Questions-réponses : Carver Mead a révolutionné les ordinateurs. Peut-il faire la même chose pour la physique ?

Carver Mead n’est pas impressionné par les choses compliquées. Pour lui, le plus grand défi est de prendre un système complexe et de trouver un moyen de le simplifier sans négliger aucune de ses caractéristiques essentielles.

À une époque où les circuits intégrés pour ordinateurs étaient minutieusement peints à la main par des lithographes qualifiés, le pionnier de la microélectronique de Caltech a conçu un plan permettant à quiconque de placer facilement des milliers de transistors sur une seule puce de microcontrôleur. Son innovation du début des années 1970 – appelée intégration à très grande échelle, ou VLSI – lui a récemment valu le prestigieux prix Kyoto 2022.

VLSI a joué un rôle central dans la révolution des semi-conducteurs. Il a alimenté l’augmentation exponentielle du nombre de transistors pouvant être placés sur une puce, réduisant les dispositifs informatiques tout en élargissant leurs capacités.

Après avoir assisté aux mouvements des électrons autour d’une micropuce, Mead s’est intéressé aux lois fondamentales de la physique qui régissent leur mouvement. Il a pris sur lui de reformuler les règles de l’électricité et du magnétisme, qui sont enseignées maintenant telles qu’elles étaient lorsqu’elles ont été proposées par James Clerk Maxwell en 1865.

S’appuyant sur plus d’un siècle d’expériences de physique moderne, Mead a conçu une image plus holistique des phénomènes électromagnétiques. Son approche est basée sur la physique quantique, qui traite les électrons, les photons et les autres éléments constitutifs de la matière comme des ondes et des particules.

Mead a appelé le résultat “l’électrodynamique collective” et a utilisé ce terme comme titre d’un “petit livre vert” sur le sujet qu’il a publié en 2001. Aujourd’hui professeur émérite à Caltech, il continue de travailler sur ce projet et sur d’autres.

Il a parlé au Times de son parcours de la technologie informatique à la physique fondamentale.

Pouvez-vous décrire les bases de l’électrodynamique collective ?

Considérez l’électron comme une onde, avec une fréquence correspondant à son énergie et une longueur d’onde liée à sa quantité de mouvement. Un supraconducteur contient une énorme densité d’électrons, couplés les uns aux autres pour former un état quantique collectif géant appelé le condensat. C’est comme un énorme électron.

Lorsque nous fabriquons un fil à partir d’un supraconducteur, la propagation de l’onde de condensat le long du fil s’appelle le courant électrique et la fréquence de l’onde de condensat s’appelle la tension.

Les composantes de l’électromagnétisme sont donc d’origine quantique.

Alors vous dites que la physique doit faire peau neuve ?

La physique quantique n’était pas connue à l’époque de Maxwell, de sorte que l’origine quantique des interactions électromagnétiques n’était pas visible. Tragiquement, la théorie électromagnétique est encore enseignée à l’ancienne.

Quelle est la plus grande différence entre l’électrodynamique collective et l’approche classique ?

L’importance du potentiel. L’électrotechnique, qui a fait notre monde moderne, est construite sur la notion de potentiel. De nombreux physiciens ne comprennent pas vraiment le potentiel – ils pensent que c’est une astuce mathématique. Mais en fait, c’est un concept très, très profond.

Dans un circuit électrique, le condensat d’électrons dans un fil est comme de l’eau qui coule dans un tuyau. Nous appelons son flux le courant électrique et sa pression est appelée potentiel électrique ou tension.

L’électrodynamique collective offre-t-elle de nouvelles perspectives que vous ne pouvez pas obtenir avec la théorie standard de l’électricité et du magnétisme ?

Pour les trucs standard, vous obtenez la même réponse avec les deux. Mais il y a des choses que mon approche rend plus faciles à expliquer.

Prenons par exemple le flux quantifié. Cela décrit comment quelque chose traverse une région en quantités discrètes. Dans les années 70, les scientifiques ont observé que le flux magnétique autour d’un minuscule beignet de supraconducteur se comportait de cette façon. Si vous en avez plusieurs, vous obtenez un aimant permanent. C’est ce qu’est un aimant permanent – un tas de petites boucles supraconductrices, une dans chaque atome. Et ils sont tous alignés.

En étendant cela à deux aimants, vous pouvez simplement calculer ce qu’ils font l’un avec l’autre et vous obtenez magnifiquement l’énergie. En y pensant comme un système quantique, l’électrodynamique collective vous donne la bonne réponse de manière plus simple que l’approche classique. Et c’est une chose fondamentale profonde que vous pouvez simplement mesurer.

Certains l’ont trouvé très intéressant. Mais avec le recul, le livre n’a pas assez d’explications, donc les gens ont beaucoup de mal à le suivre. Une ou deux fois par an, je reçois un e-mail de quelqu’un qui dit : “Je viens de saisir ce que vous avez dit dans votre petit livre vert, et cela a changé ma vie.” Et puis ce sera silencieux pendant encore un an ou deux.

Prévoyez-vous de l’étendre davantage?

Oui, je travaille dur là-dessus.

Pensez-vous qu’il serait utile de former la prochaine génération de physiciens de cette nouvelle manière holistique ?

Nous développons constamment de nouvelles choses en physique. Disons simplement, à titre indicatif, que nous avons un doublement des connaissances tous les cinq ou dix ans. Après quelques-uns de ceux-ci, il ne sera plus possible d’éduquer les gens, car il y a trop de nouveautés.

Donc, vous n’avez vraiment que deux choix. La première est que vous pouvez simplement devenir de plus en plus étroit, où vous en apprendrez de plus en plus sur de moins en moins jusqu’à ce que vous sachiez tout sur rien. Ou vous pouvez revenir en arrière et réaliser que les nouvelles connaissances que nous avons permettent une manière incroyablement plus profonde de saisir le domaine et ses relations conceptuelles.

Il existe une idée répandue selon laquelle la nouvelle science mène à de nouvelles innovations. Est-ce toujours vrai ?

Ce n’est presque jamais vrai.

La plupart des choses qui se passent ne sont pas du tout dans l’air du temps. C’est ce que les gens deviennent créatifs et essaient, et la plupart ne fonctionnent pas. La plupart des choses que j’ai faites n’ont pas fonctionné, mais parfois j’en ai une qui marche. Et ça fait vraiment du bien !

Sur quels autres types d’innovations travaillez-vous ?

J’ai passé beaucoup de temps à travailler sur l’organisation optimale des systèmes d’information. L’ordinateur programmé général – comme votre ordinateur portable ou un smartphone – que nous utilisons aujourd’hui gaspille énormément ses ressources. Il fait une chose simple, et il utilise beaucoup d’énergie pour faire chaque chose simple.

Nous commençons à développer des façons d’utiliser la technologie du silicium avec des transistors pour imiter les choses que font les cerveaux des animaux. Si vous étudiez le système nerveux des animaux, l’organisation est très différente d’un ordinateur à usage général, et il est extraordinairement économe en énergie – notre cerveau ne prend qu’environ 20 watts pour fonctionner.

Être professeur émérite me donne le temps de réfléchir plus profondément aux choses, de poursuivre des efforts comme le petit livre vert et de m’interroger sur des choses comme ce qui se passe dans le cerveau.

Cette interview a été modifiée pour plus de longueur et de clarté.

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