Interview de Arnd Leike, IG Nobel de physique

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[ENGLISH VERSION BELOW]

 

«Nobel» ce nom à une sonorité particulière dans l’oreille de chacun d’entre nous, il évoque un accomplissement, une reconnaissance, un aboutissement.

Et dans la communauté scientifique, c’est surtout un Graal, un passeport à visas illimités.

 

A tel point que depuis une vingtaine d’années, un prix parodique à été créé : les IG Nobel.

IG nobel, pour la similarité de prononciation avec ignoble, non pas que les recherches le soient, loin de là d’ailleurs, elles sont surtout plutôt drôles et en apparence inutiles.

La définition, selon le site officiel des IG Nobel, est ainsi la suivante :

 

«Les prix Ig Nobel couronnent des prouesses qui font rire les gens au premier abord, et les font ensuite réfléchir. Ces prix ont pour but de rendre hommage à l’originalité et d’honorer l’imagination — ainsi que d’attiser l’intérêt des gens pour la science, la médecine et la technologie»

 

Mais voilà, les lauréats de ce prix ne sont pas aussi médiatisés que les nobélisés, et c’est pourquoi nous sommes parti à leur rencontre.

Docteur en Physique, Arnd Leike, un allemand, s’est vu décerner l’IG Nobel de physique en 2002 pour son article sur la démonstration de la décroissance exponentielle de la mousse de Bière.

Voici son interview :

 

Quelles ont été vos études ?

J’ai étudié la physique à la Ludwig Maximilians University (ndlr : une université Munichoise) 

 

Quelles étaient vos recherches au moment de la publication de l’article ?

Au moment où j’ai écris cet article, je travaillais dans le domaine de la physique des hautes énergies. Je faisais surtout de la physique théorique, mais je travaillais conjointement avec mes collègues de physique expérimentale. Nous essayions de comprendre ce que l’on peut apprendre de données expérimentales sur différentes hypothèses de physique des particules.

 

Et actuellement ?

J’ai quitté l’université il y 9 ans et je travaille depuis dans le secteur des énergies renouvelables.

 

Pouvez vous me parler un peu de cet article ?

Les lois exponentielles apparaissent dans des cas où la quantité de réactif que qui disparait pendant un certain temps donné est toujours proportionnelle à la quantité de réactif présente au début.

Nous sommes tous plus ou moins familiers avec ces lois exponentielles.

Un phénomène qui obéit à ces lois exponentielles est celui du refroidissement, comme celui, par exemple, de ma tasse de café.

Il y a énormément d’exemple de phénomènes obéissant à des lois exponentielles, mais ne pourrions malheureusement pas tous les décrire ici.

Par exemple, la décroissance de la mousse de bière est une très bonne visualisation des lois exponentielles car il n’y a absolument pas besoin d’équipements spéciaux pour observer le procédé. De plus, les matériaux sont déjà dans mon réfrigérateur.

Cependant, l’analogie entre la décroissance de la mousse de bière et d’autre processus  beaucoup plus importants, est le point le moins signifiant de cet article.

L’idée la plus importante, et celle que je veux démontrer, est comment les scientifiques testent leurs hypothèses grâce à l’obtention de données expérimentales. Ces méthodes  ont une importance majeure en sciences naturelles comme en sciences appliquées, mais il me semble que l’importance de leur enseignement n’est pas assez souligné.

 

Ainsi en physique des hautes énergies, nous suivons souvent les même méthodes, mais l’acquisition de données expérimentales dure par contre des années !

Cependant, la question finale est la même, pour la bière, comme pour la physique les hautes énergies : c’est de savoir si ces données sont cohérentes avec les hypothèses de départ.

 

Pour démontrer la cohérence des données avec les hypothèses, on utilise le test du Chi2, pouvez vous nous expliquer en quoi il consiste ?

Commençons avec quelque chose de très simple que nous connaissons tous depuis le lycée :

Imaginons que nous voulons mesurer un paramètre unique.

Ca pourrait être, par exemple, mesurer la masse de quelque chose.

Votre procédure pourrait être de répéter plusieurs fois la mesure. En général le résultat pourrait être différents nombres de différentes mesures, dues aux imprécisions et erreurs de mesure et de lecture par exemple.

En faisant ça, nous supposons habituellement que ces mesures suivent une répartition selon distribution Gaussienne (ie : naturelle).

C’est souvent vrai, mais d’un point de vue formel, ça doit être prouvé.

Nous utilisons la variance et l’espérance de nos mesures pour définir un intervalle de confiance, dans lequel notre résultat réel se trouve, avec une probabilité de 95%

Cet intervalle de confiance est symétriquement autour de la moyenne des  multiples mesures ± la variance multipliée par un coefficient.

 

Le test du Chi2 est une généralisation de mesure décrite plus haut. Nous avons besoin de cette méthode si l’information sur le paramètre que nous mesurons est répartie entre plusieurs points de données.

Dans les données de la mousse de bière, la constante expérimentale de décroissance est en fait répartie entre tous les temps de mesure, qui dépendent le la hauteur de la mousse de la bière.

Si la répartition de tous les points suit une distribution gaussienne, alors on peut déterminer l’intervalle de confiance dans lequel se trouve le paramètre que je veux mesurer, c’est à dire la constante de décroissance exponentielle de la bière.

 

Pourquoi est-il si utile de prendre des exemples de la vie de tous les jours pour expliquer des phénomènes scientifiques ?

J’ai eu l’idée d’expliquer la procédure du test des hypothèses dans un article scientifique didactique.

Je pense que cette procédure est très importante, mais elle est très mathématique. J’avais besoin d’un exemple pour intéresser le lecteur et pour rendre les choses plus transparentes.

Si cette exemple de la vie de tous les jours aide à comprendre le procédé du test des hypothèses, alors il a fait un très bon boulot.

 

Pensez vous qu’il soit possible de le répliquer pour des concepts mathématiques plus simples ?

Vous pouvez essayer faire abstractions des mathématiques en lisant mon article, cependant ils sont nécessaires pour avoir une meilleure compréhension et pour comprendre les suppositions que vous faites à chaque étape.

 

Pensez vous qu’un scientifique puisse se passer des mathématiques ?

C’est important que l’on puisse expliquer la science seulement avec des mots, c’est un signe de bonne compréhension.

Un exemple connu est celui d’Albert Einstein, à qui on a demandé de décrire ses résultats sur la relativité générale en une seule phrase.

Selon mon expérience, le chemin pour parvenir à expliquer des phénomènes est surtout pavé de beaucoup de travail (et de beaucoup d’amusement aussi).

Mais j’ai beaucoup de mal à imaginer un physicien qui se passerait de mathématiques.

 

Connaissiez vous les IG Nobel avant de le remporter en physique ?

Oui, et j’adorais cette idée originale.

 

Quelle à été votre réaction à l’annonce de votre nomination pour celui de physique en 2002 ?

Je ne m’y attendais pas du tout, j’étais surtout très content et fier de cette nouvelle.

 

Pensez vous que cet IG Nobel vous ait permis de faire avancer votre carrière scientifique ?

Non, mon article est un résultat de mes années d’enseignement. Je voulais non seulement enseigner la physique à mes étudiants, mais aussi leur transmettre ma passion.

J’ai pris l’IG nobel comme une reconnaissance de mon amour pour la physique.

 

Est ce que votre article pourrait être utile pour les connaisseurs de bière, ou pour l’Oktoberfest ?

Non. Profitez de votre bière sans trop penser aux mathématiques.

 

 

Maxime Borry

 

Cliquer ici pour télécharger l’article

 

 

[VERSION FRANÇAISE AU DESSUS]

 

“Nobel”, this name has a very special meaning in our soul, it means a fulfillment, a recognition, an outcome.

And, in the scientific community, it’s, above all, a Graal, a passport with unlimited visas.

 

So much so, twenty years ago, a parody prize has been created : IG Nobel

IG Nobel for the likely pronunciation with ignoble, not that the awarded research are, but because they often seem funny, and outwardly useless.

The definition, based on the official IG Nobel’s site, is indeed :

“The Ig Nobel Prizes honor achievements that first make people laugh, and then make them think. The prizes are intended to celebrate the unusual, honor the imaginative — and spur people’s interest in science, medicine, and technology.”

But here it is, the laureates are not as mediated as the nobelized are, that’s why we went to Munich to meet one of them.

PhD in Physics, Arnd Leike, a german, was awarded of the physics IG Nobel in 2002 for his article on the exponential decay of beer froth.

Here is his interview :

 

What were your studies ?

I studied physics.

 

What were your research about, when you published this article ?

During the time I wrote my IgNobel paper, I worked in the field of High Energy Physics. I was employed as a theoretical physicist but I worked closely together with experimental physicists. We tried to understand what one can learn from the experimental data about different hypotheses in particle physics.

An today ?

I left the university about 9 years ago. Today, I work in the area of renewable energies.

 

Can you tell me a little bit about this article ?

Exponential laws appear in cases where the amount of some substance, which disappears in a certain time, is always proportional to the amount of substance, which is available at the beginning.

We are all familiar with exponential laws.

A famous example is the cooling process, for example of my coffee mug.

The decay of beer foam gives a nice visualization of the exponential law because no special devices are needed to observe the process. Furthermore, the material is readily available.

However, the indication to the analogy between the decay of beer foam and other important processes is only the less important point of my paper.

My main point is much more serious.

I want to demonstrate how scientists test hypotheses with the help of experimental data. These methods are of major importance in natural sciences as well as in applied sciences.

It seems to me that the teaching of these methods is by far not as much emphasized as it should be.

I met similar problems many times in high energy physics. Unfortunately, it takes years to get the experimental data in this case.

 

The final question for the high energy physics as for the beer is to know if the datas are consistent, or not, with our hypothesis.

 

 

What is the Khi2 test ?

Let’s start with something simple that we all know since high school.

Imagine we want to measure a unique parameter.

It could be, for example, to measure the mass of a piece of an apple.

 

Your process could be to repeat the measurement several times.

You should have different results of the different measurements due to errors of reading, or errors of measurement.

In doing that, we usually assume that the measurements are Gaussian distributed.

This is often reasonable but, strongly speaking, must be proven.

 

We use the variance and the mathematical expectation of our measures to define a confidence interval, which, with a probability of 95%, includes our real result.

This confidence interval is symmetrically around the average of the multiples measures ± the variance multiplied by a coefficient.

 

 

The Chi2 test is a generalization of the measures described above.

We need this method if the information of the parameter we want to measure is distributed among several data points.

In the beer froth experiment, the experimental beer froth decay constant is distributed among all the measurements times, which depend on height of the beer foam.

If the distribution is Gaussian, we can the define the confidence interval which includes the parameter we want to measure, ie the exponential decay constant

 

 

Why is it so useful to take real life example to explain science ?

I had the idea to explain the procedure of hypothesis test in a didactical paper. I believe that this tprocedure is very important but it contains much math. I needed an example to get the reader interested and to make things more transparent. After the IgNobel award, this topic could be even discussed on parties… If his real life example helps the general understanding of the hypothesis test, then it has done a very good job.

 

Can you imagine doing it again for easier mathematics concepts ?

You can try to let out the math in your reading of my paper. However, the math is needed to get a deeper understanding and to understand what assumptions you make at every step.

 

Do you think a modern scientist can make his way bypassing mathematics ?

It is important that one can explain the essence of a science in words only. This is a sign of deeper understanding.
One famous example is the answer of Albert Einstein, who was asked to describe the result of his general relativity in one sentence.
To my experience, the path to come to deep insights consists of much work (and of much fun). For a physicist, I can hardly imagine this work without mathematics.

 

 

 

Did you know the IGnobels before ?

Yes, I knew the price and I loved the original ideas.

 

What was your reaction when you discovered you won the Physic IGnobel ?

I didn’t expect that at all. I was very happy and also proud about these news.

 

How was the ceremonial ?

Great.

 

Do you think the IGnobel improved your reputation as scientist ?

No. My paper came as a result of teaching. I always wanted to teach my students not only physics but also my love to physics. I understand my IgNobel price also as an award to my love to physics.

 

Do you think that the results of your article could be useful for Beer-drinkers, specially during the Oktoberfest ?

No. Enjoy your beer without too much thinking about math.

 

 

Maxime Borry

 

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