Introduction à la physique numérique

La physique numérique

La physique numérique est une spécialité à la croisée de la physique théorique et de la physique expérimentale. Dans les grandes lignes, l’expérimentateur fait une manip pour mettre en évidence un phénomène et obtient des résultats de mesures. Le théoricien propose une théorie et le modèle qui convient pour tenter de prédire les résultats expérimentaux. Le numéricien transforme le modèle en code informatique puis l'exécute sur un ordinateur pour obtenir des résultats simulés que le théoricien pourra comparer à ses prévisions théoriques.

La physique numérique peut se définir par l'intersection de plusieurs sciences : la physique, l'informatique et les mathématiques, comme illustré ci-dessous:

PN intersection sciences

ou encore par celle de plusieurs activités : l'expérimentation, la modélisation et le calcul (vous me pardonnerez l'anglicisme, c'est pour la rime !) :

PN intersection activités

Mais bien souvent, le modèle proposé est trop simpliste pour prédire avec exactitude les résultats obtenus (et je ne parle pas des incertitudes expérimentales). En effet, pour bâtir son modèle, le théoricien a été conduit à faire des simplifications afin de proposer un modèle qui ait une solution analytique. Or ces simplifications peuvent être sources d'erreurs ou d'incompréhension… C'était souvent le cas lorsque les physiciens faisaient leurs calculs à la main : la préoccupation principale et compréhensible était de réduire la quantité de calculs !
Avec l'apparition des ordinateurs et les progrès liés de l'analyse numérique, cette préoccupation se résolue : on inventa la physique numérique. Il n'est plus nécessaire de chercher à linéariser une équation ou à en réduire le nombre de variables, mais plutôt de trouver le bon schéma de calcul (l'algorithme) pour résoudre le problème dans un temps de calcul acceptable.

Plus généralement, la physique numérique permet:

Voilà, très très schématiquement, ce qu’est la physique numérique. Sa pratique nécessite:

Les objectifs de TangenteX

Le nom de mon site est un hommage à l'Ecole Polytechnique, qui produisit une foule de physiciens et d'ingénieurs que vous rencontrerez au fil des pages. Les anciens auront reconnu le célèbre accessoire de l'uniforme...
L'X accueillit et accueille toujours des professeurs de physique exceptionnels de J.Fourier hier à JL Basdevant aujourd'hui. J'ai une reconnaissance particulière pour les amphis de physique quantique de ce dernier.

Les objectifs de ce site sont simples :

Pour aborder ces différents points, je me baserai sur le niveau d'un élève de TS en math et en physique. Mais je n'hésiterai pas à me servir d'outils et de concepts abordés en licence ou en prépa.

Mes outils de physique numérique

Mon ordinateur

Je travaille indifféremment sur plusieurs ordinateurs : un Dell Dimension 9200 sous Linux/Ubuntu (fréquemment), un Dell Latitude I7 sous Windows (rarement) et un MacBook Pro I5 sur MacOS High Sierra (le plus souvent). En fait, pour faire les expériences que je vous propose, n'importe quel ordinateur courant convient. Il suffit qu'il soit doté d'au moins 4 Go de mémoire (8 Go sont préférables), de 2 Go de disque libre (pour installer les outils), et d'un écran 1024*768 minimum, de 13 pouces et plus.

Le choix de l'OS

Tous les outils et les programmes que j'écris sont utilisables sous Windows, MacOS ou Linux. Je travaille essentiellement sous macOS et Ubuntu.

Les logiciels

Tous les logiciels que j'utilise sont LIBRES et GRATUITS pour un usage non commercial, sauf Maple ! Merci à la communauté scientifique ! Ce sont:

Vous pouvez les télécharger librement aux adresses indiquées. Ils disposent tous d'un site d'assistance et d'une multitude de forums (pour la plupart..).
Les débuts de TangenteX.com étaient essentiellement consacrés au FORTRAN et au C, il y a déjà 10 ans ! Aujourd'hui, je travaille le plus souvent en Python pour suivre l'évolution des pratiques dans les labos mais aussi dans les classes prépa et les licences. En C, les outils ont changés, je n'utilise plus DevCpp mais Code::Blocks qui est aussi un IDE libre et gratuit, bien plus performant.

Les livres de référence

Je cite dans mes pages quelques livres de référence en physique numérique (computational physics en anglais):

Vous trouverez tous ces ouvrages dans votre librairie habituelle ou, à défaut, sur Amazon.


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