PHYSIQUEPhysique et informatique

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La révolution informatique est de nature technologique. Les physiciens sont associés à toutes les étapes de son développement. Les technologies incorporées dans les premiers ordinateurs avaient été inventées pour les besoins de la recherche en physique nucléaire. Le convertisseur analogue-digital, les systèmes de stockage de l'information ou les premiers modules digitaux furent développés pour des systèmes de mesures dédiés. Sans rappeler la liste des contributions clés des physiciens dans les domaines de l'électronique, des transistors et des circuits intégrés, il est évident que les progrès de la physique du solide sous-tendent la miniaturisation constante des microprocesseurs. La physique atomique joue un rôle croissant au fur et à mesure que les limites quantiques sont approchées.

Corollairement, la modélisation numérique des problèmes de physique induit de nombreux développements dans l'architecture des ordinateurs. Le calculateur vectoriel a été conçu par Cray spécifiquement pour la simulation numérique. La physique nucléaire et la physique des particules ont contribué au développement initial des systèmes graphiques. Les besoins de la physique des hautes énergies concernant le traitement du signal observé dans les accélérateurs de particules sont un aiguillon constant dans le développement du parallélisme.

Les physiciens ont aussi été associés à l'essor des réseaux de communication entre ordinateurs. Les grands projets de recherche ont suscité des collaborations internationales qui ont dû élaborer des protocoles d'échanges de données et de messageries à travers le réseau Internet. Ce dernier s'est d'abord développé comme une interconnexion de nombreux réseaux académiques à travers le monde. Cependant, l'expansion du réseau Internet ne s'est produite qu'après l'invention d'un protocole hypertexte, qui permet d'échanger les informations de manière interactive. Remarquons que la vitesse de la lumière, la taille de la Terre et le temps de réaction du cerveau humain s'accordent précisément pour permettre cette interactivité à l'échelle planétaire. Cette innovation fut produite au Cern, le Laboratoire européen pour la physique des particules de Genève, pour répondre aux exigences de partage d'information en temps réel des centaines de collaborateurs impliqués dans chaque expérience de physique des hautes énergies. D'autres physiciens proposèrent alors la création de banques d'archivage sous forme électronique des prépublications scientifiques pour les rendre instantanément, et gratuitement, consultables en ligne. Ce moyen de dissémination de l'information scientifique fut très vite adopté par l'ensemble des chercheurs. Ce bouleversement ne fait que préfigurer ceux que provoque la mondialisation du réseau Internet.

Réciproquement, les avancées technologiques changent la nature des problèmes abordés avec les ordinateurs par les physiciens. Les ordinateurs aidèrent d'abord à la conception des armes atomiques. Ils furent ensuite utilisés pour la prévision météorologique et dans la conception aérodynamique. Progressivement, ils ont envahi une myriade de domaines scientifiques et il est maintenant difficile d'en trouver un qui ne soit pas touché par la modélisation numérique. Mentionnons aussi la généralisation de l'utilisation des programmes de calcul symbolique dont le développement est devenu une branche des mathématiques. Les changements peuvent être radicaux quand certains seuils de puissance de calcul sont franchis. La puissance des ordinateurs est devenue telle qu'il est possible de simuler des systèmes physiques de manière très semblable à une approche expérimentale. Si bien que, dans beaucoup d'applications, la simulation numérique va de pair avec la théorie et l'expérience. Nous allons d'abord exposer la raison d'être de cette branche de la physique qu'est la modélisation numérique. Nous expliquerons ensuite pourquoi l'architecture parallèle est bien adaptée aux problèmes physiques. Puis nous décrirons certains des algorithmes parmi les plus utilisés. Enfin nous présenterons, à titre d'exemple, quelques applications à des problèmes scientifiques tels que les écoulements turbulents, la structure de l'Univers ou la nature des particules subatomiques.

Modélisation numérique

La physique est, depuis Galilée, caractérisée par la conjonction de trois modes de recherche sur la nature. L'approche théorique est un processus de modélisation par lequel on décrit les concepts au moyen d'équations mathématiques. L'approche analytique s'efforce de dériver des conséquences de ces équations soit rigoureusement par des théorèmes, soit approximativement en général par une méthode perturbatrice. Enfin, on cherche à vérifier ces prédictions par l'observation ou l'expérience.

Le succès de la physique repose d'abord sur la découverte de lois fondamentales dans la nature sans lesquelles la généralisation de la méthode scientifique n'aurait jamais été possible. Les lois des interactions fortes, électromagnétiques et gravitationnelles ont des échelles caractéristiques de temps (ou de distance) très différentes. Ces différences expliquent, dans une certaine mesure, la relative simplicité des lois fondamentales de la physique. Par exemple, les lois de la gravitation et les lois de la mécanique quantique n'ont pu être découvertes que parce que les atomes ou les planètes apparaissent, à des échelles plus grandes, comme des objets ponctuels.

Inversement, la séparation des échelles contrôle la stabilité des structures d'équilibre qui se forment au niveau inférieur vis-à-vis des perturbations causées par les processus du niveau supérieur. En particulier, l'émergence de structures chimiques ou biologiques sur les planètes n'aurait pu se produire sans un ajustement relativement fin des forces fondamentales. Dans le langage des physiciens, on dit que le couplage de deux interactions est d'autant plus faible que leur hiérarchie est grande. L'étude des réponses d'un état d'équilibre à de faibles perturbations (approximation linéaire) a été l'un des principaux outils d'analyse théorique des phénomènes en science physique.

Cependant, la simplicité est l'exception et la structure d'échelle de l'Univers est globalement très complexe. Bien des systèmes physiques sont en fait caractérisés par plusieurs processus dominants dont les échelles ne diffèrent pas de plus d'un ou deux ordres de grandeur. Parfois, on peut trouver des structures cohérentes stationnaires ou suffisamment stables pour leur appliquer les techniques de linéarisation. Mais la nature par essence non linéaire de tels problèmes a toujours limité leur compréhension à des temps très courts par rapport à leurs échelles caractéristiques. La plupart de ce [...]

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Pour citer l’article

Claude ROIESNEL, « PHYSIQUE - Physique et informatique », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 27 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/physique-physique-et-informatique/