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English to French: Mathematical and Numeric Issues in First Principle Molecular Simulation General field: Science
Source text - English Mathematical And Numerical Issues in First-principle molecular simulation
Molecular simulation based on electronic structure calculation (which is the principal component of computational quantum physics) aims at numerically investigating the physical properties of matter, and has a huge number of applications in the fields of chemistry, condensed matter physics, materials science, molecular biology, and nanosciences. There is a need to establish a solid expertise in France covering all the mathematical and numerical aspects required in electronic structure computation. Indeed, the commitment of the mathematical community, and in particular the communities of numerical analysis and scientific computing, is clearly not high enough in comparison with the CPU time spent on these problems and the number of applied scientists using these models on a daily basis. The acceptance of this project would greatly contribute to the development of these research themes in France, in particular through the training of young scientists. The main focus of this proposal is twofold: 1. providing sound mathematical foundations to the most popular models describing electronic excitations in semiconductors (with applications in solar cell technologies for instance), namely the time-dependent density functional theory (TDDFT) and the GW model. This is indeed a mandatory first step to propose dedicated and efficient numerical discretizations for the models at hand; 2. deriving a priori and a posteriori error estimators for the most common models used to describe solids in electronic structure computations, namely the Kohn-Sham models, which consist in minimizing some energy functional under orthonormality constraints and give rise to systems of nonlinear elliptic eigenvalue problems. Our team consists of two partners: CERMICS (Ecole des Ponts ParisTech) and Laboratoire Jacques-Louis Lions (Université Paris 6). We believe that our team is well-suited to the aims of the proposal since it combines a solid and internationally recognized expertize in the modeling, theoretical understanding and numerical discretization of problems from quantum physics through the partner CERMICS, as well as a world-leading expertise in the numerical analysis of partial differential equations through the partner Laboratoire Jacques-Louis Lions. The relevance of the problems we aim to study is guaranteed by the commitment of several scientists from the applied fields (which appear as external contributors or advisor in some of the tasks), some of them being long-term collaborators of the members of the project. To conduct this ANR project, we ask for three postdoctoral positions (54 months in total), as well as some additional funding for equipment (computing ressources) and for participations to international conferences. In particular, we plan to use a possible funding by the ANR to favor attendance to events organized by the applied communities (physicists, chemists, materials scientists) in order to advertise our results to the practitioners of the field, and collect information on the lastest developments and trends.
Translation - French Questions mathématiques et numériques dans la simulation moléculaire de Premier-principe
La simulation moléculaire basée sur le calcul électronique de structure (qui est le composant principal de la physique informatique de quantum) vise à étudier numériquement les propriétés physiques de la matière, et a un nombre énorme d'applications dans les domaines de la chimie, de la physique condensée de matière, de la science des matériaux, de la biologie moléculaire, et des nanosciences. Il y a un besoin d'établir une expertise pleine en France couvrant tous aspects mathématiques et numériques exigés dans le calcul électronique de structure. En effet, l'engagement de la communauté mathématique, et en particulier les communautés de l'analyse numérique et du calcul scientifique, n'est clairement pas assez haut en comparaison du temps- CPU dépensé sur ces problèmes et le nombre de scientifiques appliqués employant ces modèles quotidiennement. L'acceptation de ce projet contribuerait considérablement au développement de ces thèmes de recherches en France, en particulier par la formation de jeunes scientifiques. Le centre principal de cette proposition est double : 1. fournissant les bases mathématiques saines aux modèles les plus populaires décrivant des excitations électroniques en semi-conducteurs (avec des applications en technologies de pile solaire par exemple), à savoir la théorie fonctionnelle de densité dépendant du temps (TDDFT) et le modèle de gw. C'est en effet une première étape obligatoire pour proposer des discrétisations numériques consacrées et efficaces pour les modèles actuels ; 2. dérivant a priori et a posteriori les estimateurs d'erreurs pour les modèles les plus communs décrivaient des solides dans des calculs électroniques de structure, à savoir les modèles de Kohn-Feinte, qui consistent en réduisant au minimum quelques contraintes de dessous fonctionnelles d'orthonormality d'énergie et provoquent des systèmes des problèmes elliptiques non-linéaires de valeur propre. Notre équipe se compose de deux associés : CERMICS (DES Ponts ParisTech d'Ecole) et lions de Laboratoire Jacques-Louis (Université Paris 6). Nous croyons que notre équipe est bien adaptée aux objectifs de la proposition puisqu'elle combine un solide et internationalement reconnu expertize dans modeler, l'arrangement théorique et la discrétisation numérique des problèmes de la physique de quantum par l'associé CERMICS, aussi bien qu'une expertise monde-principale dans l'analyse numérique des équations partielles par les lions de Laboratoire Jacques-Louis d'associé. La pertinence des problèmes que nous visons à étudier est garantie par l'engagement de plusieurs scientifiques des champs appliqués (ce qui apparaissent pendant que les contribuants ou le conseiller externes dans une partie de charge), certains d'entre eux étant les collaborateurs à long terme des membres du projet. Pour conduire ce projet d'ANR, nous demandons trois positions post-doctorales (54 mois au total), aussi bien que le placement additionnel pour l'équipement (ressources de calcul) et pour des participations aux conférences internationales. En particulier, nous projetons employer un placement possible par l'ANR pour favoriser l'assistance aux événements organisés par les communautés appliquées (physiciens, chimistes, scientifiques de matériaux) afin d'annoncer nos résultats aux praticiens du champ, et rassemblons l'information sur les développements et les tendances lastest.
Arabic to French: رياضيّة وإصدارات عدديّة في فيرست-برينسبل محاكاة جزيئيّة General field: Science Detailed field: Physics
Source text - Arabic رياضيّة وإصدارات عدديّة في فيرست-برينسبل محاكاة جزيئيّة
يتّجه محاكاة جزيئيّة يؤسّس على إلكترونيّة بنية حساب (أيّ يكون ال برينسبل كمبوننت من حسابيّة كمّ فيزياء) عدديّا يتحرّى ال فسكل بروبرتي الأمر, ويتلقّى رقم ضخمة تطبيقات في المجالات من كيمياء, يكثّف أمر فيزياء, متريلس سكينس, علم الأحياء جزيئيّة, و ننوسكينسس. هناك حاجة أن يؤسّس خبرة صلبة في فرنسا يغطّي ألّ ث رياضيّة ومظاهر عدديّة يتطلّب في إلكترونيّة بنية حساب. حقّا, ليس التعهد من الجماعة رياضيّة, و إين برتيكلر الجماعات من نومريكل نلسس وعلميّة يحسب, بوضوح عاليا بكفاية إين كمبريسن ويث ال كبو-تيم ينفق على هذا مشاكل والرقم من عالمات مطبّقة يستعمل هذا نماذج على أساس يوميّة. أسهم القبول من هذا مشروع للغاية إلى التطوير من هذا بحث مواضيع في فرنسا, إين برتيكلر من خلال التدريب من عالمات شابّة. البؤرة رئيسيّة من هذا اقتراح مضاعفة: 1. يزوّد أسس صحيحة رياضيّة إلى النماذج شعبيّة أكثر يصف إثارات إلكترونيّة في سميكندوكتورس (مع تطبيقات في سلر سلّ تكنولوجيا فور ينستنس), أيّ ال تيم-دبندنت كثافة نظرية وظيفيّة (تدّفت) وال غو نموذج. هذا حقّا خطوة إجباريّة أولى أن يقترح مخصّصة و ديسكرتيزأيشن فعّالة عدديّة للنماذج أت هند; 2. يستنتج بداهة واستدلاليّا خطأ استعمل مقدرات للنماذج عاديّة أكثر أن يصف مادّة صلبة في إلكترونيّة بنية حسابات, أيّ ال كوهن-شم نماذج, أيّ يتألّف في يقلّ بعض طاقة وظيفيّة سفليّة أرثونورمليتي إكراهات ويوجد نظامات من لاخطيّة إهليلجيّة قيمة مميّزة مشاكل. يتألّف فريقنا اثنان شريكات: سرميكس (إكل دس بونتس بريستش) و لبورتوير جكقوس-لوويس أسود (أونيفرست باريس 6). نحن نصدق أنّ فريقنا ولّ-سويتد إلى الأهداف من الاقتراح بما أنّ هو يضمّ مادّة صلبة ودوليّا يميّز إإكسبرتيز في ال مودلينغ, نظريّة تفهم و ديسكرتيزأيشن عدديّة مشاكل من كمية فيزياء من خلال الشريكة سرميكس, أس ولّ س وورلد-لدينغ خبرة في ال نومريكل نلسس من ديفّرنتيل قوأيشن متحيّزة من خلال الشريكة لبورتوير جكقوس-لوويس أسود. ضمنت العلاقة من المشاكل نحن نهدف أن يدرس بالتعهد من عدّة عالمات من المجالات مطبّقة (أيّ يظهر كخارجيّة مساهمات أو مستشارة في بعض من المهام), بعض من هم يكون متعاونات طويل الأجل من الأعضاء من المشروع. أن يوصل هذا أنر مشروع, يسأل نحن لثلاثة موقعات بوستدوكتورل (54 شهور في مجموعة), أس ولّ س بعض إضافيّة يموّل لتجهيز (يحسب رسّوورسس) ولمشاركات إلى إينترنأيشنل كنفرنس. إين برتيكلر, يخطّط نحن أن يستعمل يمكن يموّل ب ال أنر أن يفضّل حضور إلى حادثات ينظّم بالجماعات مطبّقة (فيزيائيات, صيدليات, متريلس عالمات) إين وردر تو أعلنت نتيجاتنا إلى الممتهنات من المجال, ويجمع معلومة على ال لستست تطويرات واتّجاهات.
Translation - French Questions mathématiques et numériques dans la simulation moléculaire de Premier-principe
La simulation moléculaire basée sur le calcul électronique de structure (qui est le composant principal de la physique informatique de quantum) vise à étudier numériquement les propriétés physiques de la matière, et a un nombre énorme d'applications dans les domaines de la chimie, de la physique condensée de matière, de la science des matériaux, de la biologie moléculaire, et des nanosciences. Il y a un besoin d'établir une expertise pleine en France couvrant tous aspects mathématiques et numériques exigés dans le calcul électronique de structure. En effet, l'engagement de la communauté mathématique, et en particulier les communautés de l'analyse numérique et du calcul scientifique, n'est clairement pas assez haut en comparaison du temps- CPU dépensé sur ces problèmes et le nombre de scientifiques appliqués employant ces modèles quotidiennement. L'acceptation de ce projet contribuerait considérablement au développement de ces thèmes de recherches en France, en particulier par la formation de jeunes scientifiques. Le centre principal de cette proposition est double : 1. fournissant les bases mathématiques saines aux modèles les plus populaires décrivant des excitations électroniques en semi-conducteurs (avec des applications en technologies de pile solaire par exemple), à savoir la théorie fonctionnelle de densité dépendant du temps (TDDFT) et le modèle de gw. C'est en effet une première étape obligatoire pour proposer des discrétisations numériques consacrées et efficaces pour les modèles actuels ; 2. dérivant a priori et a posteriori les estimateurs d'erreurs pour les modèles les plus communs décrivaient des solides dans des calculs électroniques de structure, à savoir les modèles de Kohn-Feinte, qui consistent en réduisant au minimum quelques contraintes de dessous fonctionnelles d'orthonormality d'énergie et provoquent des systèmes des problèmes elliptiques non-linéaires de valeur propre. Notre équipe se compose de deux associés : CERMICS (DES Ponts ParisTech d'Ecole) et lions de Laboratoire Jacques-Louis (Université Paris 6). Nous croyons que notre équipe est bien adaptée aux objectifs de la proposition puisqu'elle combine un solide et internationalement reconnu expertize dans modeler, l'arrangement théorique et la discrétisation numérique des problèmes de la physique de quantum par l'associé CERMICS, aussi bien qu'une expertise monde-principale dans l'analyse numérique des équations partielles par les lions de Laboratoire Jacques-Louis d'associé. La pertinence des problèmes que nous visons à étudier est garantie par l'engagement de plusieurs scientifiques des champs appliqués (ce qui apparaissent pendant que les contribuants ou le conseiller externes dans une partie de charge), certains d'entre eux étant les collaborateurs à long terme des membres du projet. Pour conduire ce projet d'ANR, nous demandons trois positions post-doctorales (54 mois au total), aussi bien que le placement additionnel pour l'équipement (ressources de calcul) et pour des participations aux conférences internationales. En particulier, nous projetons employer un placement possible par l'ANR pour favoriser l'assistance aux événements organisés par les communautés appliquées (physiciens, chimistes, scientifiques de matériaux) afin d'annoncer nos résultats aux praticiens du champ, et rassemblons l'information sur les développements et les tendances lastest.
Arabic to English: رياضيّة وإصدارات عدديّة في فيرست-برينسبل محاكاة جزيئيّة General field: Science Detailed field: Physics
Source text - Arabic رياضيّة وإصدارات عدديّة في فيرست-برينسبل محاكاة جزيئيّة
يتّجه محاكاة جزيئيّة يؤسّس على إلكترونيّة بنية حساب (أيّ يكون ال برينسبل كمبوننت من حسابيّة كمّ فيزياء) عدديّا يتحرّى ال فسكل بروبرتي الأمر, ويتلقّى رقم ضخمة تطبيقات في المجالات من كيمياء, يكثّف أمر فيزياء, متريلس سكينس, علم الأحياء جزيئيّة, و ننوسكينسس. هناك حاجة أن يؤسّس خبرة صلبة في فرنسا يغطّي ألّ ث رياضيّة ومظاهر عدديّة يتطلّب في إلكترونيّة بنية حساب. حقّا, ليس التعهد من الجماعة رياضيّة, و إين برتيكلر الجماعات من نومريكل نلسس وعلميّة يحسب, بوضوح عاليا بكفاية إين كمبريسن ويث ال كبو-تيم ينفق على هذا مشاكل والرقم من عالمات مطبّقة يستعمل هذا نماذج على أساس يوميّة. أسهم القبول من هذا مشروع للغاية إلى التطوير من هذا بحث مواضيع في فرنسا, إين برتيكلر من خلال التدريب من عالمات شابّة. البؤرة رئيسيّة من هذا اقتراح مضاعفة: 1. يزوّد أسس صحيحة رياضيّة إلى النماذج شعبيّة أكثر يصف إثارات إلكترونيّة في سميكندوكتورس (مع تطبيقات في سلر سلّ تكنولوجيا فور ينستنس), أيّ ال تيم-دبندنت كثافة نظرية وظيفيّة (تدّفت) وال غو نموذج. هذا حقّا خطوة إجباريّة أولى أن يقترح مخصّصة و ديسكرتيزأيشن فعّالة عدديّة للنماذج أت هند; 2. يستنتج بداهة واستدلاليّا خطأ استعمل مقدرات للنماذج عاديّة أكثر أن يصف مادّة صلبة في إلكترونيّة بنية حسابات, أيّ ال كوهن-شم نماذج, أيّ يتألّف في يقلّ بعض طاقة وظيفيّة سفليّة أرثونورمليتي إكراهات ويوجد نظامات من لاخطيّة إهليلجيّة قيمة مميّزة مشاكل. يتألّف فريقنا اثنان شريكات: سرميكس (إكل دس بونتس بريستش) و لبورتوير جكقوس-لوويس أسود (أونيفرست باريس 6). نحن نصدق أنّ فريقنا ولّ-سويتد إلى الأهداف من الاقتراح بما أنّ هو يضمّ مادّة صلبة ودوليّا يميّز إإكسبرتيز في ال مودلينغ, نظريّة تفهم و ديسكرتيزأيشن عدديّة مشاكل من كمية فيزياء من خلال الشريكة سرميكس, أس ولّ س وورلد-لدينغ خبرة في ال نومريكل نلسس من ديفّرنتيل قوأيشن متحيّزة من خلال الشريكة لبورتوير جكقوس-لوويس أسود. ضمنت العلاقة من المشاكل نحن نهدف أن يدرس بالتعهد من عدّة عالمات من المجالات مطبّقة (أيّ يظهر كخارجيّة مساهمات أو مستشارة في بعض من المهام), بعض من هم يكون متعاونات طويل الأجل من الأعضاء من المشروع. أن يوصل هذا أنر مشروع, يسأل نحن لثلاثة موقعات بوستدوكتورل (54 شهور في مجموعة), أس ولّ س بعض إضافيّة يموّل لتجهيز (يحسب رسّوورسس) ولمشاركات إلى إينترنأيشنل كنفرنس. إين برتيكلر, يخطّط نحن أن يستعمل يمكن يموّل ب ال أنر أن يفضّل حضور إلى حادثات ينظّم بالجماعات مطبّقة (فيزيائيات, صيدليات, متريلس عالمات) إين وردر تو أعلنت نتيجاتنا إلى الممتهنات من المجال, ويجمع معلومة على ال لستست تطويرات واتّجاهات.
Translation - English Mathematical And Numerical Issues in First-principle molecular simulation
Molecular simulation based on electronic structure calculation (which is the principal component of computational quantum physics) aims at numerically investigating the physical properties of matter, and has a huge number of applications in the fields of chemistry, condensed matter physics, materials science, molecular biology, and nanosciences. There is a need to establish a solid expertise in France covering all the mathematical and numerical aspects required in electronic structure computation. Indeed, the commitment of the mathematical community, and in particular the communities of numerical analysis and scientific computing, is clearly not high enough in comparison with the CPU time spent on these problems and the number of applied scientists using these models on a daily basis. The acceptance of this project would greatly contribute to the development of these research themes in France, in particular through the training of young scientists. The main focus of this proposal is twofold: 1. providing sound mathematical foundations to the most popular models describing electronic excitations in semiconductors (with applications in solar cell technologies for instance), namely the time-dependent density functional theory (TDDFT) and the GW model. This is indeed a mandatory first step to propose dedicated and efficient numerical discretizations for the models at hand; 2. deriving a priori and a posteriori error estimators for the most common models used to describe solids in electronic structure computations, namely the Kohn-Sham models, which consist in minimising some energy functional under orthonormality constraints and give rise to systems of nonlinear elliptic eigenvalue problems. Our team consists of two partners: CERMICS (Ecole des Ponts ParisTech) and Laboratory Jacques-Louis Lions (Université Paris 6). We believe that our team is well-suited to the aims of the proposal since it combines a solid and internationally recognised expertise in the modelling, theoretical understanding and numerical discretisation of problems from quantum physics through the partner CERMICS, as well as a world-leading expertise in the numerical analysis of partial differential equations through the partner Laboratory Jacques-Louis Lions. The relevance of the problems we aim to study is guaranteed by the commitment of several scientists from the applied fields (which appear as external contributors or advisor in some of the tasks), some of them being long-term collaborators of the members of the project. To conduct this ANR project, we ask for three postdoctoral positions (54 months in total), as well as some additional funding for equipment (computing resources) and for participations to international conferences. In particular, we plan to use a possible funding by the ANR to favour attendance to events organised by the applied communities (physicists, chemists, materials scientists) in order to advertise our results to the practitioners of the field, and collect information on the latest developments and trends
English to French: FeynmanSpeech1963 General field: Science Detailed field: Physics
Source text - English THE PROBLEM OF TEACHING PHYSICS IN LATIN AMERICA
by Richard P. Feynman
"The Problem of Teaching Physics in Latin America" is a transcript of the keynote speech given by Richard Feynman at the First Inter‑American Conference on Physics Education in Rio de Janeiro in June 1963. Dr. Feynman is Richard Chace Tolman Professor of Theoretical Physics at Caltech.
The problem of teaching physics in Latin America is only part of the wider problem of teaching physics anywhere. In fact, it is part of the problem of teaching anything anywhere – a problem for which there is no known satisfactory solution.
There are many new plans in many countries for trying to teach physics, which shows that nobody is satisfied with any method. It is likely that many of the new plans look good, for nobody has tried them long enough to find out what is the matter with them; whereas all the old methods have been with us long enough to show their faults clearly.
The fact is that nobody knows very well how to tell anybody else how to teach. So when we try to figure out how to teach physics we must he somewhat modest, because nobody really knows how. It is at the same time a serious problem and an opportunity for new discoveries.
The problem of teaching physics in Latin America can also be generalized in another way, to remind us of the problem of doing anything in Latin America. We must get at least partly involved in the special social, political, and economic problems that exist here.
All the problems come into sharper focus if there is before us a clear picture of the reasons for teaching physics in the first place. So I will try to give some reasons why I believe we should teach physics. We can then ask whether any particular educational plan is in fact satisfying any of the reasons.
The first reason is, of course, that physics is a basic science, and as such is used in engineering, chemistry, and biology, and has all kinds of applications in technology. Physics is the science, or knowledge of nature, that tells us how things work. In particular, I am stressing here how devices of various kinds – invented by men in present and forthcoming technology – work. Therefore, those who know physics will be much more useful in coping with the technical problems arising in local industry.
It might be argued, and in practice it is argued, that in the earlier stages of industrial development that we have in Latin America, such talent is completely superfluous because it is so easy to import good technically‑trained personnel from more advanced countries outside. Therefore, is it really necessary to develop highly‑technically‑trained people locally?
I probably do not know enough economics to answer correctly, but I will try to give an opinion anyway. I think it is vitally important to improve the technical ability of the peoples of Latin America. By education, the man with higher technical ability is able to produce more, and I believe that in the improvement of the technical ability, and thus the productivity, of the people of Latin America lies the source of real economic advancement.
It is not economically sound to continuously import technically‑skilled people. If Latin American people were educated technically they would find positions in the developing industries here; it would soon be realized by the people who now import such workers that there is a supply of really able men in this country, and that this local supply has many advantages. The local people would not demand such high wages, would know the customs and ways of the country, and would be glad to take more permanent positions.
It is true that Latin Americans with the same degrees in science or engineering as their foreign counterparts seem to be very much less able. This (as I shall explain) is because they have not really been taught any science. This experience has probably conditioned industrialists to pay very little attention to the local universities and scientists. If they were wise the industrialists would see the problem quite the other way around and would be the first to clamor for a meeting of the kind we are having today, to find out what is the matter with the local product and how to teach physics in a really satisfactory manner in their countries. Yet none of them are here.
A secondary reason for teaching physics, or any experimental science, is that it incidentally teaches how to do things with your hands. It teaches many techniques for manipulating things – as well as techniques of measurement and calculation, for example – which have very much wider applications than the particular field of study.
Another major reason for teaching physics is for the science itself. Science is an activity of men; to many men it is a great pleasure and it should not be denied to the people of a large part of the world simply because of a fault or lack in the educational system. In other words, one of the reasons for teaching science is to make scientists who will not just contribute to the development of industry but also contribute to the development of knowledge, joining others in this great adventure of our times, and, of course, obtaining enormous pleasure in doing so.
Thirdly, there is good reason to study nature to appreciate its wonder and its beauty, even though one may not become an actively‑working professional scientist. This knowledge of nature also gives a feeling of stability and reality about the world and drives out many fears and superstitions.
A fourth value in teaching science is to teach how things are found out. The value of questioning, the value of free ideas – not only for the development of science, but the value of free ideas in every field – becomes apparent. Science is a way to teach how something gets to be known, what is not known, to what extent things are known (for nothing is known absolutely), how to handle doubt and uncertainty, what the rules of evidence are, how to think about things so that judgments can be made, how to distinguish truth from fraud, and from show. These are certainly important secondary yields of teaching science, and physics in particular.
Finally, in learning science you learn to handle trial and error, to develop a spirit of invention and of free inquiry which is of tremendous value far beyond science. One learns to ask oneself: "Is there a better way to do it?" (And the answer to this is not the conditioned reflex: "Let's see how they do it in the United States," because there must certainly be a better way than that!) We must try to think of some new gimmick or idea, to find some improvement in the technique. This question is the source of a great deal of free independent thought, of invention, and of human progress of all kinds.
This ends my list of reasons for the teaching of physics as a science. Let me turn now to a description of some of the major characteristics of science education in Latin America which appear to me to be of special concern for us.
First, and most serious, I believe, is the almost exclusive teaching and learning by means of pure abject memory. This in no way teaches physics as a science. Nothing is understood; it is only remembered. This in no way satisfies the reasons I outlined for teaching science. Memorization of laws does not permit one to make applications of these laws to new situations; it does not permit one the pleasure of ultimately making scientific contributions; it cannot teach any techniques with the hands. From memorizing, knowledge is not understood, and the beauty of nature is not appreciated. It does not tell how things were found out, or reveal the value of an inventive free mind.
For example, the telescope is an interesting device to make, understand, look through, and play with. It turned men's ideas and minds in new directions. It gave a great impetus to the modern revolution of thought. For a long while it was the sole revealer of the vastness of the heavens and man's modest place in it. But, in Latin America one learns that there are four kinds of telescopes: the Newtonian, the Cassigranian, etc., etc. In the first, the image is virtual and inverted, etc. (I put in all this "etc." because I really don't know how many kinds of telescopes there are, or what their names are, or which way the image is in each kind. But don't underestimate me; I know a very great deal about telescopes – how they work, how to make and use one, their powers and limitations, etc.) The result is that the telescope is lost. There is no more telescope, no lenses, no stars, no eyes, no light – just words memorized without requiring understanding. The examination is passed, for the question was "What are the four types of telescopes?"
I must say immediately that I am not against memorizing. Some things, even many (though nothing special) may be learned by heart; for example, it is good, but not essential, to know by heart 7 x 8 = 56. What I oppose in any teaching philosophy is that the philosophy is used exclusively; but in this case it is especially serious because so little is left of the subject.
It was incomprehensible to the people of my country when I reported how material is memorized in Latin America completely without understanding. Lectures are dictated so slowly that students can copy them word for word into their notebooks – and sentences are even repeated so they can check them back.
When asked what Brewster's Law is, advanced students answer in a flash: "Light impinging on a material of index n is 100 percent polarized with the electric field perpendicular to the plane of incidence if the tangent of the angle of incidence equals the index of refraction."
To these same students I then say, "Look out at the bay from which the sunlight is being reflected. If I look at that reflection through this piece of polaroid and turn it, what will happen?" All I receive are blank stares. No one knows. But I get cries of surprise and delight when they try it and see the reflections getting brighter and dimmer.
This shows something is completely wrong. There is no knowledge whatsoever of nature. With the wrong entrance clue the memorization is useless. These students are like books, no more. I can look in the index of a book under "Brewster's Law" and find a reference equivalent to the students' reply. But in the index I cannot find "sun reflecting on bay."
What do the students know that is not easily and directly available in a book? The things that can be looked up in a book are only a part of knowledge. Who wants such a student to work in a plant when a book requiring no food or maintenance stands day after day always ready to give just as adequate answers? Who wants to be such a student, to have worked so hard, to have missed so much of interest and pleasure, and to be outdone by an inanimate printed list of "laws"?
What experience I have makes me think that this is one of the main failures in the education of students in Latin America.
A second problem in Latin America is that the students are all alone. They cannot converse with other students; they cannot see how stupid some fellow students are. This is mainly for some psychological reason. They do not wish to be found unsure, for they will be ridiculed. They cannot ask questions in class because the others later say, "Why do you waste the time of all of us? Everyone knows that." So, to save face, they all put on a show of knowledge, thereby frustrating free discussion and the exchange of ideas – one of the pleasantest and easiest ways of learning things. There is too much show, and too much formality in the classroom for any exercise of free thought and discussion.
A third problem is the lack of freedom in the university structure. You cannot move around from one subject to another or from one lab to another. Those who go abroad to learn find it difficult to communicate their new knowledge easily and directly to the university students when they return – for they cannot find a place in, and are not welcomed into, the university structure. For some reason or other, it becomes necessary for such people to create new and separate research institutes. The spirit of excitement in these institutions as their research progresses is not found in the universities, and this is quite unfortunate.
Another problem in Latin America is that there is very little outlet for the students who do not want to become complete scientists. It is not easy for them to obtain jobs in the developing industries here. Perhaps if these students were really adequately trained, the companies would gradually realize their value and this problem would disappear. But some of the enthusiastic students are not geniuses, and there must be some place for them to go – even though they are not going to make any scientific contribution, or become second Einsteins.
When I began studying at MIT I started in mathematics, and probably I thought I would be a mathematician. Then I discovered that the only use of higher mathematics is to teach more higher mathematics and I turned to something more practical – electrical engineering. Finally I realized I had gone too far in the other direction and chose something in between – physics.
This was all very easy because, for such closely related subjects, the courses taken by students in each discipline were almost exactly the same and were taught by the same professors. The engineers studied physics taught by the physicists, for instance, and the physicists learned some of their electricity in a course taught by the professors of electrical engineering. It is easy for students to move back and forth among related disciplines. If physics is too difficult for them, or mathematics too abstract, they can turn to engineering and can later expect to find a position somewhere. Such changes are much more difficult in Latin American universities.
Another characteristic of the situation in Latin America is the small number of people involved: the result is a rapid fluctuation and irregularity in the character of organizations and institutions. How something goes depends very much on particular individuals.
Finally, we must mention the problem of the best students leaving to go to other countries. This is because of the lack of opportunities in Latin America, the climate of rigidity that exists in the universities, and the vagaries of fortune of the research institutions as their budgets find uneven support from year to year, from the government and private sources of funds.
I should now like to give some of the questions for which I think we must seek answers here.
First, how can we free the lower levels of secondary education from the drudge memorization that exists at the present time? It is well known that you can get children quite interested in science in a true, live, and active way while they are young. It is sometimes said you cannot get them interested by the time they are in the university, but this is not true – provided they have not been destroyed as thinking humans at the earlier levels.
Gibbon said: "The power of instruction is of little efficacy, except in those happy dispositions where it is nearly superfluous." This is not really true. It is true of good instruction, but bad instruction can be very efficacious indeed in impressing on one how impossibly dull some subject is. It is possible to destroy the excitement and interest that students may have gained by discovering a small book in the library, by buying a toy, a chemistry set, or a little electric motor – by playing around. In fact, one of the most important sources of motivation of interest in science is in a toy, or in a special book, and from those few teachers who are free enough from the bonds of an educational system to be able to keep children excited and inspired by supplying them with suggestions, demonstrations, and games.
It is a well known experience in education that, in spite of all plans and programs, ultimately almost everything depends on teachers – on individual teachers. You can have poor teachers and, no matter what you try to do with them, the students learn very little. Or you can have good teachers and it doesn't make much difference what you do, provided you leave the teacher free. So I think we must find how to free those few teachers who can be inspiring to children. It is important that those inspiring teachers work along with children, suggesting experiments and trying them freely.
The second question we shall have to try to answer is how to bring engineers and other applied scientists closer to their real world of application. It is not enough for them to remember exactly how to use the formula, providing that the situation is exactly the same as the situation was in the engineering school when the professor dictated the lecture. We must do something to make the applied engineer more flexible, so that he is effective in a wide range of applications.
One way may be to have true scientists – and especially active research experimental physicists – teaching physics to some engineering students. Experimental physics generates technical problems. To succeed, you have to work with your hands; you have to meet reality; pure memory won't do. So, people who are good at experimental physics know what engineering problems are.
The development of industrial technology is in a great measure simply the wider application of techniques which in most cases were developed by scientists trying to do experiments. This is because, in trying to do some experiment in science, you have to push some technique to the extreme. In doing so, you learn how things can be done. Experimental physicists first pursued the problems of how to make a higher vacuum or a lower temperature than ever before, and now high vacuum and low temperatures are tools of industrial technology.
Therefore, experimental science is a source of engineering and experimental science should be taught to engineers in school to keep them aware of the wide range of techniques available and the open possibilities of the future. Perhaps, then, after we have created enough real engineers with real value to industry in Latin America, industry will see that there is no advantage to hiring engineers from overseas and will want more of the locally-trained men and will support the schools with methods of teaching which produce such engineers. Then we will have the ball rolling.
I understand that the number of engineering schools in Latin America is growing rapidly. For example, in Brazil there are twice as many engineering schools as there were ten years ago. If this is the case, then maybe the problem can solve itself. If these schools are not all organized under the same system, if there is a variety in the schools, then one or another school may develop a way to produce excellent students – if the secondary school preparation has not first ruined them. Then this school will acquire a reputation, children will try to go there, other schools will try to compete and copy the better methods‑and so on until the problem solves itself.
The third problem that we have here is how to encourage the true research workers and keep them from leaving home permanently. We have to supply them with books, with experimental equipment, with money for visits abroad, and with a coterie of active interested students. No, excuse me – the coterie will form automatically if the researcher is good and can get to students in any way at all.
It is imperative to encourage the true research worker who is making contributions to science to make his home base in his own country. This should not be hard because there are strong feelings of patriotism in these men; they know they have a great deal to give their country and want to give it. The difficulty is the terrible problems they have at home. For example, the physics research center in Rio, which is one of the leading ones in Latin America, has become isolated from the rest of the world because of a very simple thing: Nobody wants to pay for the Physical Review or Nuovo Cimento. Nobody wants to pay for the journals that can keep people informed of what happens somewhere else.
This, along with the fact that salaries are absurdly low, shows a lack of interest by the Brazilian government, people, and industry, in the development of science in this country. It is an attitude that does not respect or understand the value of these men. These creating scientists should have a dignity and a power to control their own destiny, and that of science and of science education in their countries. It will be in safe, loving hands.
It is from the fountain of research workers who understand what science is really about that the true spirit of inquiry rains onto their students, and their students' students, and ultimately, if things are organized right, permeates the entire educational system and speeds the technical development of the country.
The fourth problem, then, is how to get these research workers back into the universities where they belong. Then the "rain" will have a far easier and direct passage to the students, the new scientists of the country.
I should like to emphasize, by addressing my fifth and final question to the problem, the importance of doing any of these things in a steady, consistent, continuous, and modest way. It should not be done with a big show, the big money, with much advertising, unsupported in the future by any effective maintenance. Maintenance is lacking in many of these projects, for these things have happened before. Pulses of energy have been liberated, forward steps have been taken, only to slip back for lack of continued support. It is necessary to keep up anything that works out. It is necessary to provide a continuous, consistent, perpetual support and to make things more modest so that continuity of support can be maintained. A research group becomes world famous only after years of fruitful research. One year of no support and people drift away and there is nothing left.
I appreciate that this is a problem of great difficulty and seriousness because it involves so closely all of the social and economic circumstances in the country, and the difficulties are often (but not always) merely the reflection of the vastly more serious problems of the varying fortune of the country as a whole. Yet we ought to discuss it further here. We might try to see if there are ways to work out a scheme so that the educational system, or at least such critical parts of it as research scientists or especially good teachers, is partially independent of the variations in success of the government.
Perhaps it should not be completely supported by government. Perhaps greater efforts to obtain private funds might work. Possibly more reliance on, and contact with, more permanent institutions like religious schools might sustain the continuity of these efforts.
I have discussed the problems as directly. and frankly as possible, as I see them. I don't mean to make any criticism, except in the same spirit as any discussion we shall have later will represent a criticism. For surely we shall not all find everything well with the present situation in physics education in Latin America. If so, we would not have had such a meeting. I have tried to avoid making too many specific active suggestions on how to proceed, because this is our job for the rest of this meeting.
Translation - French LE PROBLÈME DE L'ENSEIGNEMENT DE LA PHYSIQUE EN AMÉRIQUE LATINE
par Richard P. Feynman
"Le problème de l'enseignement de la physique en Amérique latine" est une transcription du discours d'ouverture donné par Richard Feynman à la première Conférence interaméricaine d'éducation physique à Rio de Janeiro en juin 1963. Le Dr Feynman est Richard Chace Tolman, professeur de physique théorique à Caltech.
Le problème de l'enseignement de la physique en Amérique latine n'est qu'une partie du problème plus large de l'enseignement de la physique partout. En fait, cela fait partie du problème d'enseigner n'importe quoi n'importe où - un problème pour lequel il n'y a pas de solution satisfaisante connue.
Il y a beaucoup de nouveaux plans dans de nombreux pays pour essayer d'enseigner la physique, ce qui montre que personne n'est satisfait de quelque méthode que ce soit. Il est probable que bon nombre des nouveaux plans semblent bien, car personne ne les a essayés assez longtemps pour savoir ce qui les concerne; alors que toutes les anciennes méthodes nous ont accompagnées assez longtemps pour montrer clairement leurs fautes.
Le fait est que personne ne sait très bien comment dire à quelqu'un d'autre comment enseigner. Donc, quand nous essayons de comprendre comment enseigner la physique, nous devons être un peu modestes, parce que personne ne sait vraiment comment. C'est à la fois un problème sérieux et une opportunité pour de nouvelles découvertes.
Le problème de l'enseignement de la physique en Amérique latine peut également être généralisé d'une autre manière, pour nous rappeler le problème de tout faire en Amérique latine. Nous devons être au moins en partie impliqués dans les problèmes sociaux, politiques et économiques spéciaux qui existent ici.
Tous les problèmes se focalisent plus clairement si nous avons devant nous une image claire des raisons qui ont motivé l'enseignement de la physique en premier lieu. Je vais donc essayer de donner quelques raisons pour lesquelles je crois que nous devrions enseigner la physique. Nous pouvons alors nous demander si un plan d'éducation particulier répond à l'une ou l'autre des raisons.
La première raison est, bien sûr, que la physique est une science fondamentale, et en tant que telle est utilisée dans l'ingénierie, la chimie et la biologie, et a toutes sortes d'applications dans la technologie. La physique est la science, ou la connaissance de la nature, qui nous dit comment les choses fonctionnent. En particulier, je souligne ici comment fonctionnent les dispositifs de toutes sortes - inventés par les hommes dans la technologie présente et à venir. Par conséquent, ceux qui connaissent la physique seront beaucoup plus utiles pour faire face aux problèmes techniques qui se posent dans l'industrie locale.
On pourrait soutenir, et dans la pratique, que dans les premiers stades de développement industriel que nous avons en Amérique latine, un tel talent est complètement superflu parce qu'il est si facile d'importer du personnel techniquement qualifié de pays plus avancés. Par conséquent, est-il vraiment nécessaire de développer localement des personnes hautement formées?
Je ne connais probablement pas assez l'économie pour répondre correctement, mais je vais essayer de donner une opinion de toute façon. Je pense qu'il est vital d'améliorer les capacités techniques des peuples d'Amérique latine. Par l'éducation, l'homme ayant les plus grandes capacités techniques est capable de produire plus, et je crois que l'amélioration de la capacité technique, et donc de la productivité, de la population latino-américaine est la source d'un véritable progrès économique.
Il n'est pas économique d'importer continuellement des personnes techniquement qualifiées. Si les Latino-Américains étaient éduqués techniquement, ils trouveraient des postes dans les industries en développement ici; Les gens qui importent maintenant de tels travailleurs constateront bientôt qu'il existe dans ce pays une réserve d'hommes vraiment compétents et que cette offre locale présente de nombreux avantages. Les populations locales ne réclameraient pas des salaires aussi élevés, connaîtraient les coutumes et les habitudes du pays et seraient ravies de prendre des positions plus permanentes.
Il est vrai que les Latino-Américains ayant les mêmes diplômes en sciences ou en génie que leurs homologues étrangers semblent être beaucoup moins capables. Ceci (comme je l'expliquerai) est parce qu'on ne leur a vraiment enseigné aucune science. Cette expérience a probablement conditionné les industriels à ne prêter que très peu d'attention aux universités et aux scientifiques locaux. S'ils étaient sages, les industriels verraient le problème à l'envers et seraient les premiers à réclamer une réunion du genre de celle que nous avons aujourd'hui, pour savoir ce qu'il en est du produit local et comment enseigner la physique à une manière vraiment satisfaisante dans leurs pays. Pourtant, aucun d'entre eux sont ici.
Une raison secondaire pour l'enseignement de la physique, ou de toute science expérimentale, est qu'elle enseigne d'ailleurs comment faire les choses avec les mains. Il enseigne de nombreuses techniques de manipulation de choses - ainsi que des techniques de mesure et de calcul, par exemple - qui ont des applications beaucoup plus larges que le domaine d'étude particulier.
Une autre raison majeure pour l'enseignement de la physique est pour la science elle-même. La science est une activité des hommes; Pour de nombreux hommes, c'est un grand plaisir et il ne devrait pas être refusé aux gens d'une grande partie du monde simplement à cause d'une faute ou d'un manque dans le système éducatif. En d'autres termes, l'une des raisons d'enseigner la science est de faire des scientifiques qui non seulement contribueront au développement de l'industrie mais contribueront aussi au développement des connaissances, se joignant à d'autres dans cette grande aventure de notre temps et, bien sûr, énorme plaisir à le faire.
Troisièmement, il y a de bonnes raisons d'étudier la nature pour apprécier son émerveillement et sa beauté, même si l'on ne peut pas devenir un scientifique professionnel actif. Cette connaissance de la nature donne aussi un sentiment de stabilité et de réalité à propos du monde et chasse beaucoup de peurs et de superstitions.
Une quatrième valeur dans l'enseignement des sciences est d'enseigner comment les choses sont découvertes. La valeur du questionnement, la valeur des idées libres - non seulement pour le développement de la science, mais la valeur des idées libres dans tous les domaines - devient évidente. La science est un moyen d'enseigner comment on sait quelque chose, ce qu'on ne sait pas, dans quelle mesure les choses sont connues (on ne sait absolument rien), comment gérer le doute et l'incertitude, quelles sont les règles de preuve, comment penser les choses afin que des jugements puissent être faits, comment distinguer la vérité de la fraude, et du spectacle. Ce sont certainement des rendements secondaires importants de l'enseignement de la science et de la physique en particulier.
Enfin, en apprenant la science, vous apprenez à gérer les essais et les erreurs, à développer un esprit d'invention et de recherche libre qui a une valeur énorme bien au-delà de la science. On apprend à se demander: "Y a-t-il un meilleur le moyen de fais le?" (Et la réponse à cela n'est pas le réflexe conditionné: "Voyons voir comment ils le font aux Etats-Unis," parce qu'il doit certainement y avoir une meilleure façon que cela!) Nous devons essayer de penser à un nouveau truc ou idée, trouver une amélioration dans la technique. Cette question est la source d'une grande partie de la libre pensée indépendante, de l'invention et du progrès humain de toutes sortes.
Ceci termine ma liste de raisons pour l'enseignement de la physique en tant que science. Permettez-moi maintenant de décrire quelques-unes des principales caractéristiques de l'éducation scientifique en Amérique latine qui me paraissent particulièrement préoccupantes.
D'abord, et le plus sérieux, je crois, c'est l'enseignement et l'apprentissage presque exclusifs au moyen de la pure mémoire abjecte. Cela n'enseigne en rien la physique en tant que science. Rien n'est compris; on s'en souvient seulement. Cela ne satisfait en aucun cas les raisons que j'ai exposées pour enseigner la science. La mémorisation des lois ne permet pas d'appliquer ces lois à de nouvelles situations; il ne permet pas le plaisir de faire finalement des contributions scientifiques; il ne peut enseigner aucune technique avec les mains. De la mémorisation, la connaissance n'est pas comprise, et la beauté de la nature n'est pas appréciée. Il ne dit pas comment les choses ont été découvertes, ou révèle la valeur d'un esprit libre inventif.
Par exemple, le télescope est un dispositif intéressant pour faire, comprendre, regarder et jouer avec. Il a transformé les idées et les esprits des hommes dans de nouvelles directions. Cela a donné une grande impulsion à la révolution moderne de la pensée. Pendant longtemps, il fut le seul révélateur de l'immensité des cieux et de la place modeste de l'homme. Mais, en Amérique latine, on apprend qu'il existe quatre sortes de télescopes: le Newtonien, le Cassigranien, etc., etc. Dans le premier, l'image est virtuelle et inversée, etc. (Je mets tout ce "etc." parce que je ne sais vraiment pas combien de sortes de télescopes il y a, ou quels sont leurs noms, ou de quelle façon l'image est dans chaque genre. Mais ne me sous-estimez pas; Je connais beaucoup de choses sur les télescopes - comment ils fonctionnent, comment les fabriquer et les utiliser, leurs pouvoirs et leurs limites, etc.) Le résultat est que le télescope est perdu. Il n'y a plus de télescope, pas de lentilles, pas d'étoiles, pas d'yeux, pas de lumière - juste des mots mémorisés sans nécessiter de compréhension. L'examen est passé, car la question était "Quels sont les quatre types de télescopes?"
Je dois dire immédiatement que je ne suis pas contre la mémorisation. Certaines choses, même beaucoup (mais rien de spécial) peuvent être apprises par cœur; par exemple, il est bon, mais pas essentiel, de savoir par cœur 7 x 8 = 56. Ce que j'oppose dans toute philosophie d'enseignement, c'est que la philosophie est utilisée exclusivement; mais dans ce cas, c'est particulièrement grave, car il reste si peu de sujet.
C'était incompréhensible aux gens de mon pays quand j'ai rapporté comment le matériel est mémorisé en Amérique latine complètement sans comprendre. Les conférences sont dictées si lentement que les élèves peuvent les copier mot à mot dans leurs cahiers - et les phrases sont même répétées pour pouvoir les vérifier.
Lorsqu'on leur demande quelle est la loi de Brewster, les étudiants avancés répondent en un éclair: "La lumière frappant un matériau d'indice n est polarisée à 100% avec le champ électrique perpendiculaire au plan d'incidence si la tangente de l'angle d'incidence est égale à l'indice de réfraction "
Je dis alors à ces mêmes élèves: "Regardez la baie d'où la lumière du soleil se reflète. Si je regarde cette réflexion à travers ce polaroid et que je la tourne, que se passera-t-il? " Tout ce que je reçois sont des regards vides. Personne ne sait. Mais je reçois des cris de surprise et de joie quand ils l'essaient et voient les reflets de plus en plus lumineux.
Cela montre que quelque chose a complètement tort. Il n'y a aucune connaissance de la nature. Avec une mauvaise idée d'entrée, la mémorisation est inutile. Ces étudiants sont comme des livres, pas plus. Je peux regarder dans l'index d'un livre sous "La loi de Brewster" et trouver une référence équivalente à la réponse des étudiants. Mais dans l'index je ne peux pas trouver "le soleil se reflétant sur la baie."
Qu'est-ce que les élèves savent qui n'est pas facilement et directement disponible dans un livre? Les choses qui peuvent être recherchées dans un livre ne sont qu'une partie de la connaissance. Qui veut qu'un tel étudiant travaille dans une usine quand un livre ne nécessitant pas de nourriture ou d'entretien se tient jour après jour toujours prêt à donner des réponses tout aussi adéquates? Qui veut être un tel étudiant, avoir travaillé si dur, avoir manqué tant d'intérêt et de plaisir, et être surpassé par une liste imprimée inanimée de "lois"?
L'expérience que j'ai me fait penser que c'est l'un des principaux échecs dans l'éducation des étudiants en Amérique latine.
Un deuxième problème en Amérique latine est que les étudiants sont tous seuls. Ils ne peuvent pas converser avec d'autres étudiants; ils ne peuvent pas voir à quel point certains camarades sont stupides. C'est principalement pour une raison psychologique. Ils ne veulent pas être trouvés incertains, car ils seront ridiculisés. Ils ne peuvent pas poser de questions en classe parce que les autres diront plus tard: "Pourquoi perdez-vous le temps de nous tous? Tout le monde sait ça." Ainsi, pour sauver la face, ils font tous preuve de savoir, frustrant ainsi la libre discussion et l'échange d'idées - l'une des manières les plus agréables et les plus faciles d'apprendre. Il y a trop de spectacle et trop de formalité dans la salle de classe pour tout exercice de libre pensée et de discussion.
Un troisième problème est le manque de liberté dans la structure universitaire. Vous ne pouvez pas vous déplacer d'un sujet à un autre ou d'un laboratoire à un autre. Ceux qui vont à l'étranger ont du mal à communiquer leurs nouvelles connaissances facilement et directement aux étudiants universitaires à leur retour - car ils ne peuvent pas trouver une place dans la structure universitaire et ne sont pas accueillis dans celle-ci. Pour une raison ou une autre, il devient nécessaire pour de telles personnes de créer de nouveaux instituts de recherche distincts. L'esprit d'excitation de ces institutions au fur et à mesure que leur recherche progresse ne se retrouve pas dans les universités, ce qui est assez regrettable.
Un autre problème en Amérique latine est qu'il y a très peu de débouchés pour les étudiants qui ne veulent pas devenir des scientifiques complets. Il n'est pas facile pour eux d'obtenir des emplois dans les industries en développement ici. Peut-être que si ces étudiants étaient vraiment bien formés, les entreprises se rendraient progressivement compte de leur valeur et ce problème disparaîtrait. Mais certains des étudiants enthousiastes ne sont pas des génies, et il doit y avoir une place pour eux - même s'ils ne vont pas apporter de contribution scientifique, ou devenir des seconds Einstein.
Quand j'ai commencé à étudier au MIT j'ai commencé en mathématiques, et probablement je pensais que je serais un mathématicien. Puis j'ai découvert que le seul usage des mathématiques supérieures est d'enseigner plus de mathématiques supérieures et je me suis tourné vers quelque chose de plus pratique - l'ingénierie électrique. Finalement, j'ai réalisé que j'étais allé trop loin dans l'autre direction et j'ai choisi quelque chose entre - la physique.
Tout cela était très facile parce que, pour des matières aussi étroitement liées, les cours suivis par les étudiants dans chaque discipline étaient presque exactement les mêmes et étaient enseignés par les mêmes professeurs. Les ingénieurs ont étudié la physique enseignée par les physiciens, par exemple, et les physiciens ont appris une partie de leur électricité dans un cours enseigné par les professeurs d'électrotechnique. Il est facile pour les étudiants d'aller et venir entre les disciplines connexes. Si la physique est trop difficile pour eux ou si les mathématiques sont trop abstraites, ils peuvent se tourner vers l'ingénierie et s'attendre plus tard à trouver une position quelque part. De tels changements sont beaucoup plus difficiles dans les universités latino-américaines.
Une autre caractéristique de la situation en Amérique latine est le petit nombre de personnes impliquées: le résultat est une fluctuation rapide et une irrégularité dans le caractère des organisations et des institutions. La façon dont quelque chose se passe dépend beaucoup d'individus particuliers.
Enfin, il faut mentionner le problème des meilleurs étudiants qui partent pour aller dans d'autres pays. Cela s'explique par le manque d'opportunités en Amérique latine, le climat de rigidité qui règne dans les universités et les aléas de la fortune des institutions de recherche, leurs budgets étant inégalement soutenus d'année en année par le gouvernement et les sources de financement privées.
Je voudrais maintenant donner quelques-unes des questions pour lesquelles je pense que nous devons chercher des réponses ici.
Premièrement, comment pouvons-nous libérer les niveaux inférieurs de l'enseignement secondaire de la mémorisation des tâches qui existe actuellement? Il est bien connu que vous pouvez intéresser les enfants à la science d'une manière vraie, vivante et active lorsqu'ils sont jeunes. On dit parfois que vous ne pouvez pas les intéresser au moment où ils sont à l'université, mais ce n'est pas vrai - à condition qu'ils n'aient pas été détruits en pensant aux humains aux niveaux précédents.
Gibbon a dit: "Le pouvoir de l'instruction est peu efficace, sauf dans ces dispositions heureuses où il est presque superflu." Ce n'est pas tellement vrai. C'est vrai d'une bonne instruction, mais une mauvaise instruction peut être très efficace pour faire comprendre à quel point un sujet est ennuyeux. Il est possible de détruire l'excitation et l'intérêt que les élèves ont pu acquérir en découvrant un petit livre dans la bibliothèque, en achetant un jouet, un ensemble de chimie ou un petit moteur électrique - en jouant. En fait, l'une des sources de motivation les plus importantes dans la science est dans un jouet ou dans un livre spécial, et parmi ces quelques enseignants qui sont assez libres des liens d'un système éducatif pour être en mesure de garder les enfants excités et inspiré en leur fournissant des suggestions, des démonstrations et des jeux.
C'est une expérience bien connue dans l'éducation que, en dépit de tous les plans et programmes, en fin de compte presque tout dépend des enseignants - sur les enseignants individuels. Vous pouvez avoir de mauvais enseignants et, quoi que vous essayiez de faire avec eux, les élèves apprennent très peu. Ou vous pouvez avoir de bons professeurs et cela ne fait pas beaucoup de différence à condition de vous laissez l'enseignant libre. Je pense donc que nous devons trouver comment libérer ces quelques enseignants qui peuvent être source d'inspiration pour les enfants. Il est important que ces enseignants inspirants travaillent avec les enfants, suggérant des expériences et les essayant librement.
La deuxième question à laquelle nous devrons tenter de répondre est de savoir comment rapprocher les ingénieurs et les autres scientifiques appliqués de leur véritable domaine d'application. Il ne leur suffit pas de se rappeler exactement comment utiliser la formule, à condition que la situation soit exactement la même que celle de l'école d'ingénieurs lorsque le professeur dictait la conférence. Nous devons faire quelque chose pour rendre l'ingénieur appliqué plus flexible, de sorte qu'il soit efficace dans un large éventail d'applications.
Une façon peut être d'avoir de vrais scientifiques - et en particulier des physiciens expérimentaux de la recherche active - enseignant la physique à certains étudiants en ingénierie. La physique expérimentale génère des problèmes techniques. Pour réussir, vous devez travailler avec vos mains; vous devez rencontrer la réalité; la mémoire pure ne fera pas. Donc, les gens qui sont bons en physique expérimentale savent quels sont les problèmes d'ingénierie.
Le développement de la technologie industrielle est dans une large mesure simplement l'application plus large de techniques qui, dans la plupart des cas, ont été développées par des scientifiques qui essayaient de faire des expériences. C'est parce que, en essayant de faire une expérience dans la science, vous devez pousser une technique à l'extrême. Ce faisant, vous apprendrez comment les choses peuvent être faites. Les physiciens expérimentaux ont d'abord cherché à savoir comment faire un vide plus élevé ou une température plus basse que jamais auparavant, et maintenant le vide poussé et les basses températures sont des outils de la technologie industrielle.
Par conséquent, la science expérimentale est une source d'ingénierie et la science expérimentale devrait être enseignée aux ingénieurs à l'école pour les tenir au courant de la vaste gamme de techniques disponibles et les possibilités ouvertes de l'avenir. Peut-être qu'après avoir créé suffisamment de vrais ingénieurs ayant une réelle valeur pour l'industrie en Amérique latine, l'industrie verra qu'il n'y a aucun avantage à embaucher des ingénieurs d'outre-mer et voudra plus d'hommes formés localement et soutiendra les écoles avec des méthodes. d'enseignement qui produisent de tels ingénieurs. Ensuite, nous aurons le bal.
Je comprends que le nombre d'écoles d'ingénieurs en Amérique latine augmente rapidement. Par exemple, au Brésil, il y a deux fois plus d'écoles d'ingénieurs qu'il y a dix ans. Si tel est le cas, alors peut-être que le problème peut se résoudre. Si ces écoles ne sont pas toutes organisées selon le même système, s'il y a une variété dans les écoles, alors une école ou une autre peut développer un moyen de produire d'excellents élèves - si la préparation à l'école secondaire ne les a pas ruinés. Alors cette école va acquérir une réputation, les enfants vont essayer d'y aller, d'autres vont essayer de rivaliser et copier les meilleures méthodes, et ainsi de suite jusqu'à ce que le problème se résout.
Le troisième problème que nous avons ici est de savoir comment encourager les vrais chercheurs et les empêcher de quitter définitivement leur domicile. Nous devons leur fournir des livres, du matériel expérimental, de l'argent pour les visites à l'étranger et une coterie d'étudiants intéressés. Non, excusez-moi - la coterie se formera automatiquement si le chercheur est bon et peut arriver aux étudiants de quelque façon que ce soit.
Il est impératif d'encourager le véritable chercheur qui contribue à la science à s'établir dans son propre pays. Cela ne devrait pas être difficile parce qu'il y a de forts sentiments de patriotisme chez ces hommes; ils savent qu'ils ont beaucoup à donner à leur pays et veulent le donner. La difficulté est les problèmes terribles qu'ils ont à la maison. Par exemple, le centre de recherche en physique de Rio, qui est l'un des plus importants en Amérique latine, s'est isolé du reste du monde à cause d'une chose très simple: personne ne veut payer pour Examen physique ou Nuovo Cimento. Personne ne veut payer pour les journaux qui peuvent informer les gens de ce qui se passe ailleurs.
Ceci, avec le fait que les salaires sont absurdement bas, montre un manque d'intérêt de la part du gouvernement, du peuple et de l'industrie brésiliens dans le développement de la science dans ce pays. C'est une attitude qui ne respecte pas ou ne comprend pas la valeur de ces hommes. Ces scientifiques créateurs devraient avoir la dignité et le pouvoir de contrôler leur propre destinée et celle de la science et de l'éducation scientifique dans leurs pays. Ce sera dans des mains sûres et aimantes.
C'est à partir de la fontaine des chercheurs qui comprennent ce qu'est réellement la science que le véritable esprit d'enquête pleut sur leurs étudiants et les étudiants de leurs étudiants, et finalement, si les choses sont bien organisées, imprègne tout le système éducatif et accélère le développement du pays.
Le quatrième problème, alors, est de savoir comment faire revenir ces chercheurs dans les universités où ils appartiennent. Alors la "pluie" aura un passage beaucoup plus facile et direct aux étudiants, les nouveaux scientifiques du pays.
Je voudrais souligner, en abordant ma cinquième et dernière question sur le problème, l'importance de faire l'une de ces les choses dans une façon régulière, cohérente, continue et modeste. Il ne devrait pas être fait avec un grand spectacle, le gros argent, avec beaucoup de publicité, non pris en charge à l'avenir par une maintenance efficace. La maintenance fait défaut dans beaucoup de ces projets, car ces choses sont déjà arrivées. Des impulsions d'énergie ont été libérées, des pas en avant ont été faits, seulement pour reculer par manque de soutien continu. Il est nécessaire de garder tout ce qui fonctionne. Il est nécessaire de fournir un soutien continu, cohérent et perpétuel et de rendre les choses plus modestes afin que la continuité du soutien puisse être maintenue. Un groupe de recherche devient mondialement célèbre seulement après des années de recherche fructueuse. Une année sans soutien et les gens s'éloignent et il n'y a plus rien.
Je comprends qu'il s'agit d'un problème de grande difficulté et de gravité car il concerne de très près toutes les circonstances sociales et économiques du pays, et les difficultés sont souvent (mais pas toujours) simplement le reflet des problèmes beaucoup plus graves des différents pays. fortune du pays dans son ensemble. Pourtant, nous devrions en discuter davantage ici. Nous pourrions essayer de voir s'il existe des moyens de mettre au point un système de sorte que le système éducatif, ou du moins des éléments critiques comme les chercheurs ou surtout les bons enseignants, soit partiellement indépendant des variations de succès du gouvernement.
Peut-être ne devrait-il pas être entièrement soutenu par le gouvernement. Peut-être que de plus grands efforts pour obtenir des fonds privés pourraient fonctionner. Il est possible que le recours accru à des institutions plus permanentes telles que les écoles religieuses, et le contact avec elles, pourraient soutenir la continuité de ces efforts.
J'ai discuté des problèmes directement. et franchement que possible, comme je les vois. Je ne veux pas faire de critique, sauf dans le même esprit que toute discussion que nous aurons plus tard représentera une critique. Car nous ne trouverons sûrement pas tout à la situation actuelle de l'éducation physique en Amérique latine. Si oui, nous n'aurions pas eu une telle réunion. J'ai essayé d'éviter de faire trop de suggestions actives spécifiques sur la façon de procéder, car c'est notre travail pour le reste de la réunion.
German to French: StringTheory General field: Science Detailed field: Physics
Source text - German
Die Welt am Fädchen
Wird Einsteins Traum von der Weltformel je wahr? Mit der Stringtheorie wähnen sich die Physiker inzwischen auf der richtigen Spur.
Von Tobias Hürter
2. Januar 2014, 7:00 UhrEditiert am 12. Januar 2014, 8:44 Uhr
Er hätte ebenso gut segeln gehen können. Auf dieses niederschmetternde Resümee brachte der Biograf Albrecht Fölsing die letzten drei Lebensjahrzehnte Albert Einsteins. Dabei hatte Einstein nach der Relativitätstheorie noch viel vorgehabt – er wollte eine Antwort finden auf seine berühmte Frage "Hatte Gott eine Wahl, als er die Welt erschuf?". Einstein glaubte, die Antwort laute Nein. Deshalb suchte er die "Weltformel" – eine Theorie, die erklärt, dass die Welt exakt so sein müsse, wie sie sei, dass also nicht einmal Gott sie hätte anders erschaffen können. Doch Einstein suchte umsonst. Die Notizen zu einer "vereinheitlichten Feldtheorie" stapelten sich nach seinem Tod im Jahr 1955 auf seinem Schreibtisch in Princeton – Dokumente vergeblicher Mühen.
Nach Einstein hätte noch eine ganze Generation von Seglern folgen können. Seine Nachfolger setzten seine Suche mit ähnlicher Unverdrossenheit und ähnlich bescheidenem Erfolg fort. Es gab ein paar Ideen und viele Enttäuschungen. Seit ein paar Jahren jedoch wächst die Zuversicht der Physiker wieder. Viele von ihnen sind inzwischen überzeugt, die Blaupause der Weltformel bereits in Händen zu halten: Es ist ausgerechnet die viel geschmähte Stringtheorie. Lange war umstritten, ob sie mehr ist als elegante Mathematik. Doch allmählich schwinden die Zweifel. "Wenn die Stringtheorie nicht selbst schon die finale Theorie ist", erklärt der Nobelpreisträger David Gross von der University of California in Santa Barbara, "dann ist sie zumindest ein sehr wichtiger Schritt dorthin."
Die Stringtheorie ist nicht einfach eine Theorie, sie ist ein Politikum. Physiker hassen oder lieben sie, nur wenige beziehen Positionen dazwischen. Dabei waren ihre Anfänge ziemlich unscheinbar. Sie entstand um 1970 aus Versuchen von Physikern, die sogenannten "schwergewichtigen" Elementarteilchen – wie Neutronen oder Protonen – in ein Ordnungsschema zu bringen. Das funktionierte verblüffend gut, und so versuchten die Theoretiker, die Formeln auch auf andere Teilchen und Kräfte auszuweiten. Das funktionierte anfangs nicht so gut. Ein Jahrzehnt lang knobelten die Physiker, bis sie überhaupt eine widerspruchsfreie Formulierung gefunden hatten.
Die ganze Welt aus schwingenden Saiten
Die Grundidee der Stringtheorie ist so simpel, dass jeder sie verstehen kann: Alle Materie besteht aus winzigen, schwingenden "Saiten" (strings).Die Vielfalt ihrer Schwingungen erzeugt die Vielfalt der Teilchen und Kräfte – ähnlich wie die Schwingungen der Saiten einer Gitarre alle möglichen unterschiedlichen Melodien hervorbringen können. So soll zum Beispiel die Schwerkraft aus den Schwingungen geschlossener, also ringförmiger Strings entstehen. Klingt simpel. Aber es ist äußerst knifflig, daraus eine wirklich aussagekräftige physikalische Theorie zu schmieden. So zeigt sich, dass die Strings in vieldimensionalen Räumen schwingen müssen, die geometrisch verzerrt und gekrümmt sein können, oder auch "nicht-geometrisch". Wie man sich das vorstellt? Am besten gar nicht. Selbst Experten scheitern daran. Damit rechnen lässt sich aber umso besser.
Bis in die 1990er Jahre entwickelten die Stringtheoretiker immer verwegenere Formelwerke von großer mathematischer Eleganz. Allerdings verloren sie vor lauter Mathematik mehr und mehr die Wirklichkeit aus den Augen. Um die Jahrtausendwende wurde es den Kritikern zu bunt. Sie warfen den Stringtheoretikern vor, statt echter Naturwissenschaft nur noch mathematische Spiegelfechterei zu betreiben. Die Stringtheorie, so lautete die Kritik, entziehe sich der experimentellen Prüfung und erstarre zur Ideologie; sie sei ein Ungetüm von mathematisch kaum zu überblickender Komplexität und empirisch mickriger Vorhersagekraft. Ihre Vertreter würden sie mit politischer Macht durchsetzen statt mit wissenschaftlichen Argumenten – etwa indem sie nur gefügigen Schülern zu akademischen Stellen verhülfen.
Noch nicht einmal eine Theorie
Selbst den Protagonisten der Stringtheorie wurde zu dieser Zeit ihr Geisteskind unheimlich: "Die Schönheit wurde zum Biest", erklärte Leonard Susskind, einer der Mitbegründer der Stringtheorie. Im Jahr 2006 erreichte die Anti-String-Bewegung ihren Höhepunkt, als die Physiker Lee Smolin und Peter Woit ihre Protestbücher The Trouble With Physics und Not Even Wrong veröffentlichten. "Nicht einmal falsch" sei sie, warf Woit der Stringtheorie vor. Viele Physiker weigerten sich, sie überhaupt noch als echte Theorie anzuerkennen.
Inzwischen aber sind die Kritiker leiser und die Befürworter wieder selbstbewusster geworden. Denn allmählich findet die Stringtheorie den Kontakt zur Wirklichkeit. Sie ist inzwischen so weit entwickelt, dass sie überprüfbare Aussagen über physikalische Systeme macht. "Die Stringtheorie hat fruchtbare neue Ideen für die Teilchenphysik und die Kosmologie gebracht und unerwartete Verbindungen zur Schwerionenphysik und anderen exotischen Materiezuständen gefunden", sagt einer der weltweit führenden Stringtheoretiker, Joe Polchinski von der University of California in Santa Barbara. Und Dieter Lüst, Direktor am Max-Planck-Institut für Physik in München, lobt: "Heute kann die Stringtheorie Vorhersagen machen, die vor ein paar Jahren noch in weiter Ferne lagen."
So können die Theoretiker aus ihren Stringformeln zum Beispiel Eigenschaften sogenannter Quantenflüssigkeiten ableiten, etwa von Supraleitern und extrem heißer Materie, wie sie in Teilchenbeschleunigern entsteht. Mithilfe der "Saitentheorie" lässt sich berechnen, wie zäh solche Flüssigkeiten sind (Ergebnis: eher dünnflüssig).
Die Welt am Fädchen
In den Fußstapfen von Einstein
Ein besonders interessantes Forschungsfeld ist derzeit die Physik der schwarzen Löcher. Seit Jahrzehnten tobt die Debatte darüber, ob die kosmischen Sonderlinge tatsächlich Information unwiederbringlich verschlucken – so wie es etwa Stephen Hawking behauptete. Andere hielten dagegen, Information dürfe nicht einfach verschwinden – Grundregel der Physik. Mehrmals in den vergangenen Jahren ging es hin und her: Information verschwindet, sie verschwindet nicht. Nun glauben die Stringtheoretiker, klarstellen zu können: Die Information bleibt erhalten. Die physikalische Welt wäre wieder in Ordnung.
Einsteins Nachfolger hat erst Geschichte studiert
Am ehesten prädestiniert, Einsteins letztes Projekt zu vollenden, scheint derzeit der Amerikaner Edward Witten. Zumindest gilt er unter Physikern als aussichtsreicher Kandidat. Viele von ihnen schätzen Wittens mathematische Fähigkeiten noch höher ein als jene Einsteins. Bei einer informellen Umfrage unter theoretischen Physikern, wer der scharfsinnigste unter ihnen sei, fiel am häufigsten der Name Edward Witten, und meistens wird er mit Ehrfurcht ausgesprochen.
Witten ist 62 Jahre alt und von großem Wuchs, hat eine hohe Stirn und eine überraschend hohe Stimme, und sein Weg führte ihn nicht geradlinig auf Einsteins Spuren. Zuerst studierte er Geschichte, liebäugelte mit dem Journalismus und arbeitete für den demokratischen Präsidentschaftskandidaten George McGovern, der 1972 Richard Nixonunterlag. Dann verlor Witten die Lust an der Politik und wandte sich der Physik zu – genauer: der Stringtheorie. "Es war klar, dass ich schlichtweg meine Berufung verfehlen würde, wenn ich mein Leben nicht damit verbringen würde, mich auf die Stringtheorie zu konzentrieren", sagte er in einem Interview. Heute ist er am Institute for Advanced Study in Princeton angestellt, an dem auch Einstein wirkte – nur eine knappe Autostunde entfernt von den Segelquartieren der amerikanischen Ostküste.
Aber Witten hat keinen Kopf für Wassersport. "Ich bin einigermaßen optimistisch, dass unsere Physiker-Generation eine vereinheitlichte Theorie der Naturkräfte finden wird", sagt er. Kein anderer Physiker hat die Entwicklung der Stringtheorie in den letzten Jahrzehnten so vehement vorangetrieben wie Witten. Vor allem ihm ist es zu verdanken, dass die Theorie dabei ist, sich von einem vagen Konzept zu einem aussagekräftigen, wenn auch noch ziemlich komplexen Gedankengebäude zu entwickeln.
Witten und seine Anhänger betrachten sich als die legitimen Nachfolger des späten Einstein. "Die Stringtheorie steht im Geiste von Einsteins Programm einer vereinheitlichten Feldtheorie", sagt Dieter Lüst. In gewisser Weise hatte Einstein sogar selbst ein wenig die Finger mit drin bei der Stringtheorie. Er ahnte nämlich schon damals, dass der Schlüssel zur Weltformel in der Annahme zusätzlicher raumzeitlicher Dimensionen liegen könnte. Und tatsächlich sind solche "Extradimensionen" heute ein wichtiger Bestandteil der Stringtheorie.
Die meisten Physiker glauben, dass man zu Einsteins Zeiten einfach zu wenig wusste, um die gesuchte vereinheitlichte Theorie finden zu können. So waren etwa die Kräfte in den Atomkernen noch weitgehend unbekannt, ebenso wenig wusste man über Quarks und andere Elementarteilchen. "Obwohl er eine wichtige Idee hatte, kam er nicht sonderlich weit", sagt Edward Witten über Einstein. Doch seine vergebliche Mühe sei kein Scheitern gewesen: "Seine Idee der Extradimensionen wird noch 80 Jahre später von den Physikern als wichtig betrachtet. Sie ist Teil seines Vermächtnisses."
Wir leben in einem neundimensionalen Raum – nur merken wir das nicht
Allerdings wirft die Vorstellung zusätzlicher Raumdimensionen – so hilfreich sie für die mathematische Theorie auch sein mag – eine entscheidende Frage auf: Warum kriegen wir nie etwas davon mit? Denn offensichtlich leben wir ja in einer dreidimensionalen Welt, nicht in dem postulierten neundimensionalen Raum. Die Antwort der Theoretiker: Wir bekommen deshalb nichts davon mit, weil die zusätzlichen Dimensionen "kompaktifiziert" sind, wie es im Physiker-Slang heißt. Das bedeutet, sie sind in mikroskopische Kugeln aufgewickelt. Neueste Theorien gehen sogar von einer "nicht geometrischen" Kompaktifizierung aus; diese würde statt eines glatten Raums einen körnigen ergeben. Wenn das stimmte, würden wir gewissermaßen in einer verpixelten Welt leben, mit mikroskopisch kleinen Pixeln. Einige sehr mutige Physiker glauben sogar, diese Verpixelung bereits jetzt in kleinen Unregelmäßigkeiten der kosmischen Hintergrundstrahlung erkennen zu können, die die europäische Raumsonde Planck im vergangenen Jahr gemessen hat.
Aber nicht alle teilen die neue Euphorie. "Mein Eindruck ist, dass die Aussichten schwer übertrieben werden", sagt der altgediente String-Kritiker Peter Woit, der Mathematik an der Columbia University lehrt. Er bezweifelt noch immer, dass die Stringtheorie auf Tuchfühlung zur Realität gegangen ist, wie deren Verfechter behaupten. Derzeit ginge es allenfalls um die Frage, ob bereits existierende theoretische Modelle mit stringtheoretischen Methoden nachgebildet werden können. "Wenn all das funktioniert, ist es ein gutes Argument dafür, dass das Nachdenken über Stringtheorie zu interessanter mathematischer Physik führen kann", sagt Woit, "es jedoch als ›Beleg für die Stringtheorie‹ zu bezeichnen ist ein Missbrauch der Sprache."
Was also noch immer fehlt, ist der schlagende Beleg für die Stringtheorie, sozusagen ihr großer Auftritt. Der Nachweis des Higgs-Teilchens mit dem Large Hadron Collider (LHC) bei Genf war zwar ein Triumph der mathematischen Physik. Rein aus abstrakten Erwägungen hatten die Physiker seine Existenz und seine Masse treffend vorhergesagt. Aber die Stringtheorie war dabei höchstens am Rande beteiligt. Nun hoffen ihre Vertreter, dass die weiteren Messungen am LHC auch ihre theoretischen Überlegungen bestätigen.
Bisher ist die Ausbeute der Genfer Teilchenschützen in dieser Hinsicht aber eher enttäuschend. So sagt die Stringtheorie beispielsweise eine ganze Reihe neuer Elementarpartikel voraus, die entstehen sollten, wenn die Strings in höheren Dimensionen schwingen. Aber bisher sind diese Teilchen pure Hypothese. Außer auf dem Papier gab es bislang keinerlei Hinweis auf sie.
Schön genug, um wahr zu sein
Obenan auf der Fahndungsliste der Stringtheoretiker stehen die sogenannten supersymmetrischen Teilchen. Diese hypothetischen Gegenstücke zu den bekannten Elementarteilchen sollten, so meinen viele, schon aus rein ästhetisch-symmetrischen Gründen existieren. "Es wäre schade, wenn die Natur nicht die Chance ergreifen würde, die Supersymmetrie zu realisieren", sagt etwa Dieter Lüst.
Zu schön, um nicht wahr zu sein? Tatsächlich haben solche ästhetischen Argumente eine lange Tradition in der Physik. Auch Einstein und viele seiner Nachfolger haben darauf immer wieder ihre Theorien aufgebaut. Aber vergangener Erfolg ist kein Garant für künftigen. Bislang jedenfalls wurde die Supersymmetrie noch nicht gesichtet. Wäre es auch möglich, dass die Teilchenphysik einfach aufhört – dass nach der Entdeckung des Higgs-Teilchens nun nichts mehr kommt?
Die Welt am Fädchen
Was bremste den Urknall?
Für viele Physiker ist diese Vorstellung undenkbar, denn noch ist die Disziplin die Antworten auf wichtige Fragen schuldig geblieben. Zu klären ist beispielsweise: Wie funktioniert die Schwerkraft? Woraus bestehen die sogenannte Dunkle Materie und die noch geheimnisvollere "Dunkle Energie", die durch unseren Kosmos geistern, und warum haben Neutrinos eine Masse?
Das Higgs-Teilchen verleiht anderen Teilchen ihre Masse – so war es nach seiner Entdeckung in vielen populären Darstellungen zu lesen. Allerdings kann das nur die halbe Wahrheit sein. Denn dadurch kommt viel weniger Masse zustande, als die Theoretiker vorhersagen. Deshalb sind Witten, Lüst und andere Physiker überzeugt, dass neben dem Higgs-Teilchen noch ein anderer, raffinierterer Mechanismus am Werk sein muss, der die Teilchenmassen klein hält. "Das ist eine der Fragen, an deren Klärung wir besonders interessiert sind", sagt Witten, "und wir hoffen, dass der LHC sie in den nächsten fünf Jahren seines Betriebs beantwortet."
Kopfzerbrechen bereitet den Physikern auch der erste Wachstumsschub des Universums gleich nach dem Urknall, genannt Inflation. Damals blähte sich das Universum enorm schnell auf, in einem winzigen Sekundenbruchteil verquadrilliardenfachte sich seine Größe (eine Quadrilliarde ist eine Eins mit 27 Nullen). Doch nach den jetzt vorherrschenden Theorien ist das erstaunlich langsam. Was hat damals die Expansion gebremst? Irgendwelche noch nicht gefundenen Teilchen, vermuten die Theoretiker, und sie hoffen, dass der LHC sie ausspuckt.
Was, wenn das Higgs-Teilchen die letzte große Entdeckung der Physiker war?
Theoretisch muss es also noch weitergehen. Wie genau, lässt sich allerdings vom Schreibtisch aus nicht sagen. "Jetzt sind die Experimentatoren am Zug", sagt Dieter Lüst, "wir brauchen weitere experimentelle Daten, um die Stringtheorie weiterzuentwickeln." Doch damit wird er sich gedulden müssen. Denn vorerst ruht der Riesenbeschleuniger LHC. Bis 2015 wird er für höhere Energien aufgerüstet.
Werden Beschleunigerexperimente wie in Genf in Zukunft dann die letzten Wissenslücken der Physiker schließen? "Das ist unsere große Unbekannte", sagt Edward Witten. Auch er räumt ein, dass das Higgs-Teilchen das letzte sein könnte, das mit menschenmöglichen Mitteln zu finden war, dass also die nächste Stufe der Teilchenphysik – Supersymmetrie und Co. – erst bei Energien beginnt, die mit irdischer Technik unerreichbar sind. "Kann sein", sagt Witten, "aber meine Generation von Physikern hat die letzten Jahre damit verbracht, das als unplausibel anzusehen."
Es ist möglich, dass auch die Stringtheorie eines Tages in der Highschool gelehrt wir – oder zumindest im College.
Edward Witten, Theoretischer Physiker
Und was, wenn er und seine Kollegen falsch liegen und sich die prognostizierten neuen Teilchen einfach nicht zeigen wollen in den Beschleuniger-Experimenten? "Es ist immer möglich, dass wir scheitern", sagt Witten gelassen, "aber auch dann sind wir schlauer als zuvor. Die Suche nach der vereinheitlichten Theorie lohnt sich, selbst wenn wir sie nicht finden."
Sollten sich allerdings in den Detektoren eines Tages doch jene Befunde zeigen, die die Stringtheorie stützen, wäre das ein Triumph der Theorie, der den Fund des Higgs-Teilchens noch in den Schatten stellt. Einsteins Traum wäre wiederbelebt. "Eine vereinheitlichte Theorie wäre nicht nur ein großer Schritt für die Physik", sagt Witten, "sondern ihr natürliches Ende." Zwar würden Menschen noch weiter staunen und fragen, aber das Programm, das die Physik seit Einsteins Zeiten verfolgt, wäre abgeschlossen.
Und Edward Witten kann sich sogar vorstellen, dass die hoch abstrakte Stringtheorie eines Tages zum allgemeinen Bildungsgut zählt. "Zu Einsteins Zeiten fanden die Leute die Spezielle Relativitätstheorie unglaublich kompliziert und abstrakt", sagt der Theoretiker aus Princeton. Heute stehe sie auf dem Lehrplan der Gymnasien. "Es ist möglich, dass auch die Stringtheorie eines Tages in der Highschool gelehrt wird", spekuliert Witten – hält kurz inne und fügt dann hinzu, "oder zumindest im College."
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Translation - French Le monde sur le fil
Le rêve de la formule du monde d'Einstein est-il jamais devenu réalité? Les physiciens des cordes pensent maintenant que les physiciens sont sur la bonne voie.
Par Tobias Hürter
Le 2 janvier 2014, à 7h00, le 12 janvier 2014 à 8h44
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Il aurait aussi bien pu naviguer. Le biographe Albrecht Fölsing a amené les trois dernières décennies d'Albert Einstein à cette conclusion dévastatrice. Einstein avait beaucoup réfléchi à la théorie de la relativité - il voulait trouver une réponse à sa fameuse question "Dieu avait le choix quand il créa le monde?". Einstein croyait que la réponse était forte non. Par conséquent, il a cherché la «formule du monde» - une théorie qui stipule que le monde doit être exactement ce qu'il est, de sorte que même Dieu n'ait pu le créer différemment. Mais Einstein ne cherchait rien. Les notes sur une «théorie unifiée des champs» s'empilent sur son bureau à Princeton après sa mort en 1955 - documents d'efforts futiles.
Après Einstein, toute une génération de marins aurait pu suivre. Ses successeurs ont continué sa recherche avec la même cruauté et un succès modeste. Il y avait quelques idées et beaucoup de déceptions. Cependant, depuis quelques années, la confiance des physiciens se renforce. Beaucoup d'entre eux sont maintenant convaincus de garder entre leurs mains le modèle de la formule du monde: c'est de toute la théorie des cordes tant décriée. Lange était controversée si elle est plus qu'élégante Mathématiques. Mais peu à peu les doutes disparaissent. "Si la théorie des cordes n'est pas elle-même la théorie finale", déclare David Gross, lauréat du prix Nobel de l'Université de Californie à Santa Barbara, "alors c'est au moins un pas très important dans cette direction".
La théorie des cordes n'est pas seulement une théorie, c'est une question politique. Les physiciens les détestent ou les aiment, peu prennent position entre les deux. Leurs débuts étaient assez discrets. Il est né vers 1970 des tentatives des physiciens pour amener les particules élémentaires dites «lourdes» - telles que les neutrons ou les protons - dans un système d'ordonnancement. Cela a fonctionné étonnamment bien, alors les théoriciens ont essayé d'étendre les formules à d'autres particules et forces. Cela n'a pas très bien fonctionné au début. Pendant une décennie, les physiciens ont brouillé jusqu'à ce qu'ils trouvent une formulation cohérente.
Le monde entier des cordes oscillantes
L'idée de base de la théorie des cordes est si simple que tout le monde peut la comprendre: toute la matière consiste en de minuscules «cordes» vibrantes (cordes). La variété de leurs vibrations crée la variété des particules et des forces - tout comme les vibrations des cordes. peut produire des mélodies différentes. Par exemple, la gravité doit être créée à partir des vibrations des cordes fermées, c'est-à-dire en forme d'anneau. Cela semble simple. Mais il est extrêmement difficile de forger une théorie physique vraiment significative. Cela montre que les cordes doivent vibrer dans des espaces multidimensionnels, géométriquement déformée et incurvée, ou "non-géométrique". Comment l'imaginer? Pas du tout. Même les experts échouent. Mais vous pouvez compter sur cela d'autant mieux.
Jusque dans les années 1990, les théoriciens des cordes ont développé des œuvres de formule plus audacieuses d'une grande élégance mathématique. Cependant, ils ont perdu de vue la réalité de plus en plus à cause des mathématiques. Au tournant du millénaire, c'était trop coloré pour les critiques. Ils ont accusé les théoriciens des cordes, au lieu de véritables sciences naturelles, que des clôtures de miroirs mathématiques pour fonctionner. La théorie des cordes, disent les critiques, échappe aux tests expérimentaux et se fige à l'idéologie; elle était un monstre de complexité mathématique et de puissance prédictive empiriquement chétive. Leurs représentants prévaudraient avec le pouvoir politique au lieu de arguments scientifiques - par exemple, en aidant seulement les étudiants dociles à devenir des universitaires.
Pas même une théorie
Même les protagonistes de la théorie des cordes à cette époque, leur enfant mental était effrayant: "La beauté était une bête", a déclaré Leonard Susskind, l'un des co-fondateurs de la théorie des cordes. En 2006, le mouvement anti-cordes a atteint son apogée lorsque les physiciens Lee Smolin et Peter Woit ont publié leurs livres de protestation The Trouble With Physics et Not Even Wrong. "Pas même mal," dit-elle à la théorie des cordes. Beaucoup de physiciens ont refusé de les reconnaître comme une vraie théorie.
En attendant, cependant, les critiques sont devenues plus calmes et les défenseurs sont devenus plus confiants encore. Parce que progressivement la théorie des cordes trouve le contact avec la réalité. Il est maintenant bien développé pour faire des déclarations vérifiables sur les systèmes physiques. «La théorie des cordes a produit de nouvelles idées fructueuses pour la physique des particules et la cosmologie et a découvert des liens inattendus avec la physique des ions lourds et d'autres états exotiques», explique Joe Polchinski, de l'Université de Californie à Santa Barbara. Et Dieter Lüst, directeur de l'Institut Max Planck pour la physique à Munich, loue: "La théorie des cordes d'aujourd'hui peut faire des prédictions qui étaient loin il y a quelques années."
Par exemple, les théoriciens peuvent utiliser leurs formules de cordes Dériver les propriétés des liquides dits quantiques, tels que les supraconducteurs et les matières extrêmement chaudes, telles qu'elles apparaissent dans les accélérateurs de particules. En utilisant la "théorie des cordes", il est possible de calculer la dureté de ces liquides (résultat: plutôt fluide).
Le monde sur le fil
Sur les traces d'Einstein
Un domaine de recherche particulièrement intéressant est actuellement la physique des trous noirs. Pendant des décennies, le débat a fait rage pour savoir si les nerds cosmiques avaler des informations de façon irrévocable - comme l'a affirmé Stephen Hawking. D'autres soutiennent que l'information ne devrait pas simplement disparaître - la règle de base de la physique. Plusieurs fois au cours des dernières années, les choses allaient et venaient: l'information disparaît, elle ne disparaît pas. Maintenant, les théoriciens des cordes croient qu'ils peuvent clarifier: L'information est conservée. Le monde physique serait de retour Ordre.
Le successeur d'Einstein a d'abord étudié l'histoire
Le plus prédestiné à compléter le dernier projet d'Einstein est actuellement l'américain Edward Witten. Au moins, il est parmi les physiciens comme un candidat prometteur. Beaucoup d'entre eux évaluent la capacité mathématique de Witten encore plus haut que celle d'Einstein. Dans un sondage informel de physiciens théoriciens, qui était le plus astucieux d'entre eux, le nom d'Edward Witten est tombé la plupart du temps, et la plupart du temps, il est impressionnant.
Witten a 62 ans et est grand, a un front haut et une voix étonnamment haute, et son chemin ne l'a pas conduit directement aux traces d'Einstein. Il a d'abord étudié l'histoire, flirtant avec le journalisme, et a travaillé pour le candidat présidentiel démocrate George McGovern, qui en 1972 soumis à Richard Nixon. Alors Witten a perdu le désir de la politique et s'est tourné vers la physique - plus précisément: la théorie des cordes. "Il était clair que je manquerais simplement mon appel si je ne passais pas ma vie à me concentrer sur la théorie des cordes", a-t-il déclaré dans une interview. Aujourd'hui, il est à l'Institute for Advanced Study à Princeton Einstein a travaillé - à seulement une heure de route des quartiers de voile de la côte est américaine.
Mais Witten n'a pas de tête pour les sports nautiques. "Je suis raisonnablement optimiste que notre génération de physiciens trouvera une théorie unifiée des forces naturelles", dit-il. Aucun autre physicien n'a poussé le développement de la théorie des cordes aussi vigoureusement au cours des dernières décennies que Witten. Surtout, c'est grâce à lui que la théorie est sur le point de passer d'un concept vague à une réflexion constructive, quoique assez complexe.
Witten et ses disciples se considèrent comme les successeurs légitimes de feu Einstein. "La théorie des cordes est dans l'esprit du programme d'Einstein d'une théorie des champs unifiée", explique Dieter Lüst. D'une certaine manière, Einstein a même eu ses doigts dans la théorie des cordes pendant un moment. Il savait déjà que la clé de la formule mondiale pourrait résider dans l'hypothèse de dimensions spatio-temporelles supplémentaires. Et en effet, ces «dimensions supplémentaires» sont aujourd'hui une partie importante de la théorie des cordes.
La plupart des physiciens pensent qu'à l'époque d'Einstein, ils en savaient trop peu pour pouvoir trouver la théorie unifiée recherchée. Tels étaient les Forces dans les noyaux atomiques encore largement inconnues, tout comme on savait peu de choses sur les quarks et autres particules élémentaires. "Bien qu'il ait eu une idée importante, il n'est pas allé très loin", dit Edward Witten à propos d'Einstein. Mais son effort futile ne fut pas un échec: "Même plus de 80 ans plus tard, son idée de dimensions supplémentaires est considérée comme importante par les physiciens et fait partie de son héritage."
Nous vivons dans un espace en neuf dimensions - seulement nous ne remarquons pas que
Cependant, la notion de dimensions supplémentaires de l'espace, utile pour la théorie mathématique, soulève une question cruciale: pourquoi n'en obtenons-nous jamais rien? Parce que nous vivons évidemment dans un monde tridimensionnel, pas dans l'espace néo-dimensionnel postulé. La réponse des théoriciens: Nous n'obtenons donc rien parce que les dimensions additionnelles sont «compactées», comme on l'appelle dans l'argot du physicien. Cela signifie qu'ils sont en enveloppé dans des sphères microscopiques. Les théories récentes supposent même une compactification «non géométrique»; cela donnerait un grain au lieu d'un espace lisse. Si cela était vrai, nous vivrions, pour ainsi dire, dans un monde pixélisé, avec des pixels microscopiques. Certains physiciens très courageux croient même que cette pixellisation peut déjà être détectée dans de petites irrégularités dans le rayonnement de fond cosmique mesuré par l'astronef européen Planck l'année dernière.
Mais tout le monde ne partage pas la nouvelle euphorie. "Mon impression est que les perspectives sont grandement exagérées", affirme le critique vétéran Peter Woit, le mathématicien. à l'Université de Columbia enseigne. Il doute encore que la théorie des cordes soit devenue réalité, comme le prétendent ses partisans. À l'heure actuelle, la question est de savoir si les modèles théoriques existants peuvent être modélisés en utilisant des méthodes de théorie des cordes. "Si tout cela fonctionne, c'est un bon argument que penser à la théorie des cordes peut conduire à une physique mathématique intéressante", dit Woit, "mais l'appeler" preuve de la théorie des cordes "est une mauvaise utilisation du langage. »
Donc ce qui manque encore, c'est l'évidence frappante pour la théorie des cordes, pour ainsi dire, sa grande entrée. La détection de la particule de Higgs avec le grand collisionneur de hadrons (LHC) près de Genève fut en effet un triomphe de la physique mathématique. Purement hors de considérations abstraites, les physiciens ont prédit avec justesse son existence et sa masse. Mais la théorie des cordes n'a été impliquée que marginalement. Maintenant, leurs représentants espèrent que les mesures supplémentaires au LHC confirment également leurs considérations théoriques.
Jusqu'à présent, le rendement des tireurs de particules Genfer à cet égard, mais plutôt décevant. Par exemple, la théorie des cordes prédit toute une série de nouvelles particules élémentaires, ce qui devrait se produire lorsque les cordes se balancent dans des dimensions supérieures. Mais jusqu'à présent, ces particules sont des hypothèses pures. Jusqu'à présent, il n'y avait aucune référence à elle sauf sur papier.
Assez sympa pour être vrai
En haut de la liste de recherche des théoriciens des chaînes se trouvent les particules dites supersymétriques. Ces contreparties hypothétiques aux particules élémentaires bien connues devraient, selon beaucoup, exister déjà pour des raisons purement esthétiques et symétriques. «Il serait dommage que la nature ne saisisse pas l'occasion de réaliser la supersymétrie», explique Dieter Lüst.
Trop beau pour être vrai? En fait, de tels arguments esthétiques ont une longue tradition en physique. Einstein et beaucoup de ses successeurs ont à plusieurs reprises construit leurs théories. Mais le succès passé n'est pas une garantie pour les futurs. Jusqu'à présent, de toute façon la supersymétrie n'a pas encore été repérée. Serait-il aussi possible que la physique des particules s'arrête simplement - qu'après la découverte de la particule de Higgs, rien ne se produira?
Le monde sur le fil
Qu'est-ce qui a ralenti le big bang?
Pour de nombreux physiciens, cette idée est impensable, car la discipline n'a toujours pas répondu aux questions importantes. Clarifier est par exemple: Comment fonctionne la gravité? Qu'est-ce que la soi-disant matière noire et l'énergie noire encore plus mystérieuse qui hante notre cosmos, et pourquoi les neutrinos ont-ils une masse?
La particule de Higgs donne sa masse à d'autres particules - il était donc après sa découverte dans de nombreuses représentations populaires à lire. Cependant, cela ne peut être que la moitié de l'histoire. Parce que c'est beaucoup moins de masse que ne le prédisent les théoriciens.
Par conséquent, Witten, Lüst et d'autres physiciens sont convaincus qu'en plus de la particule de Higgs, un autre mécanisme plus sophistiqué doit être à l'œuvre, ce qui maintient les masses de particules petites. "C'est l'une des questions que nous sommes particulièrement intéressés à clarifier", dit Witten, "et nous espérons que le LHC leur répondra au cours des cinq prochaines années d'opération."
Les physiciens s'inquiètent également de la première poussée de croissance de l'univers juste après le Big Bang, appelé inflation. A cette époque, l'univers se gonflait énormément vite, en une infime fraction de seconde grossissant sa magnitude (un quadrillion est un avec 27 zéros). Mais après le maintenant Les théories dominantes sont étonnamment lentes. Qu'est-ce qui a ralenti l'expansion à ce moment-là? Les théoriciens soupçonnent que des particules non encore découvertes, et ils espèrent que le LHC les recrache.
Et si la particule de Higgs était la dernière grande découverte du physicien?
Théoriquement, cela doit continuer. Comment exactement, mais je ne peux pas dire à partir du bureau. "Maintenant, c'est le tour des expérimentateurs", explique Dieter Lüst, "nous avons besoin de plus de données expérimentales pour développer davantage la théorie des cordes." Mais il devra être patient avec ça. Pour l'instant, l'accélérateur géant LHC se repose. Il sera mis à niveau vers des énergies plus élevées d'ici 2015.
Les expériences d'accélérateur comme Genève dans l'avenir combleront-elles les dernières lacunes dans la connaissance des physiciens? "C'est notre grand inconnu", dit Edward Witten. Il admet également que la particule de Higgs sera la dernière pourrait être trouvé par des moyens humains, de sorte que la prochaine étape de la physique des particules - supersymétrie et Co. - ne commence qu'à des énergies inaccessibles à la technologie terrestre. "Peut-être," dit Witten, "mais ma génération de physiciens a passé ces dernières années à considérer cela comme invraisemblable."
Il est possible que même la théorie des cordes un jour nous enseignions à l'école secondaire - ou au moins à l'université.
Edward Witten, physicien théoricien
Et si lui et ses collègues ont tort et ne veulent tout simplement pas montrer les nouvelles particules prévues dans les expériences sur les accélérateurs? "Il est toujours possible pour nous d'échouer", dit Witten avec désinvolture, "mais même alors nous sommes plus intelligents qu'avant, et la recherche de la théorie unifiée en vaut la peine, même si nous ne pouvons pas la trouver."
Cependant, si les détecteurs montraient un jour ces découvertes qui soutiennent la théorie des cordes, ce serait un triomphe de la théorie qui maintient la découverte de la particule de Higgs à l'ombre. Le rêve d'Einstein serait ravivé. "Une théorie unifiée ne serait pas seulement un grand pas pour la physique", dit Witten, "mais sa fin naturelle". Bien que les gens continueraient à s'interroger et à poser des questions, le programme qui poursuivait la physique depuis l'époque d'Einstein serait complet.
Et Edward Witten peut même imaginer qu'un jour la théorie des cordes, très abstraite, compte comme une ressource éducative générale. "A l'époque d'Einstein, les gens ont trouvé la théorie de la relativité spéciale incroyablement compliquée et abstraite", explique le théoricien de Princeton. Aujourd'hui, elle est sur le programme des écoles secondaires. "Il est possible que la théorie des cordes sera aussi un jour au lycée », spécule Witten - s'interrompt un instant puis ajoute «ou au moins à l'université ».
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German to English: StringTheory2 General field: Science Detailed field: Physics
Source text - German Die Welt am Fädchen
Wird Einsteins Traum von der Weltformel je wahr? Mit der Stringtheorie wähnen sich die Physiker inzwischen auf der richtigen Spur.
Von Tobias Hürter
2. Januar 2014, 7:00 UhrEditiert am 12. Januar 2014, 8:44 Uhr
Er hätte ebenso gut segeln gehen können. Auf dieses niederschmetternde Resümee brachte der Biograf Albrecht Fölsing die letzten drei Lebensjahrzehnte Albert Einsteins. Dabei hatte Einstein nach der Relativitätstheorie noch viel vorgehabt – er wollte eine Antwort finden auf seine berühmte Frage "Hatte Gott eine Wahl, als er die Welt erschuf?". Einstein glaubte, die Antwort laute Nein. Deshalb suchte er die "Weltformel" – eine Theorie, die erklärt, dass die Welt exakt so sein müsse, wie sie sei, dass also nicht einmal Gott sie hätte anders erschaffen können. Doch Einstein suchte umsonst. Die Notizen zu einer "vereinheitlichten Feldtheorie" stapelten sich nach seinem Tod im Jahr 1955 auf seinem Schreibtisch in Princeton – Dokumente vergeblicher Mühen.
Nach Einstein hätte noch eine ganze Generation von Seglern folgen können. Seine Nachfolger setzten seine Suche mit ähnlicher Unverdrossenheit und ähnlich bescheidenem Erfolg fort. Es gab ein paar Ideen und viele Enttäuschungen. Seit ein paar Jahren jedoch wächst die Zuversicht der Physiker wieder. Viele von ihnen sind inzwischen überzeugt, die Blaupause der Weltformel bereits in Händen zu halten: Es ist ausgerechnet die viel geschmähte Stringtheorie. Lange war umstritten, ob sie mehr ist als elegante Mathematik. Doch allmählich schwinden die Zweifel. "Wenn die Stringtheorie nicht selbst schon die finale Theorie ist", erklärt der Nobelpreisträger David Gross von der University of California in Santa Barbara, "dann ist sie zumindest ein sehr wichtiger Schritt dorthin."
Die Stringtheorie ist nicht einfach eine Theorie, sie ist ein Politikum. Physiker hassen oder lieben sie, nur wenige beziehen Positionen dazwischen. Dabei waren ihre Anfänge ziemlich unscheinbar. Sie entstand um 1970 aus Versuchen von Physikern, die sogenannten "schwergewichtigen" Elementarteilchen – wie Neutronen oder Protonen – in ein Ordnungsschema zu bringen. Das funktionierte verblüffend gut, und so versuchten die Theoretiker, die Formeln auch auf andere Teilchen und Kräfte auszuweiten. Das funktionierte anfangs nicht so gut. Ein Jahrzehnt lang knobelten die Physiker, bis sie überhaupt eine widerspruchsfreie Formulierung gefunden hatten.
Die ganze Welt aus schwingenden Saiten
Die Grundidee der Stringtheorie ist so simpel, dass jeder sie verstehen kann: Alle Materie besteht aus winzigen, schwingenden "Saiten" (strings).Die Vielfalt ihrer Schwingungen erzeugt die Vielfalt der Teilchen und Kräfte – ähnlich wie die Schwingungen der Saiten einer Gitarre alle möglichen unterschiedlichen Melodien hervorbringen können. So soll zum Beispiel die Schwerkraft aus den Schwingungen geschlossener, also ringförmiger Strings entstehen. Klingt simpel. Aber es ist äußerst knifflig, daraus eine wirklich aussagekräftige physikalische Theorie zu schmieden. So zeigt sich, dass die Strings in vieldimensionalen Räumen schwingen müssen, die geometrisch verzerrt und gekrümmt sein können, oder auch "nicht-geometrisch". Wie man sich das vorstellt? Am besten gar nicht. Selbst Experten scheitern daran. Damit rechnen lässt sich aber umso besser.
Bis in die 1990er Jahre entwickelten die Stringtheoretiker immer verwegenere Formelwerke von großer mathematischer Eleganz. Allerdings verloren sie vor lauter Mathematik mehr und mehr die Wirklichkeit aus den Augen. Um die Jahrtausendwende wurde es den Kritikern zu bunt. Sie warfen den Stringtheoretikern vor, statt echter Naturwissenschaft nur noch mathematische Spiegelfechterei zu betreiben. Die Stringtheorie, so lautete die Kritik, entziehe sich der experimentellen Prüfung und erstarre zur Ideologie; sie sei ein Ungetüm von mathematisch kaum zu überblickender Komplexität und empirisch mickriger Vorhersagekraft. Ihre Vertreter würden sie mit politischer Macht durchsetzen statt mit wissenschaftlichen Argumenten – etwa indem sie nur gefügigen Schülern zu akademischen Stellen verhülfen.
Noch nicht einmal eine Theorie
Selbst den Protagonisten der Stringtheorie wurde zu dieser Zeit ihr Geisteskind unheimlich: "Die Schönheit wurde zum Biest", erklärte Leonard Susskind, einer der Mitbegründer der Stringtheorie. Im Jahr 2006 erreichte die Anti-String-Bewegung ihren Höhepunkt, als die Physiker Lee Smolin und Peter Woit ihre Protestbücher The Trouble With Physics und Not Even Wrong veröffentlichten. "Nicht einmal falsch" sei sie, warf Woit der Stringtheorie vor. Viele Physiker weigerten sich, sie überhaupt noch als echte Theorie anzuerkennen.
Inzwischen aber sind die Kritiker leiser und die Befürworter wieder selbstbewusster geworden. Denn allmählich findet die Stringtheorie den Kontakt zur Wirklichkeit. Sie ist inzwischen so weit entwickelt, dass sie überprüfbare Aussagen über physikalische Systeme macht. "Die Stringtheorie hat fruchtbare neue Ideen für die Teilchenphysik und die Kosmologie gebracht und unerwartete Verbindungen zur Schwerionenphysik und anderen exotischen Materiezuständen gefunden", sagt einer der weltweit führenden Stringtheoretiker, Joe Polchinski von der University of California in Santa Barbara. Und Dieter Lüst, Direktor am Max-Planck-Institut für Physik in München, lobt: "Heute kann die Stringtheorie Vorhersagen machen, die vor ein paar Jahren noch in weiter Ferne lagen."
So können die Theoretiker aus ihren Stringformeln zum Beispiel Eigenschaften sogenannter Quantenflüssigkeiten ableiten, etwa von Supraleitern und extrem heißer Materie, wie sie in Teilchenbeschleunigern entsteht. Mithilfe der "Saitentheorie" lässt sich berechnen, wie zäh solche Flüssigkeiten sind (Ergebnis: eher dünnflüssig).
Die Welt am Fädchen
In den Fußstapfen von Einstein
Ein besonders interessantes Forschungsfeld ist derzeit die Physik der schwarzen Löcher. Seit Jahrzehnten tobt die Debatte darüber, ob die kosmischen Sonderlinge tatsächlich Information unwiederbringlich verschlucken – so wie es etwa Stephen Hawking behauptete. Andere hielten dagegen, Information dürfe nicht einfach verschwinden – Grundregel der Physik. Mehrmals in den vergangenen Jahren ging es hin und her: Information verschwindet, sie verschwindet nicht. Nun glauben die Stringtheoretiker, klarstellen zu können: Die Information bleibt erhalten. Die physikalische Welt wäre wieder in Ordnung.
Einsteins Nachfolger hat erst Geschichte studiert
Am ehesten prädestiniert, Einsteins letztes Projekt zu vollenden, scheint derzeit der Amerikaner Edward Witten. Zumindest gilt er unter Physikern als aussichtsreicher Kandidat. Viele von ihnen schätzen Wittens mathematische Fähigkeiten noch höher ein als jene Einsteins. Bei einer informellen Umfrage unter theoretischen Physikern, wer der scharfsinnigste unter ihnen sei, fiel am häufigsten der Name Edward Witten, und meistens wird er mit Ehrfurcht ausgesprochen.
Witten ist 62 Jahre alt und von großem Wuchs, hat eine hohe Stirn und eine überraschend hohe Stimme, und sein Weg führte ihn nicht geradlinig auf Einsteins Spuren. Zuerst studierte er Geschichte, liebäugelte mit dem Journalismus und arbeitete für den demokratischen Präsidentschaftskandidaten George McGovern, der 1972 Richard Nixonunterlag. Dann verlor Witten die Lust an der Politik und wandte sich der Physik zu – genauer: der Stringtheorie. "Es war klar, dass ich schlichtweg meine Berufung verfehlen würde, wenn ich mein Leben nicht damit verbringen würde, mich auf die Stringtheorie zu konzentrieren", sagte er in einem Interview. Heute ist er am Institute for Advanced Study in Princeton angestellt, an dem auch Einstein wirkte – nur eine knappe Autostunde entfernt von den Segelquartieren der amerikanischen Ostküste.
Aber Witten hat keinen Kopf für Wassersport. "Ich bin einigermaßen optimistisch, dass unsere Physiker-Generation eine vereinheitlichte Theorie der Naturkräfte finden wird", sagt er. Kein anderer Physiker hat die Entwicklung der Stringtheorie in den letzten Jahrzehnten so vehement vorangetrieben wie Witten. Vor allem ihm ist es zu verdanken, dass die Theorie dabei ist, sich von einem vagen Konzept zu einem aussagekräftigen, wenn auch noch ziemlich komplexen Gedankengebäude zu entwickeln.
Witten und seine Anhänger betrachten sich als die legitimen Nachfolger des späten Einstein. "Die Stringtheorie steht im Geiste von Einsteins Programm einer vereinheitlichten Feldtheorie", sagt Dieter Lüst. In gewisser Weise hatte Einstein sogar selbst ein wenig die Finger mit drin bei der Stringtheorie. Er ahnte nämlich schon damals, dass der Schlüssel zur Weltformel in der Annahme zusätzlicher raumzeitlicher Dimensionen liegen könnte. Und tatsächlich sind solche "Extradimensionen" heute ein wichtiger Bestandteil der Stringtheorie.
Die meisten Physiker glauben, dass man zu Einsteins Zeiten einfach zu wenig wusste, um die gesuchte vereinheitlichte Theorie finden zu können. So waren etwa die Kräfte in den Atomkernen noch weitgehend unbekannt, ebenso wenig wusste man über Quarks und andere Elementarteilchen. "Obwohl er eine wichtige Idee hatte, kam er nicht sonderlich weit", sagt Edward Witten über Einstein. Doch seine vergebliche Mühe sei kein Scheitern gewesen: "Seine Idee der Extradimensionen wird noch 80 Jahre später von den Physikern als wichtig betrachtet. Sie ist Teil seines Vermächtnisses."
Wir leben in einem neundimensionalen Raum – nur merken wir das nicht
Allerdings wirft die Vorstellung zusätzlicher Raumdimensionen – so hilfreich sie für die mathematische Theorie auch sein mag – eine entscheidende Frage auf: Warum kriegen wir nie etwas davon mit? Denn offensichtlich leben wir ja in einer dreidimensionalen Welt, nicht in dem postulierten neundimensionalen Raum. Die Antwort der Theoretiker: Wir bekommen deshalb nichts davon mit, weil die zusätzlichen Dimensionen "kompaktifiziert" sind, wie es im Physiker-Slang heißt. Das bedeutet, sie sind in mikroskopische Kugeln aufgewickelt. Neueste Theorien gehen sogar von einer "nicht geometrischen" Kompaktifizierung aus; diese würde statt eines glatten Raums einen körnigen ergeben. Wenn das stimmte, würden wir gewissermaßen in einer verpixelten Welt leben, mit mikroskopisch kleinen Pixeln. Einige sehr mutige Physiker glauben sogar, diese Verpixelung bereits jetzt in kleinen Unregelmäßigkeiten der kosmischen Hintergrundstrahlung erkennen zu können, die die europäische Raumsonde Planck im vergangenen Jahr gemessen hat.
Aber nicht alle teilen die neue Euphorie. "Mein Eindruck ist, dass die Aussichten schwer übertrieben werden", sagt der altgediente String-Kritiker Peter Woit, der Mathematik an der Columbia University lehrt. Er bezweifelt noch immer, dass die Stringtheorie auf Tuchfühlung zur Realität gegangen ist, wie deren Verfechter behaupten. Derzeit ginge es allenfalls um die Frage, ob bereits existierende theoretische Modelle mit stringtheoretischen Methoden nachgebildet werden können. "Wenn all das funktioniert, ist es ein gutes Argument dafür, dass das Nachdenken über Stringtheorie zu interessanter mathematischer Physik führen kann", sagt Woit, "es jedoch als ›Beleg für die Stringtheorie‹ zu bezeichnen ist ein Missbrauch der Sprache."
Was also noch immer fehlt, ist der schlagende Beleg für die Stringtheorie, sozusagen ihr großer Auftritt. Der Nachweis des Higgs-Teilchens mit dem Large Hadron Collider (LHC) bei Genf war zwar ein Triumph der mathematischen Physik. Rein aus abstrakten Erwägungen hatten die Physiker seine Existenz und seine Masse treffend vorhergesagt. Aber die Stringtheorie war dabei höchstens am Rande beteiligt. Nun hoffen ihre Vertreter, dass die weiteren Messungen am LHC auch ihre theoretischen Überlegungen bestätigen.
Bisher ist die Ausbeute der Genfer Teilchenschützen in dieser Hinsicht aber eher enttäuschend. So sagt die Stringtheorie beispielsweise eine ganze Reihe neuer Elementarpartikel voraus, die entstehen sollten, wenn die Strings in höheren Dimensionen schwingen. Aber bisher sind diese Teilchen pure Hypothese. Außer auf dem Papier gab es bislang keinerlei Hinweis auf sie.
Schön genug, um wahr zu sein
Obenan auf der Fahndungsliste der Stringtheoretiker stehen die sogenannten supersymmetrischen Teilchen. Diese hypothetischen Gegenstücke zu den bekannten Elementarteilchen sollten, so meinen viele, schon aus rein ästhetisch-symmetrischen Gründen existieren. "Es wäre schade, wenn die Natur nicht die Chance ergreifen würde, die Supersymmetrie zu realisieren", sagt etwa Dieter Lüst.
Zu schön, um nicht wahr zu sein? Tatsächlich haben solche ästhetischen Argumente eine lange Tradition in der Physik. Auch Einstein und viele seiner Nachfolger haben darauf immer wieder ihre Theorien aufgebaut. Aber vergangener Erfolg ist kein Garant für künftigen. Bislang jedenfalls wurde die Supersymmetrie noch nicht gesichtet. Wäre es auch möglich, dass die Teilchenphysik einfach aufhört – dass nach der Entdeckung des Higgs-Teilchens nun nichts mehr kommt?
Die Welt am Fädchen
Was bremste den Urknall?
Für viele Physiker ist diese Vorstellung undenkbar, denn noch ist die Disziplin die Antworten auf wichtige Fragen schuldig geblieben. Zu klären ist beispielsweise: Wie funktioniert die Schwerkraft? Woraus bestehen die sogenannte Dunkle Materie und die noch geheimnisvollere "Dunkle Energie", die durch unseren Kosmos geistern, und warum haben Neutrinos eine Masse?
Das Higgs-Teilchen verleiht anderen Teilchen ihre Masse – so war es nach seiner Entdeckung in vielen populären Darstellungen zu lesen. Allerdings kann das nur die halbe Wahrheit sein. Denn dadurch kommt viel weniger Masse zustande, als die Theoretiker vorhersagen. Deshalb sind Witten, Lüst und andere Physiker überzeugt, dass neben dem Higgs-Teilchen noch ein anderer, raffinierterer Mechanismus am Werk sein muss, der die Teilchenmassen klein hält. "Das ist eine der Fragen, an deren Klärung wir besonders interessiert sind", sagt Witten, "und wir hoffen, dass der LHC sie in den nächsten fünf Jahren seines Betriebs beantwortet."
Kopfzerbrechen bereitet den Physikern auch der erste Wachstumsschub des Universums gleich nach dem Urknall, genannt Inflation. Damals blähte sich das Universum enorm schnell auf, in einem winzigen Sekundenbruchteil verquadrilliardenfachte sich seine Größe (eine Quadrilliarde ist eine Eins mit 27 Nullen). Doch nach den jetzt vorherrschenden Theorien ist das erstaunlich langsam. Was hat damals die Expansion gebremst? Irgendwelche noch nicht gefundenen Teilchen, vermuten die Theoretiker, und sie hoffen, dass der LHC sie ausspuckt.
Was, wenn das Higgs-Teilchen die letzte große Entdeckung der Physiker war?
Theoretisch muss es also noch weitergehen. Wie genau, lässt sich allerdings vom Schreibtisch aus nicht sagen. "Jetzt sind die Experimentatoren am Zug", sagt Dieter Lüst, "wir brauchen weitere experimentelle Daten, um die Stringtheorie weiterzuentwickeln." Doch damit wird er sich gedulden müssen. Denn vorerst ruht der Riesenbeschleuniger LHC. Bis 2015 wird er für höhere Energien aufgerüstet.
Werden Beschleunigerexperimente wie in Genf in Zukunft dann die letzten Wissenslücken der Physiker schließen? "Das ist unsere große Unbekannte", sagt Edward Witten. Auch er räumt ein, dass das Higgs-Teilchen das letzte sein könnte, das mit menschenmöglichen Mitteln zu finden war, dass also die nächste Stufe der Teilchenphysik – Supersymmetrie und Co. – erst bei Energien beginnt, die mit irdischer Technik unerreichbar sind. "Kann sein", sagt Witten, "aber meine Generation von Physikern hat die letzten Jahre damit verbracht, das als unplausibel anzusehen."
Es ist möglich, dass auch die Stringtheorie eines Tages in der Highschool gelehrt wir – oder zumindest im College.
Edward Witten, Theoretischer Physiker
Und was, wenn er und seine Kollegen falsch liegen und sich die prognostizierten neuen Teilchen einfach nicht zeigen wollen in den Beschleuniger-Experimenten? "Es ist immer möglich, dass wir scheitern", sagt Witten gelassen, "aber auch dann sind wir schlauer als zuvor. Die Suche nach der vereinheitlichten Theorie lohnt sich, selbst wenn wir sie nicht finden."
Sollten sich allerdings in den Detektoren eines Tages doch jene Befunde zeigen, die die Stringtheorie stützen, wäre das ein Triumph der Theorie, der den Fund des Higgs-Teilchens noch in den Schatten stellt. Einsteins Traum wäre wiederbelebt. "Eine vereinheitlichte Theorie wäre nicht nur ein großer Schritt für die Physik", sagt Witten, "sondern ihr natürliches Ende." Zwar würden Menschen noch weiter staunen und fragen, aber das Programm, das die Physik seit Einsteins Zeiten verfolgt, wäre abgeschlossen.
Und Edward Witten kann sich sogar vorstellen, dass die hoch abstrakte Stringtheorie eines Tages zum allgemeinen Bildungsgut zählt. "Zu Einsteins Zeiten fanden die Leute die Spezielle Relativitätstheorie unglaublich kompliziert und abstrakt", sagt der Theoretiker aus Princeton. Heute stehe sie auf dem Lehrplan der Gymnasien. "Es ist möglich, dass auch die Stringtheorie eines Tages in der Highschool gelehrt wird", spekuliert Witten – hält kurz inne und fügt dann hinzu, "oder zumindest im College."
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Translation - English The world on the thread
Does Einstein's dream of the world formula ever come true? The string physicists now think that physicists are on the right track.
By Tobias Hürter
January 2, 2014, 7:00 amEdit on January 12, 2014, 8:44 am
He could as well have been sailing. The biographer Albrecht Fölsing brought Albert Einstein's last three decades to this devastating conclusion. Einstein had thought much of the theory of relativity - he wanted to find an answer to his famous question "God had a choice when he created the world?". A stone believed the answer loud no. Therefore, he sought the "world formula" - a theory that states that the world must be exactly what it is, so that not even God could have created it differently. But Einstein was looking for nothing. The notes on a "unified field theory" piled up on his desk in Princeton after his death in 1955 - documents of futile effort.
After Einstein, a whole generation of sailors could have followed. His successors continued his search with similar ruthlessness and modest success. There were a few ideas and many disappointments. For a few years, however, the confidence of physicists is growing again. Many of them are now convinced to hold the blueprint of the world formula already in their hands: It is of all the much maligned string theory. Lange was controversial whether it is more than elegant mathematics. But gradually the doubts disappear. "If string theory is not itself the final theory," says Nobel laureate David Gross of the University of California at Santa Barbara, "then it's at least a very important step in that direction."
String theory is not just a theory, it is a political issue. Physicists hate or love them, few take positions in between. Their beginnings were pretty inconspicuous. She came to life 1970 from attempts by physicists to bring the so-called "heavyweight" elementary particles - such as neutrons or protons - into an ordering scheme. This worked amazingly well, so theorists tried to extend the formulas to other particles and forces. That did not work so well at first. For a decade, the physicists scrambled until they found a consistent formulation.
The whole world of swinging strings
The basic idea of string theory is so simple that anyone can understand it: all matter consists of tiny, vibrating "strings." The variety of their vibrations creates the variety of particles and forces - much like the vibrations of the strings of a guitar all possible can produce different melodies. For example, gravity is to be created from the vibrations of closed, ie ring-shaped strings. Sounds simple. But it is extremely tricky to forge a truly meaningful physical theory out of it. This shows that the strings have to vibrate in multidimensional spaces that geometrically distorted and curved, or "non-geometric". How to imagine this? Not at all. Even experts fail. But you can count on it all the better.
Until the 1990s, the string theorists developed more daring formula works of great mathematical elegance. However, they lost sight of reality more and more because of mathematics. At the turn of the millennium it was too colorful for the critics. They accused the string theorists, instead of real natural science only mathematical mirror fencing to operate. String theory, critics say, escapes experimental testing and freezes to ideology; it is a monster of mathematical complexity and empirically puny predictive power. Their representatives would prevail with political power rather than with scientific arguments - for example, by only helping docile students to gain academic posts.
Not even a theory
Even the protagonists of string theory at that time their minds child was scary: "The beauty was a beast," said Leonard Susskind, one of the co-founders of string theory. In 2006, the anti-string movement reached its peak when physicists Lee Smolin and Peter Woit published their protest books The Trouble With Physics and Not Even Wrong. "Not even wrong," she said Woit the string theory. Many physicists refused to recognize them as a true theory at all.
Meanwhile, however, the critics have become quieter and the advocates have become more confident again. Because gradually the string theory finds the contact to reality. It is now well-developed to make verifiable statements about physical systems. "String theory has yielded fruitful new ideas for particle physics and cosmology and found unexpected connections to heavy ion physics and other exotic states of matter," says one of the world's leading string theorists, Joe Polchinski of the University of California at Santa Barbara. And Dieter Lüst, director at the Max Planck Institute for Physics in Munich, praises: "Today string theory can make predictions that were a long way off a few years ago."
For example, theoreticians can use their string formulas Derive properties of so-called quantum liquids, such as superconductors and extremely hot matter, as it arises in particle accelerators. Using "string theory" it is possible to calculate how tough such liquids are (result: rather fluid).
The world on the thread
In the footsteps of Einstein
A particularly interesting research field is currently the physics of black holes. For decades, the debate has raged over whether the cosmic nerds actually swallow information irretrievably - as Stephen Hawking asserted. Others argue that information should not just disappear - the basic rule of physics. Several times in the past few years things have been going back and forth: information disappears, it does not disappear. Now the string theorists believe that they can clarify: The information is preserved. The physical world would be alright again.
Einstein's successor first studied history
The most predestined to complete Einstein's latest project is currently the American Edward Witten. At least he is among physicists as a promising candidate. Many of them rate Witten's mathematical ability even higher than Einstein's. In an informal survey of theoretical physicists, who was the most astute among them, the name Edward Witten fell most often, and most of the time he is pronounced with awe.
Witten is 62 years old and tall, has a high forehead and a surprisingly high voice, and his path did not lead him straight to Einstein's tracks. First studied he was a storyteller, flirting with journalism and working for the Democratic presidential candidate George McGovern, who in 1972 passed under Richard Nixon. Then Witten lost the desire for politics and turned to physics - more precisely: the string theory. "It was clear that I would simply miss my calling if I did not spend my life concentrating on string theory," he said in an interview. Today he is employed at the Institute for Advanced Study at Princeton, where Einstein also worked - just under an hour's drive away from the sailing quarters of the US East Coast.
But Witten has no head for water sports. "I am He is reasonably optimistic that our generation of physicists will find a unified theory of natural forces. "No other physicist has pushed the development of string theory so vigorously in recent decades as Witten, and it is largely thanks to him that the theory is there is to evolve from a vague concept to a meaningful, if still quite complex, thought-building.
Witten and his followers consider themselves the legitimate successors of the late Einstein. "String theory is in the spirit of Einstein's program of a unified field theory," says Dieter Lüst. In a way, Einstein even had one himself little fingers in the string theory. He already knew then that the key to the world formula could lie in the assumption of additional spatio-temporal dimensions. And indeed, such "extra dimensions" are today an important part of string theory.
Most physicists believe that at Einstein's time, they knew too little to be able to find the sought-after unified theory. For example, the forces in the atomic nuclei were still largely unknown, just as little was known about quarks and other elementary particles. "Although he had an important idea, he did not get very far," says Edward Witten about Einstein. But his futile effort was not a failure: "His idea of extra dimensions is still considered important by physicists 80 years later, and is part of his legacy."
We live in a nine-dimensional space - only we do not notice that
However, the notion of additional dimensions of space, helpful as it is for mathematical theory, raises a crucial question: Why do we never get anything of it? Because obviously we live in a three-dimensional world, not in the postulated neo-dimensional space. The answer of the theoreticians: We therefore do not get anything because the additional dimensions are "compacted", as it is called in the physicist slang. That means they are in wrapped in microscopic spheres. Recent theories even assume a "non-geometric" compactification; this would give a grainy instead of a smooth space. If that were true, we would, so to speak, live in a pixelated world, with microscopic pixels. Some very brave physicists even believe that this pixelation can already be detected in small irregularities in the cosmic background radiation measured by the European Planck spacecraft last year.
But not everyone shares the new euphoria. "My impression is that the prospects are greatly exaggerated," says the veteran string critic Peter Woit, the mathematician at Columbia University teaches. He still doubts that string theory has come true to reality, as its proponents claim. At the moment, the question is whether existing theoretical models can be modeled using string theory methods. "If all of this works, it's a good argument that thinking about string theory can lead to interesting mathematical physics," says Woit, "but calling it 'proof of string theory' is a misuse of the language."
So what is still missing, is the striking evidence for the string theory, so to speak, her grand entrance. The detection of the Higgs particle with the Large Hadron Collider (LHC) near Geneva was indeed a triumph of mathematical physics. Purely out of abstract considerations, physicists aptly predicted its existence and mass. But string theory was involved only marginally. Now their representatives hope that the further measurements at the LHC also confirm their theoretical considerations.
So far, the yield of the Genfer particle shooters in this regard but rather disappointing. For example, string theory predicts a whole series of new elementary particles, which should arise when the strings swing in higher dimensions. But so far these particles are pure hypothesis. So far, there was no reference to her except on paper.
Nice enough to be true
At the top of the search list of string theorists are the so-called supersymmetric particles. These hypothetical counterparts to the well-known elementary particles should, so many think, already exist for purely aesthetic-symmetrical reasons. "It would be a pity if nature is not would seize the opportunity to realize the supersymmetry, "says about Dieter Lüst.
Too good to be true? In fact, such aesthetic arguments have a long tradition in physics. Einstein and many of his successors have repeatedly built up their theories. But past success is no guarantee for future ones. So far, at least, the supersymmetry has not yet been spotted. Would it also be possible for particle physics to simply stop - that after the discovery of the Higgs particle, nothing will come?
The world on the thread
What slowed down the big bang?
For many physicists this idea is unthinkable, because still the discipline has not answered the answers to important questions. To clarify is for example: How does gravity work? What does so-called dark matter and the even more mysterious "dark energy" that haunts our cosmos consist of, and why do neutrinos have a mass?
The Higgs particle gives its mass to other particles - so it was after its discovery in many popular representations to read. However, that can only be half the story. Because this is much less mass than the theorists predict. That's why Witten, Lüst and other physicists believe that besides the Higgs particle there must be another, more sophisticated mechanism at work that keeps the particle masses small. "That's one of the questions that we're particularly interested in clarifying," says Witten, "and we hope the LHC will answer them over the next five years of operation."
The physicists are also worried about the first growth spurt of the universe right after the Big Bang, called inflation. At that time, the universe inflated enormously fast, in a tiny fraction of a second magnifying its magnitude (one quadrillion is a one with 27 zeros). But after the now prevailing Theories are surprisingly slow. What slowed down the expansion at that time? Any not yet found particles, the theorists suspect, and they hope the LHC spits them out.
What if the Higgs particle was the physicist's last big discovery?
Theoretically, it has to go on. How exactly, but can not say from the desk. "Now it's the experimenters' turn," says Dieter Lüst, "we need more experimental data to further develop string theory." But he will have to be patient with that. For now, the giant accelerator LHC is resting. He will be upgraded to higher energies by 2015.
Be accelerator experiments like in Geneva in the future then close the last knowledge gaps of the physicists? "That's our big stranger," says Edward Witten. He also admits that the Higgs particle could be the last to be found by human means, so that the next stage of particle physics - supersymmetry and Co. - only begins with energies that are unattainable with earthly technology. "It may be," says Witten, "but my generation of physicists has spent the last few years considering that to be implausible."
It's possible that even the string theory one day we taught in high school - or at least in college.
Edward Witten, theoretical physicist
And what if he and his colleagues are wrong and just do not want to show the predicted new particles in the accelerator experiments? "It's always possible for us to fail," says Witten calmly, "but even then we are smarter than before, and the search for the unified theory is worthwhile, even if we can not find it."
However, should the detectors one day show those findings that support string theory, that would be a triumph of the theory that still holds the finding of the Higgs particle in the shade. Einstein's dream would be revived. "A unified theory would not only be a big step for physics," says Witten, "but its natural end." Although people would continue to wonder and ask questions, the program that pursued physics since Einstein's time would be complete.
And Edward Witten can even imagine that one day the highly abstract string theory counts as a general educational resource. "At Einstein's time, people found the special theory of relativity incredibly complicated and abstract," says the Princeton theorist. Today she is on the curriculum of high schools. "It's possible that string theory will one day too be taught in high school, "speculates Witten - pauses for a moment and then adds, “or at least in college.”
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Arabic to French: NasaArabic General field: Science Detailed field: Physics
Source text - Arabic باختصار
تعتبر نظرية الأوتار الفائقة المنافس الرئيسي للقب "نظرية كل شئ" أو النظرية M، نظرية سعى إليها ألبرت آينشتاين بنفسه، ولو تم إثبات هذه النظرية فسنستطيع تفسير كل الأحداث الفيزيائية المعروفة في الكون، من العالم دون الذري إلى الثقوب السوداء.
توقف. انظر حولك. تتكون جميع الأشيار المرئية وغير المرئية من ذرات صغيرة جداً يصعب مقارنتها بحجم الانسان على سبيل المثال. وبسلوكٍ لايشبه أي من مشاهداتنا اليومية، تتحرك هذه الذرات بسرعة كبيرة ولايمكن رصدها إلا بواسطة أكثر تقنياتنا العلمية تقدماً.
أغلب البشر سمعوا عن الذرات، ويعرف الكثيرون أنها مكونة من نواة تحتوي على بروتونات (موجبة الشحنة) ونيوترونات (بلا شحنة). النواة محاطة بسحابة إلكترونية، تحتوي على إلكترونات سالبة الشحنة. مع ذلك لا تعتبر هذه الأجزاء الذرية أصغر مكونات المادة.
مخطط لذرة ليثيوم مثالية وهي توضح مكونات الذرة
فعلى سبيل المثال، تتكون البروتونات والنيترونات من جسيمات تسمى الكواركات. لو استطعنا أن نكبر صورة هذه الجسيمات الصغيرة جدا التي تكوّن كل المادة الموجودة في كوننا، يعتقد العديدين أننا سنصل وبصورة مفاجئة إلى أن الكواركات مكونة من أوتار.
هذه هي الفكرة الأساسية لنظرية الأوتار الفائقة، الإلكترونات والكواركات اللذان يكونان كل المادة الموجودة في الكون ليسا بدون أبعاد، وإنّما يتكونان من وتر ذي بُعد واحد. تتذبذب هذه الأوتار وتعطي بذلك لهذه الجسيمات الشحنة، الكتلة، الدوران والخصائص الخاصة. يشبه الأمر كيفية اختلاف الألحان عند اختلاف اهتزاز أوتار الغيتار أثناء العزف. فاختلاف تذبذب هذه الأوتار ينتج جزيئات دون ذرية مختلفة.
تحت هذه النظرة الشاعرية لنظرية الأوتار الفائقة تقبع أكثر الرياضيات تقدماً مما توصل إليه البشر حتى الآن. بالنسبة لمن يرغب في دراسة هذه النظرية فعليه أن يقوم بدراسة التفاضل والتكامل أولاً (ذات المتغير الواحد ومتعددة المتغيرات)، الهندسة التحليلية، حساب المثلثات، والمعادلات التفاضلية الجزئية، الاحتمالات والإحصاء، وتستمر القائمة بالتزايد. بغض النظر عن تعقيدها، فإن هذه النظرية متسقة رياضياً عند اختبارها. وبسبب هذا الاتساق الرياضي تعتبر نظرية الأوتار الفائقة هي المنافس الرئيسي للقب "نظرية كل شئ" أو النظرية M، نظرية سعى إليها ألبرت آينشتاين بنفسه، ولو تم إثبات هذه النظرية فسنستطيع تفسير كل الأحداث الفيزيائية المعروفة في الكون، من العالم دون الذري إلى الثقوب السوداء.
بجانب نظرية الأوتار الفائقة هنالك فكرة أخرى توجد غالباً في روايات الخيال العلمي: مفهوم الأبعاد الإضافية. هذه الفكرة قد تبدو مجنونة لأول وهلة، كباقي النظريات العلمية في بداية طرحها، لكن العمل الرياضي خلف هذه الفكرة تم التأكد من صحته حتى الآن. نحن نعيش في عالم ثلاثي الأبعاد ( رباعي الأبعاد اذا اعتبرنا الزمن بعد أخر) لكن نظرية الأوتار الفائقة تفترض وجود 11 بُعد مختلف. ورغم أن هذا الأمر يبدو بعيد المنال ، لكن الاختبارات الرياضية لهذه النظرية أظهرت صحتها. ولولا هذا الأمر لتم التخلي عن نظرية الأوتار الفائقة منذ زمن بعيد لأن فكرة الأكوان المتعددة ضرورية لهذه النظرية لتعمل بصورة صحيحة. كما أن نظرية الأوتار تفسر عمل الجاذبية بينما في نظريات أخرى يتم التعامل مع الجاذبية كرقم غير مُفَسَر.
قد تبدو هذه النظرية معقدة، وهذا متوقع من نظرية تحاول أن تفسر كل الظواهر الفيزيائية المعروفة في الكون. مع ذلك هنالك من يحاول تبسيطها للعامة ممن لايمتلكون ثقافة فيزيائية معمقة ومن هؤلاء عالم الفيزياء ميشو كاكو وهو أحد المشاركين بوضع هذه النظرية وبرايان غرين ( مؤلف كتاب الكون الأنيق) كلاهما رائدان في عملية تطوير هذه النظرية. يحاول كلاهما تبسيط العلوم لعامة الناس، ويهدفان لشرح هذه النظرية بأبسط الطرق للناس الذين يرغبون بمعرفة كيفية عمل الكون دون الحاجة لدراسة هذه النظرية لسنوات طويلة.
كاكو وغرين يقومان بفعل ما هو أكثر من مجرد شرح نظرية الأوتار الفائقة لنا بالإضافة إلى التعقيدات الأخرى الموجودة في الكون، بل يعطوننا أيضا درس جميلة في الحياة فمهما كان تعقيد الأفكار فيمكننا دائماً أن نغوص في داخلها لمعرفة حقيقتها البسيطة، وبعض الأحيان إذا فكر احدنا بعمق كافي فقد يصل إلى حل بسيط مثل الوتر الفائق.
المصادر: futurism
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Translation - French En bref
La théorie des cordes est le principal rival du titre "théorie de tout" ou théorie M, la théorie de la quête Albert Einstein lui-même, et si cette théorie est prouvée, nous pouvons expliquer tous les événements physiques connus dans l'univers, du monde subatomique aux trous noirs.
Arrête. Regarde autour de toi. Tous les éléments visuels et non visuels sont composés la visualisation de très petits atomes est difficile à comparer à la taille humaine, par exemple. Et le comportement ne ressemble à aucun de nos observations quotidiennes, ces atomes se déplacent très rapidement et ne peuvent être surveillés que par notre technologie la plus scientifique progrès.
La plupart des humains ont entendu parler des atomes, et beaucoup savent qu'ils sont constitués d'un noyau contenant des protons (charges positifs) et neutrons (sans frais). Le noyau est entouré d'un nuage électronique contenant des électrons chargés négativement. Cependant, ces parties atomiques ne sont pas considérées comme les plus petits composants du matériau.
Un contour d'un atome de lithium idéal montre les composants de l'atome.
Par exemple, les protons et les neutrons sont constitués de Particules appelées quarks. Si nous pouvons agrandir l'image de ces très petites particules qui sont tous de la matière dans notre univers, beaucoup croient que nous arriverons subitement au fait que les quarks sont constitués de cordes.
C'est elle, l'idée de base de la théorie des super-tendons, des électrons et des quarks, qui sont tous les matériaux. L'univers n'est pas sans dimensions, mais se compose d'un tendon avec une dimension. Ces tendons oscillent et donnent ainsi charge de particules, masse, gyro et propriétés spéciales. Cela ressemble à la façon dont les mélodies diffèrent lorsque les cordes de la guitare vibrent pendant la lecture. Les différentes oscillations de ces tendons produisent différentes particules subatomiques.
Sous cette vision poétique de la théorie des super-cordes, il y a plus de mathématiques que même les humains maintenant. Pour ceux qui souhaitent étudier cette théorie, il faut d'abord étudier le calcul (une variable et multivariée), géométrie analytique, trigonométrie, équations aux dérivées partielles, possibilités et statistiques, et la liste ne cesse de croître. Indépendamment de sa complexité, cette théorie est mathématiquement cohérente quand testé en raison de cette cohérence mathématique, la théorie des cordes est le principal rival du titre "théorie tout "ou théorie M, une théorie recherchée par Albert Einstein lui-même, et si cette théorie a été prouvée, nous pouvons expliquer tous les événements physiques connus dans l'univers, du monde subatomique aux trous noirs.
Suivant la théorie Super Strings Il y a une autre idée que l'on trouve souvent dans les romans de science-fiction: le concept de dimensions supplémentaires. Cette idée peut sembler folle à première vue, comme d'autres théories scientifiques au début, mais le sport derrière eux l'idée a été confirmée jusqu'à présent. Nous vivons dans un monde tridimensionnel (si nous considérons le temps en quatre dimensions après un autre), mais la théorie des cordes suppose qu'il y a 11 dimensions différentes. Bien que cela semble tiré par les cheveux, mais les tests mathématiques de cette théorie se sont révélés corrects. Sinon, la théorie des cordes serait abandonnée puisque l'idée d'univers multiples est nécessaire pour que cette théorie fonctionne correctement. Comme la théorie, les cordes expliquent le travail de la gravité tandis que dans d'autres théories la gravité est traitée comme une figure inexpliquée.
Cette théorie peut sembler complexe, et cela est attendu d'une théorie essayant d'expliquer tous les phénomènes physiques connus dans l'univers. Cependant, il y a ceux qui essayent de le simplifier au grand public qui ne possèdent pas une culture physique en profondeur et ce sont des scientifiques. Le physicien Micho Kaku, l'un des co-auteurs de cette théorie, et Brian Green (auteur de ‹‹The Elegant Universe››) sont pionniers dans le processus de développement de cette théorie. Les deux essayent de simplifier la science pour le grand public, et visent à expliquer cette théorie, le moyen le plus simple pour les personnes qui veulent savoir comment fonctionne l'univers sans avoir à étudier cette théorie pendant des années longues.
Kaku et Greene font plus que simplement expliquer notre théorie des super-cordes Les autres complexités de l'univers, mais elles nous donnent aussi une belle leçon de vie quelle que soit la complexité des idées Nous pouvons toujours y plonger pour voir ce que c'est, et parfois, si l'on pense assez profondément, cela peut aboutir à une solution simple comme la super corde.
Sources: futurisme
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Arabic to English: NasaArabicEnglish General field: Science Detailed field: Physics
Source text - Arabic باختصار
تعتبر نظرية الأوتار الفائقة المنافس الرئيسي للقب "نظرية كل شئ" أو النظرية M، نظرية سعى إليها ألبرت آينشتاين بنفسه، ولو تم إثبات هذه النظرية فسنستطيع تفسير كل الأحداث الفيزيائية المعروفة في الكون، من العالم دون الذري إلى الثقوب السوداء.
توقف. انظر حولك. تتكون جميع الأشيار المرئية وغير المرئية من ذرات صغيرة جداً يصعب مقارنتها بحجم الانسان على سبيل المثال. وبسلوكٍ لايشبه أي من مشاهداتنا اليومية، تتحرك هذه الذرات بسرعة كبيرة ولايمكن رصدها إلا بواسطة أكثر تقنياتنا العلمية تقدماً.
أغلب البشر سمعوا عن الذرات، ويعرف الكثيرون أنها مكونة من نواة تحتوي على بروتونات (موجبة الشحنة) ونيوترونات (بلا شحنة). النواة محاطة بسحابة إلكترونية، تحتوي على إلكترونات سالبة الشحنة. مع ذلك لا تعتبر هذه الأجزاء الذرية أصغر مكونات المادة.
مخطط لذرة ليثيوم مثالية وهي توضح مكونات الذرة
فعلى سبيل المثال، تتكون البروتونات والنيترونات من جسيمات تسمى الكواركات. لو استطعنا أن نكبر صورة هذه الجسيمات الصغيرة جدا التي تكوّن كل المادة الموجودة في كوننا، يعتقد العديدين أننا سنصل وبصورة مفاجئة إلى أن الكواركات مكونة من أوتار.
هذه هي الفكرة الأساسية لنظرية الأوتار الفائقة، الإلكترونات والكواركات اللذان يكونان كل المادة الموجودة في الكون ليسا بدون أبعاد، وإنّما يتكونان من وتر ذي بُعد واحد. تتذبذب هذه الأوتار وتعطي بذلك لهذه الجسيمات الشحنة، الكتلة، الدوران والخصائص الخاصة. يشبه الأمر كيفية اختلاف الألحان عند اختلاف اهتزاز أوتار الغيتار أثناء العزف. فاختلاف تذبذب هذه الأوتار ينتج جزيئات دون ذرية مختلفة.
تحت هذه النظرة الشاعرية لنظرية الأوتار الفائقة تقبع أكثر الرياضيات تقدماً مما توصل إليه البشر حتى الآن. بالنسبة لمن يرغب في دراسة هذه النظرية فعليه أن يقوم بدراسة التفاضل والتكامل أولاً (ذات المتغير الواحد ومتعددة المتغيرات)، الهندسة التحليلية، حساب المثلثات، والمعادلات التفاضلية الجزئية، الاحتمالات والإحصاء، وتستمر القائمة بالتزايد. بغض النظر عن تعقيدها، فإن هذه النظرية متسقة رياضياً عند اختبارها. وبسبب هذا الاتساق الرياضي تعتبر نظرية الأوتار الفائقة هي المنافس الرئيسي للقب "نظرية كل شئ" أو النظرية M، نظرية سعى إليها ألبرت آينشتاين بنفسه، ولو تم إثبات هذه النظرية فسنستطيع تفسير كل الأحداث الفيزيائية المعروفة في الكون، من العالم دون الذري إلى الثقوب السوداء.
بجانب نظرية الأوتار الفائقة هنالك فكرة أخرى توجد غالباً في روايات الخيال العلمي: مفهوم الأبعاد الإضافية. هذه الفكرة قد تبدو مجنونة لأول وهلة، كباقي النظريات العلمية في بداية طرحها، لكن العمل الرياضي خلف هذه الفكرة تم التأكد من صحته حتى الآن. نحن نعيش في عالم ثلاثي الأبعاد ( رباعي الأبعاد اذا اعتبرنا الزمن بعد أخر) لكن نظرية الأوتار الفائقة تفترض وجود 11 بُعد مختلف. ورغم أن هذا الأمر يبدو بعيد المنال ، لكن الاختبارات الرياضية لهذه النظرية أظهرت صحتها. ولولا هذا الأمر لتم التخلي عن نظرية الأوتار الفائقة منذ زمن بعيد لأن فكرة الأكوان المتعددة ضرورية لهذه النظرية لتعمل بصورة صحيحة. كما أن نظرية الأوتار تفسر عمل الجاذبية بينما في نظريات أخرى يتم التعامل مع الجاذبية كرقم غير مُفَسَر.
قد تبدو هذه النظرية معقدة، وهذا متوقع من نظرية تحاول أن تفسر كل الظواهر الفيزيائية المعروفة في الكون. مع ذلك هنالك من يحاول تبسيطها للعامة ممن لايمتلكون ثقافة فيزيائية معمقة ومن هؤلاء عالم الفيزياء ميشو كاكو وهو أحد المشاركين بوضع هذه النظرية وبرايان غرين ( مؤلف كتاب الكون الأنيق) كلاهما رائدان في عملية تطوير هذه النظرية. يحاول كلاهما تبسيط العلوم لعامة الناس، ويهدفان لشرح هذه النظرية بأبسط الطرق للناس الذين يرغبون بمعرفة كيفية عمل الكون دون الحاجة لدراسة هذه النظرية لسنوات طويلة.
كاكو وغرين يقومان بفعل ما هو أكثر من مجرد شرح نظرية الأوتار الفائقة لنا بالإضافة إلى التعقيدات الأخرى الموجودة في الكون، بل يعطوننا أيضا درس جميلة في الحياة فمهما كان تعقيد الأفكار فيمكننا دائماً أن نغوص في داخلها لمعرفة حقيقتها البسيطة، وبعض الأحيان إذا فكر احدنا بعمق كافي فقد يصل إلى حل بسيط مثل الوتر الفائق.
المصادر: futurism
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Translation - English Briefly
String theory is the main rival of the title "theory of everything" or theory M, the theory of quest Albert Einstein himself, and if this theory is proved, we can explain all known physical events In the universe, from the subatomic world to the black holes.
Stop. Look around you. All visual and non-visual elements are composed Visualization of very small atoms is difficult to compare to human size, for example. And the behavior does not resemble any of the Our daily observations, these atoms move very quickly and can be monitored only by our most scientific technology Progress.
Most humans have heard of atoms, and many know they are made up of a nucleus containing protons (positive Charge) and neutrons (no charge). The nucleus is surrounded by an electronic cloud, containing negatively charged electrons. However, these atomic parts are not considered the smallest components of the material.
An outline of an ideal lithium atom shows the components of the atom
For example, protons and neutrons consist of Particles called quarks. If we can enlarge the image of these very small particles that are all matter In our universe, many believe that we will suddenly arrive at the fact that the quarks are made up of strings.
that's it The basic idea of the theory of super - tendons, electrons and quarks, which are all the material in The universe is not without dimensions, but consists of a tendon with one dimension. These tendons oscillate and thus give these Particle charge, mass, gyro and special properties. It is similar to how the melodies differ when the guitar strings vibrate while playing. The different oscillations of these tendons produce different subatomic particles.
Under this poetic view of super-string theory, more mathematics lay ahead than even humans right Now. For those who wish to study this theory, it is necessary to study calculus first One variable and multivariate), analytic geometry, trigonometry, partial differential equations, Possibilities and statistics, and the list continues to grow. Regardless of its complexity, this theory is mathematically consistent When tested. Because of this mathematical consistency, string theory is the main rival of the title "theory Everything "or theory M, a theory sought by Albert Einstein himself, and if this theory has been proved, we can explain All known physical events in the universe, from the subatomic world to the black holes.
Next to theory Super Strings There is another idea that is often found in science fiction novels: the concept of extra dimensions. this is The idea may seem crazy at first sight, like other scientific theories at the beginning, but the sport behind them The idea has been confirmed so far. We live in a three-dimensional world (if we consider time four-dimensional After another), but the string theory assumes that there are 11 different dimensions. Although this seems far-fetched, But the mathematical tests of this theory have proven correct. Otherwise, string theory would be abandoned Since the idea of multiple universes is necessary for this theory to function properly. As the theory Strings explain the work of gravity while in other theories gravity is treated as unexplained.
This theory may seem complex, and this is expected from a theory trying to explain all known physical phenomena in Universe. However, there are those who try to simplify it to the general public who do not possess an in-depth physical culture and those are a scientist Physicist Micho Kaku, one of the co-authors of this theory, and Brian Green (author of The Elegant Universe) Pioneers in the process of developing this theory. Both are trying to simplify science for the general public, and aim to explain this theory The simplest way for people who want to know how the universe works without having to study this theory for years long.
Kaku and Greene do more than just explain our super string theory as well The other complexities of the universe, but they also give us a beautiful lesson in life whatever the complexity of ideas We can always dive into it to see what it is, and sometimes if one thinks deep enough, it may reach a simple solution like a superlative string.
Sources: futurism
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Arabic to English: Final General field: Science Detailed field: Mathematics & Statistics
Source text - Arabic رياضيات من بعديّة تحليل ومشكلة يحلّ في فيزياء
دسو بستّي, ديبرتيمنتو دي فيسك, أونيفرست دي جنوفا, إيطاليا
1. تقديم
بما أنّ معروفة, يقدّم الطرق نوعيّة, يؤسّس على التطبيق من المبادئ من بعديّة تجانسية, إستمرار وتماثل, الفرصة لتحليل خصيبة حقّا من النظامات طبيعيّة قبل هم كاملة رياضيّة أو دراسة [تجريبيّة 1-3]. في مشكلة يحلّ, يمكّننا الطرق نوعيّة أن يستنتج معلومة مفيدة حول الحالة اعتماد من كمية طبيعيّة (المجهولة) على أخرى كميات موافقة (المعطيات) [4-8].
ال كاملة تطلّب وصف من نظامة حقيقيّة طبيعيّة ا غرت نومبر وف معلمات. نحن ينبغي انتقيت و تك ينتو كّوونت الكميات مهمّة وتجاهلت أنّ أيّ يتلقّى تأثيرات صغيرة نسبيّا. عبّر عن يعطى كمية طبيعيّة برقم يتبع ب ال يماثل أونيت وف مسورمنت. الشعاع من الموقد , غير أنّ هو أيضا ; من هذا بوينت وف فيو يتلقّى هو ما من معنى أن يتكلّم من كبيرة أو أرقام صغيرة. ال أردر وف منيتثد من التأثير نسبيّة, على القيمة من يعيّن إكس مجهولة, من يهمل كمية يستطيع كنت عبّر عن بمنتوجات مناسبة عديم بعد (أرقام صافية) من النظامة صفة. اعتبرت فور ينستنس, يثبّط مذبذب بسيط توافقيّة. جسم الكتلة م تصرّفت فوق بمرنة يحيي قوة ف-كإكس, حيث إكس ال دبلسمنت من التوازن موقعة و ك القوة ثابتة. ماذا يكون التأثير, على الفترة , من لزجة يثبّط قوة, , حيث ر ثابتة. بما أنّ سابقا يلاحظ, أن يتكلّم من صغيرة أو قيمة كبيرة من ر يتلقّى ما من معنى; يعطى يثبّط ثابتة القيمة, فور ينستنس, , يتلقّى أيضا القيمة . بما أنّ معروفة, عبّر عن هذا تأثير بالمنتوج عديم بعد , الذي معنى طبيعيّة يكون: النسبة بين ال مإكسيموم فلو من ال يثبّط قوة وال مإكسيموم فلو من المرنة يحيي قوة.
نحن نبدي أنّ جعلت الأصل من المعلومة, على المشكلة حل, ينال بالطرق نوعيّة, أكثر شفّافة ب يجعل تمييز واضحة بين ال رياضيّة بعديّة تحليل نتيجات وال افتراضات ظواهريّة و قانون من طبيعة يرتبط هذا نتيجات إلى العالم طبيعيّة. بوضوح, خطأ افتراضات ظواهريّة و يصحّ سيقود تحليل رياضيّة بعديّة إلى مخطئة نتيجات, بما أنّ يتناقش في التعليق إلى مثال 4 من قسم 4.
تركتنا لاحظت أنّ المثل من تحليل بعديّة يعطى في افتتاحيّة فيزياء كتاب مدرسيّ مرجّحة أن يكون مضلّلة. القارئة يمكن كنت تركت مع الإنطباع أنّ تحليل بعديّة إجراء روتينيّة. يتطلّب الممارسة من تحليل بعديّة كثيرة تبصر وخبرة. فور ينستنس, يدخل هذا تبصر في طريق حاسمة داخل الإنتقاء أوّليّة متغيرات أن يكون تضمّنت في التحليل. تطلّبت إختراق هامّة غالبا أن يميّز عندما ثابتة خاصّة بعديّة, مثل التسارع واجبة إلى جاذبيّة, يمكن كنت تطلّبت. سيقود إخفاق أن يتضمّن موافقة متغيّرة أو ثابتة بعديّة إلى نتيجة غيرصحيح. لسوء الحظّ, ب هناك لاشيء إين ث نتثر وف الرياضيات من تحليل بعديّة أن يقول الممتهنة أنّ متغير حاسمة يتلقّى يكون أغفلت.
في قسم 2 يتناقش نحن الأسس رياضيّة من تحليل بعديّة. في قسم 3 يقدّم نحن مجموعة التمرين عمليّ في جبر خطيّة, أيّ يكون اقترحت بما أنّ مساعدة أن يفهم المنطقيّة من الورقة: الحاجة من تمييز واضحة بين نتيجات رياضيّة بصفاء وافتراضات طبيعيّة. إين فكت, تضمّنت الجوابات من هذا تمرين عمليّ في ال حل نوعيّة من المشاكل طبيعيّة يتناقش في قسم 4. كرّست قسم 5 إلى يستنتج ملاحظات.
2. بعديّة تحليل وإستمرار مبدأ
مثّلت الأبعاد من كميات طبيعيّة بمتجهات في تجريديّة فينيت-ديمنسونل خطيّة متجهة فراغ, يحال ك ال بعد فراغ. في مشنيكس البعد يتلقّى فراغ أساس من ثلاثة عناصر: طول ل, م شاملة, وقت ت.. يتطلّب الإمتداد إلى كهرمغنطيسية أساس من أربعة عناصر (ل, م, ت, تيار كهربائيّة إي). أخيرا, يطلب الإمتداد إلى فنومنوم حراريّة خمسة عنصر أساس: (ل, م, ت, أنا, أبسلوت تمبرتثر ). فور ينستنس, في الخطيّة متجهة فراغ ال مشنيكس, يجبر الكميات طول, كتلة, وقت, كثافة, سرعة, تسارع, قوة, لزوجة و إلستيك ثابتة مثّلت بالمتجهات (1,0,0), (0,1,0), (0,0,1), (- 3,1,0), (1,0, - 1), (1,0, - 2), (1,1, - 2), (1,0, - 1), و(0,1, - 2) على التّوالي.
ال مبدأ من تجانسية بعديّة يفيد (بده) أنّ في أيّ معادلة شرعيّة طبيعيّة الأبعاد من كلّ عبارات أيّ يكون أضفت أو طرحت ينبغي كنت ال نفس.
المشكلة يشير وصف أنّ كمية طبيعيّة إكس (المجهولة) عمل من أخرى كميات (المعطيات):
. (2.1)
يسمحنا ال بده أن يدرس عمل من قليل من حجات:
, (2.2)
حيث منتوج عديم بعد بين إكس (يعزّز في القوة أولى) وبعض من المعطيات, و مجموعة كاملة من منتوجات مستقلّة عديم بعد بين المعطيات بنفسي. واحدة يتلقّى (بوكينغم نظرية): من-ر, حيث ر يكون الرتبة من المادّة ترابط يشكّل بالأسّ بعديّة من المعطيات.
جوهريّا, بوكينغم نظرية النظرية تالي من جبر خطيّة: إن الرتبة من المادّة ترابط , يصحب مع الن متجهات ر
Translation - English MATHEMATICS OF DIMENSIONAL ANALYSIS AND PROBLEM SOLVING IN PHYSICS
Decio Pescetti, Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Italy
1. Introduction
As is well known, the qualitative methods, based on the application of the principles of dimensional homogeneity, continuity and symmetry, offer the opportunity for a truly fertile analysis of the physical systems prior to their complete mathematical or experimental study [1-3]. In problem solving, the qualitative methods enable us to deduce useful information about the dependence of a physical quantity (the unknown) on other relevant quantities (the data) [4-8].
The complete description of a real physical system would require a great number of parameters. We must select and take into account the important quantities and ignore those which have relatively small effects. A given physical quantity is expressed by a number followed by the corresponding unit of measurement. The radius of the Hearth is , but it is also ; from this point of view it has no meaning to speak of big or small numbers. The order of magnitude of the relative effect, on the value of a specified unknown X, of a neglected quantity can be expressed by proper dimensionless products (pure numbers) of the system’s characteristics. For instance, consider a damped simple harmonic oscillator. A body of mass m is acted on by an elastic restoring force F=-kx, where x is the deplacement from the equilibrium position and k is the force constant. What is the effect, on the period , of a viscous damping force, , where r is a constant. As already remarked, to speak of small or big value of r has no meaning; a given damping constant of value, for instance, , has also the value . As is well known, such an effect is expressed by the dimensionless product , whose physical meaning is: the ratio between the maximum value of the damping force and the maximum value of the elastic restoring force.
We show that the origin of the information, on the problem’s solution, obtained by the qualitative methods, is made more transparent by making a clear distinction between the mathematical dimensional analysis results and the phenomenological assumptions and laws of nature relating such results to the physical world. Obviously, wrong phenomenological assumptions plus correct mathematical dimensional analysis will lead to erroneous results, as discussed in the comment to example 4 of section 4.
Let us remark that the examples of dimensional analysis given in introductory physics textbooks are likely to be misleading. The reader may be left with the impression that dimensional analysis is a routine procedure. The practice of dimensional analysis requires a great deal of insight and experience. For instance, such insight enters in a crucial way into the initial selection of variables to be included in the analysis. Often considerable penetration is required to recognize when a particular dimensional constant, such as the acceleration due to gravity, may be required. Failure to include a relevant variable or dimensional constant will lead to an incorrect result. Unfortunately, there is nothing in the nature of the mathematics of dimensional analysis to tell the practitioner that a crucial variable has been omitted.
In section 2 we discuss the mathematical bases of dimensional analysis. In section 3 we present a set of exercises in linear algebra, which are proposed as an help to understand the rational of the paper: the necessity of a clear distinction between purely mathematical results and physical assumptions. In fact, the answers of such exercises are involved in the qualitative solution of the physical problems discussed in section 4. Section 5 is devoted to concluding remarks.
2. Dimensional analysis and continuity principle
The dimensions of physical quantities are represented by vectors in an abstract finite-dimensional linear vector space, referred to as the dimension space. In Mechanics the dimension space has a basis of three elements: length L, mass M, time T. The extension to electromagnetism requires a basis of four elements (L, M, T, electrical current I). Finally, the extension to thermal phenomena demands a five element basis: (L, M, T, I, absolute temperature ). For instance, in the linear vector space of mechanics, the quantities length, mass, time, density, velocity, acceleration, force, viscosity and elastic force constant are represented by the vectors (1,0,0), (0,1,0), (0,0,1), (-3,1,0), (1,0,-1), (1,0,-2), (1,1,-2), (1,0,-1), and (0,1,-2) respectively.
The principle of dimensional homogeneity (PDH) states that in any legitimate physical equation the dimensions of all terms which are added or subtracted must be the same.
The problem description indicates that a physical quantity X (the unknown) is a function of other quantities (the data):
. (2.1)
The PDH allows us to study a function of fewer arguments:
, (2.2)
where is a dimensionless product between X (elevated at the first power) and some of the data, and are a complete set of independent dimensionless products between the data themselves. One has (Buckingham’s theorem): m=n-r, where r is the rank of the matrix formed by the dimensional exponents of the data.
Substantially, the Buckingham theorem is the following theorem of linear algebra: if the rank of the matrix , associated with the n vectors is r
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Institute of Technology, Bachelor of Science, Biomaterials Engineering
Yale
University, Masters, Environmental Sciences
Université
de Liège, International Human Rights Law/Computer Information Systems
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FAMILIAR WITH:
English,
Latin, French, German, Spanish, Arabic, American Sign Language
COMPUTER
SKILLS:
MACINTOSH
AND PC:
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Perfect, Microsoft Word/Excel/Access/PowerPoint/Outlook/Publisher, File Maker
Pro, SASI, SAP, MS-DOS, Paradox, C, C+, C++, Adobe Photoshop, SQL Server, My SQL, Oracle, Visual Basic, Linux, Java,
JavaScript, HTML, Word Press, MathCAD, MatLAB, STATISTICA,
CAT Tools
OmegaT, WordFast, Fluency Now, MateCAT, SmartCat
TYPING/KEYBOARDING
SPEED
100wpm/0
errors
TEN-KEY/ALPHANUMERIC
DATA ENTRY SPEED:
6000
kph
INTERNET
BROWSERS FAMILIAR WITH:
Internet
Explorer, Netscape, Firefox, Safari, Google Chrome, Opera
PROFESSIONAL
ORGANISATIONS:
Math Without Borders
Teachers
Without Borders
Scientists
Without Borders
Physicists Without Borders
Lawyers
Without Borders
Translators
Without Borders/Traducteurs Sans Frontières
Work
Experience:
2013 – present:
Job description: Translator - Translators Without
Borders/Traducteurs Sans Frontières
Providing
vital information to people in need, in their language. As a volunteer
translator with TWB, using your skills and expertise to ensure people have
access to vital information in a language they understand, bridging the
language gap so that information is available in the right language, for people
who need it most.
The Alumni Schools Committee is a network of alumni who share a passion for
Yale and conduct interviews on behalf of Undergraduate Admissions with the
goals of: 1. Providing crucial information about applicants to Yale so that the
admissions committee can make better decisions as it shapes the freshman class;
and 2. Establishing a Yale presence that educates the local applicants and
community about Yale’s unique opportunities, values, and character. In many
cases, the interview may be the only time the applicants have direct contact
with a Yale community member. As a result, the interview can be an influential
moment for the applicant, even beyond the application process. This interaction
with applicants can illuminate the University’s strengths and ethos, and for
admitted students, it may contribute significantly to their choosing Yale over
other attractive options.
Duration : ongoing
May 2011 – September 2015:
Job Description:
Contract Interpreter – One Call Care & Hannah Interpreting Services
Facilitated effective communication between Limited English Proficient
patients and their health care providers utilizing consecutive, simultaneous
and site translation modes. Liaison in
the hearing procedures at California Unemployment Insurance Appeals between the
Administrative Law Judges and non-English speakers seeking unemployment and/or
disability benefits. Assisted
investigators in the fact-finding process and investigative audits pertaining
to Worker’s Compensation claims and frauds.
Collaborated in groups and individual presentations of various company
benefit health care proposals to their non-English-speaking staff members. Solely and successfully supported an injured
worker with her full medical team in a rigorous eight-week pain management
recovery program.
November 2007-March 2011
Job Description:
Statistical Management and Database Administration – Safety & Quality
Plus, Inc.
Monitored participation in multi-million dollar insurance program covering
70+ contracted projects with 200+ contracts.
Administered database tracking work performed, compiled status reports
detailing required compliance, communicated with companies to secure correct
documentation, catalogued information and managed record system to facilitate
document retrieval.
September 2005 – September 2007
Job Description: Transcription/Typist – Maritz Research/Bank of America
account
Transcribed and translated/transcribed answers to survey questions in
English and French. Utilized correct spelling, grammar and punctuation
correcting for mistakes in the audio along the way.
April 2003 – June 2005
Job Description: Hardware/Software Support Administrator – First Merit Bank
Maintained list of hardware and software standards. Approved all requisitions to ensure current
standards were followed. Checked in,
received and ensured accuracy of all equipment ordered. Scheduled installations of hardware and
software. Provided phone support for
users with hardware and software questions.
Prepared weekly and monthly service quality standard reports.
June 2000 – February 2003
Job Description: Systems Financial Analyst – Quest
Professional support position for IT systems implementations across several
business units in the Local Network Organization as a member of the Program
Realization Team (PRT). Applied excellent written and oral communication skills
and utilized customer service experience working with end-users. Provided
leadership and financial analyst support to the program staff during all phases
of enhancements and implementations. Performed financial analysis and
evaluation throughout all phases of the project to ensure optimal business case
development, business case validity, financial stability of the project,
timelines met and achievement of business required return on investments.
Expertise