellement à l'explication des phénomènes étudiés.

D'autres questions philosophiques majeures impliquées par cette nouvelle pratique sont : sommes-nous les témoins d'un tournant majeur dans notre conception des lois physiques ? Les critères d'une bonne explication ont-ils changé radicalement ? De la même manière, une nouvelle analyse des notions traditionnelles d'observation et d'expérience est requise. Que signifie observer quelque chose dans une simulation numérique ? Comme nous ne pouvons pas, dans une simulation informatique, analyser les informations pertinentes par nous-mêmes ou vérifier le résultat indépendamment (ceci est appelé l' « opacité épistémique »), nous sommes obligés, dans un certain sens, de nous reposer sur la simulation numérique : nous perdons toute possibilité épistémique de « suivre » ce qui se déroule dans une simulation et nous ne pouvons que faire confiance aux physiciens qui la gèrent. Cela implique une analyse renouvelée de l'expertise scientifique.

Ce projet a pour but de mettre au jour et d'analyser rigoureusement ces changements philosophiques.


Axes principaux de recherche

Physique statistique et complexité

Des liens inattendus ont été découverts ces dernières décennies entre la physique statistique et la théorie de la complexité. Des transitions de phase du premier et du second ordre ont ainsi été identifiées dans de nombreux problèmes informatiques. Par ailleurs, des méthodes issues de la physique statistique ont été utilisées afin d’étudier ces problèmes. On peut ainsi citer l’utilisation de la méthode des réplicas ou des diagrammes de phase pour décrire la complexité des problèmes. On peut se demander ce qui explique et justifie le succès de méthodes issues de l’étude des systèmes physiques à des problèmes formels. Une telle situation permet également de reposer le statut théorique de la physique statistique.

Calcul parallèle en physique

Lors des deux dernières décennies, les études sur le calcul parallèle se sont développées et différents calculateur en partie parallèle ont été construits. Un premier objectif modeste est de décrire les cas dans lesquels le calcul parallèle est en pratique utile pour l’étude de systèmes physiques. Une autre question est d’étudier l’origine l’efficacité du calcul parallèle en physique et de voir si cette efficacité peut en partie être mise en corrélation avec certaines caractéristiques des systèmes physiques (comme la localité des interactions). Dans tous les cas, il vaut la peine d’analyser ce que le développement du calcul parallèle implique pour la pratique de la modélisation. Plus généralement, il semble fécond d’étudier les changements épistémologiques associés au développement d’une science où de multiples acteurs et des calculateurs oeuvrent simultanément.

Calcul et mécanique quantique

Depuis deux décennies, des efforts considérables sont investis dans le but de fabriquer des machines à calculer quantiques, machines qui, dans le cadre de certaines classes de problèmes, seraient plus performantes que leurs analogues digitales. Pour ce faire, les algorithmes de calcul proposés utilisent de manière astucieuse des propriétés typiquement quantiques de la matière, comme la notion d'intrication des états. Assistons-nous à l'émergence d'une nouvelle conception de la computation, une conception qui irait au-delà de ses prédécesseurs car fondée sur une base physique différente ? En quoi ce modèle de computation nous obligera peut-être à réviser nos conceptions philosophiques du calcul en général ?

Par ailleurs, la mécanique quantique admet actuellement plusieurs interprétations qui semblent chacune être associées de manière privilégiée à un formalisme mathématique. On cherchera à caractériser cette relation. Par ailleurs lorsqu'il désire calculer un résultat concret, le chercheur juge souvent commode d'utiliser un formalisme qui peut ne pas être celui associé à son interprétation favorite. On cherchera à comprendre cette tension cognitive qui semble dissocier totalement interprétation et formalisme (et donc calcul).


Membres

Membres de l'institut ou affiliés :

  • Vincent Ardourel (doctorant)
  • Anouk Barberousse (chargée de recherche, coordinatrice du projet)
  • Thomas Boyer (doctorant)
  • Jacques Dubucs (directeur de recherche)
  • Rawad El-Skaf (doctorant)
  • Florent Franchette (doctorant)
  • Philippe Huneman (chargé de recherche)
  • Julie Jebeile (doctorante)
  • Guillaume Leroy (doctorant)
  • Christophe Malaterre (post-doctorant)
  • Marion Vorms (Post-doctorante)
  • Hervé Zwirn (directeur de recherche associé)


Collaborateurs extérieurs :


Résultats

Publications

  • Franchette, F. (2011), "Why is it necessary to build a physical model of hypercomputation?", AISB computing and philosophy proceedings, D. Kazakov and G. Tsoulas (eds.), The University of York, 2011.
  • Israel-Jost, V. (2011), "The Epistemological Foundations of Scientific Observation", South African Journal of Philosophy, 30(1), 29-40, 2011. Lien
  • Vorms, M. (2011), "Representing with Imaginary Models: Formats Matter", Studies in History and Philosophy of Science Part A, 2011 (doi:10.1016/j.shpsa.2010.11.036)

Récompenses scientifiques

  • Marion Vorms est lauréate 2010 du prix "Jaffé / Aguirre-Basualdo" de la Chancellerie des Universités de Paris, en Lettres et Sciences Humaines, pour sa thèse "Théories, modes d'emploi. Une perspective cognitive sur l'activité théorique dans les sciences empiriques".
  • Rawad El Skaf a obtenu en 2009 un prix de la fondation des Treilles pour son travail sur les expériences de pensée et le démon de Maxwell.
  • Cyrille Imbert a obtenu en 2008 un prix de la fondation des Treilles pour son travail de recherche sur la complexité des prédictions et l’émergence.

Bibliographie

  • BARBEROUSSE, A., FRANCESCHELLI, S. et IMBERT, C., "Computer simulation and experiment", Synthese, 2008, sous presse.
  • BARBEROUSSE, A., FRANCESCHELLI, S. et IMBERT, C.,« Simulations numériques et expérimentation », avec Sara Franceschelli et Cyrille Imbert Matière Première, vol. 3, pp. 71-88, 2008
  • BARBEROUSSE, A.« Models as Fictions », avec Pascal Ludwig,. In : Suarez, Mauricio (dir), Fictions in Science. Philosophical Essays in Modeling and Idealizations, London : Routledge, 2009
  • BARBEROUSSE, A « Les simulations numériques de l'évolution du climat : de nouveaux problèmes philosophiques ? », Revue philosophique de la France et de l'étranger, 133/3, pp. 299???3
  • DUBUCS, J. « Unfolding Cognitive Capacities », in M. Okada & alii (eds.), Reasoning and Cognition, Tokyo : Keio University Press, 2006, p. 95-101
  • Imbert, C. Thèse
  • ZWIRN H.,"Can we consider Quantum Mechanics to be a Description of Reality ?" in Rethinking Scientific Change and Theory Comparison. Stabilities, Ruptures, Incommensurabilities, L. Soler, P. Hoyningen, H. Sankey (eds), Springer (2008).
  • ZWIRN H., Les systèmes complexes, Odile Jacob (2006)
  • ZWIRN H.,"Les limites de la connaissance scientifique", in De la science à la philosophie, éditions Albin Michel, 2005)