La controverse sur l’Electron Band Structure du germanium
(pages.cs.wisc.edu)La structure de bande des électrons allemands
- Résumé : l’affirmation selon laquelle la résistivité des électrons allemands varie exponentiellement avec la température est fausse. Une modélisation théorique et des expériences ont permis de constater que l’équipement et la documentation associée étaient défaillants.
Introduction
- Les électrons allemands sont confinés dans des bandes d’énergie bien définies, et il existe entre ces bandes une « zone interdite » dépourvue de porteurs de charge. Lorsque la température augmente, les électrons passent d’une bande d’énergie non conductrice à une bande conductrice, provoquant une variation de la résistivité. Cette relation apparaît de façon exponentielle sur une certaine plage de températures.
Procédure expérimentale
- Le cristal allemand le moins endommagé a été sélectionné, puis des fils ont été soudés sur le cristal. La soudure était très difficile, et l’équipement du laboratoire ne fonctionnait pas correctement. Il a finalement fallu aller chercher un meilleur équipement dans un autre laboratoire. Pour contrôler la température, le cristal a été fixé à une tige de cuivre, avec une extrémité de la tige reliée à une bobine chauffante et l’autre plongée dans un thermos rempli d’azote liquide. Au milieu de l’expérience, le thermos a commencé à fuir.
Résultats
- Ces données ont été collectées directement sur deux semaines. Il a été impossible d’y trouver une dépendance exponentielle. Une courbe exponentielle a été tracée sur les données, et un programme informatique complexe a été utilisé pour améliorer l’ajustement.
Conclusion
- Le choix d’étudier la physique a été la plus grande erreur de toute une vie. Il aurait fallu étudier l’informatique.
1 commentaires
Avis sur Hacker News
L’un des souvenirs les plus marquants qui me restent de l’enseignement scientifique est une expérience de mesure de l’accélération de la pesanteur en cours de physique au lycée.
Il fallait faire rouler une balle depuis une table de classe, puis lancer le chronomètre d’une montre-bracelet des années 1990 au moment où la balle tombait et l’arrêter quand elle touchait le sol ; avec les boutons de ce genre de montre, il était difficile d’espérer une précision inférieure à la seconde.
Sans surprise, les données étaient catastrophiques, et avec des barres d’erreur correctement estimées on allait jusqu’à inclure zéro, voire des valeurs négatives ; mais comme mon calcul donnait environ 6,8 m/s^2, je l’ai rendu tel quel et j’ai eu une note éliminatoire.
Au final, dès l’école primaire, on apprend qu’on n’est pas évalué sur le fait d’avoir « rapporté honnêtement ce qu’on a observé en faisant de son mieux », mais sur le fait d’avoir produit le résultat attendu par le correcteur ; et à mon avis, cette structure ne disparaît pas vraiment, jusqu’aux postes de professeur.
Bien sûr, il existe d’excellents enseignants qui valorisent beaucoup les mauvaises réponses honnêtes, mais c’est une autre question de savoir combien d’années cet idéalisme tient ensuite.
Il fallait terminer une expérience pour pouvoir passer à la suivante, et si l’on ne validait pas l’expérience, on échouait au cours quelle que soit la note.
Lors de la deuxième ou troisième expérience, il fallait mesurer la réponse d’un transistor en boîtier DIP-8 fourni, mais quoi que je fasse, je n’obtenais aucune sortie linéaire ; l’assistant de labo soutenait que cela ne pouvait être qu’un problème de câblage ou de schéma, certainement pas de matériel.
Ce n’est qu’après 8 semaines sur les 10 du cours qu’on a découvert que ce DIP n’était pas un transistor, mais un timer 555 qui s’était retrouvé mélangé aux autres composants ; j’ai reçu une nouvelle pièce, mais il était presque impossible de terminer 8 semaines d’expériences dans les 2 semaines restantes.
Le professeur m’a conseillé d’abandonner le cours puis de le reprendre, mais comme cela aurait affecté mon calendrier de diplôme, j’ai finalement accepté un C- avec des notes de labo horribles mais suffisantes pour valider, et on a fait comme si de rien n’était.
Comme l’espace de réponse était insuffisant, j’ai continué dans la marge ; l’enseignant a d’abord marqué la réponse fausse, puis juste, puis de nouveau fausse, et lors d’un entretien avec mes parents, il a reconnu que la définition elle-même était correcte, mais qu’il avait compté faux l’explication supplémentaire parce qu’elle l’avait « mis en colère ».
Il y cite le cas des mesures de la charge de l’électron après l’expérience de la goutte d’huile de Millikan : au début, les valeurs restaient proches de celle de Millikan, puis se sont progressivement rapprochées de la valeur réelle, parce que lorsqu’on obtenait une valeur beaucoup plus grande que celle de Millikan, on supposait qu’il y avait un problème et on en cherchait la cause, tandis qu’on était moins soupçonneux avec une valeur proche.
Feynman disait qu’on avait désormais appris cette leçon et qu’on ne souffrait plus de cette maladie, mais j’ai du mal à être d’accord à 100 % avec cette dernière phrase.
https://calteches.library.caltech.edu/51/2/CargoCult.htm
Cet épisode a longtemps brisé mon intérêt pour la physique, et jusqu’à l’université je me suis plutôt concentré sur la biologie.
Le problème était que l’enseignant n’avait pas clairement indiqué que le critère d’évaluation n’était ni la méthode expérimentale ni la précision, mais uniquement l’exactitude ; ma méthode était précise mais inexacte, tandis que la méthode standard était exacte mais imprécise.
Comme c’était ma première année après un changement d’école, je ne savais sans doute pas non plus que la culture de cet établissement n’évaluait pas la créativité de la manière à laquelle j’étais habitué.
Il s’agissait de mesurer la constante adiabatique d’un gaz pour l’air ; à l’époque, il y avait tellement de travaux à rendre que beaucoup d’étudiants avaient simplement rédigé le rapport et fourni la valeur du manuel, ce qui avait été considéré comme faux.
En fait, l’assistant avait versé de l’alcool au fond d’une sombre bouteille de mesure en verre pour saboter l’expérience ; si l’on faisait réellement l’expérience, on obtenait donc la constante de « l’air mélangé à pas mal de vapeur d’alcool », une valeur différente de celle du manuel.
Cette valeur « fausse » était justement la seule preuve que l’expérience avait été faite correctement.
J’ai lu cet article en entrant à l’université en 1999, et je l’avais trouvé rafraîchissant parce qu’il donnait l’impression qu’un étudiant montrait à quoi ressemblait réellement, sur le terrain, la vie de premier cycle dans une institution mondialement célèbre.
La dernière phrase s’est aussi révélée prophétique, et l’auteur a finalement bifurqué vers l’informatique, jusqu’à obtenir un doctorat à l’University of Wisconsin at Madison.
https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/
C’était la chose la plus drôle que j’aie lue à l’époque, et je suis content qu’il semble bien s’en sortir aujourd’hui.
Il y a un peu plus de vingt ans, j’étais assistant pour un cours de fabrication de semi-conducteurs.
Mon rôle consistait surtout à inculquer aux étudiants la peur de ne jamais baisser la garde en manipulant du HF, mais vers la fin il y avait aussi une étape où l’on balayait réellement la tension pour mesurer les caractéristiques d’un transistor.
Bien sûr, seulement dans les cas où ils avaient effectivement fabriqué un transistor ; certains avaient en réalité fabriqué une résistance inutilement compliquée.
Nous avions fait circuler ce texte entre assistants et l’avions trouvé vraiment hilarant.
Le passage disant que « comme l’ajustement a été fait avec un programme informatique complexe, cela augmente la légitimité apparente ; je crois comprendre que le quark top a été découvert par le même procédé » est drôle, mais aussi plus courant qu’on ne le pense.
Dans mon domaine, la physique de la matière condensée ultrarapide, il arrivait souvent qu’on rationalise des données pleines de bruit au moyen d’un « ajustement de courbe », et il était fréquent de ne pas montrer les résidus ni les tests de qualité d’ajustement.
J’ai pas mal essayé de réorienter mes centres de recherche de la vision par ordinateur vers les calculs DFT en chimie quantique, mais aujourd’hui je trouve frustrant qu’il y ait autant de travail non public dans ce domaine.
Les articles semblent tout dire, sauf la méthode permettant de reproduire les résultats avec un effort minimal, ce qui donne l’impression qu’on cache quelque chose.
Les graphiques sont souvent faits avec
Originet les articles rédigés dans MS Word ; aucun des deux n’étant sous licence libre, cela rend la collaboration et la reproductibilité encore plus difficiles.J’ai travaillé dans un domaine voisin et tout le monde le faisait ouvertement ; comme les équipes se disputent les financements, elles craignaient qu’en publiant leurs recettes, d’autres groupes avancent plus vite qu’elles.
Écrire qu’on a fait des calculs DFT est facile, mais quiconque a déjà réalisé ce genre de simulations ou de calculs sait que la mise en œuvre est très délicate et demande beaucoup de code ainsi que de savoir-faire numérique.
Sans accès détaillé aux algorithmes, je pense qu’il est extrêmement difficile de reproduire les résultats.
J’étais aussi chargé de rédiger la documentation pour l’enseigner aux gens du labo, mais on m’a dit de ne pas la publier, parce qu’un autre groupe pourrait reprendre la méthode et aller plus vite avec davantage d’argent et de ressources de calcul.
C’est plutôt un problème culturel et, d’après mon expérience, plus un groupe de recherche est ancien, moins il est susceptible de publier ses logiciels de recherche.
Du côté des simulations fondées sur le deep learning, netket est un bon exemple de logiciel ouvert, et son chercheur est aussi assez actif dans l’écosystème GitHub/GitLab/Hugging Face.
Récemment encore, j’ai voulu tracer un graphique avec un axe x interrompu, l’un des besoins de base en sciences physiques, et il a fallu pas mal de bidouilles dans matplotlib.
Que l’outil soit open source ou non m’importe peu, tant que la science qui en sort est correcte.
Manipuler les échantillons est déjà assez fatigant ; j’aimerais donc minimiser le stress côté logiciel de tracé.
Il faut un sens assez particulier pour prendre ce court texte non pas comme une fiction, mais comme une vérité et une blague mordante sur la physique en général.
C’est honnête et beau, et j’imagine que l’expérience à la frontière de l’expérimentation ressemble vraiment à ça.
Reproduire d’anciennes découvertes avec des équipements modernes est facile, mais il faut imaginer ce que cela a dû être pour ceux qui ont découvert cette propriété du germanium pour la première fois.
Les outils et les sondes ne peuvent pas progresser beaucoup plus vite que la compréhension du domaine concerné, et nous continuons à inventer et bricoler des outils à partir des connaissances scientifiques les plus avancées.
On passe forcément par ce genre de période.
Ces dernières semaines, je me bats avec une expérience au sale caractère : les résultats sont reproductibles, mais ils n’ont aucun sens, et ce n’est même pas un domaine où l’on pourrait découvrir par hasard une nouvelle physique.
Fait amusant, il a fini par se reconvertir en informatique.
D’après son CV, il a obtenu un doctorat en informatique à l’University of Wisconsin, Madison en novembre 2004, un master en mai 2001, et une licence de physique à Stanford University en juin 1999.
https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/cv.html
Il semble ensuite avoir travaillé cinq ans chez IL&M, puis travailler chez Google depuis 14 ans.
Au final, il a vraiment fini par gagner beaucoup d’argent : https://www.linkedin.com/in/lucas-kovar-185a3531/
Ce texte semble dater de 2000.
En tout cas, la Wayback Machine en conserve une copie à l’adresse https://web.archive.org/web/20001031193257/http://www.cs.wisc.edu/~kovar/hall.html
Il a finalement obtenu un doctorat en informatique et, d’après LinkedIn, il semble maintenant être Staff SWE chez Google.
On dirait bien qu’il a fini par toucher le jackpot.
L’auteur a obtenu sa licence de physique à Stanford à ce moment-là : https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/cv.html
J’aimerais connaître les coulisses de ce texte.
Je me demande quelle note il a reçue, ou s’il a écrit ça pour se défouler après avoir totalement décroché du cours avant de le mettre sur sa page web ; et je me demande aussi si ce projet a réellement été l’élément décisif qui l’a fait passer à l’informatique.
https://pages.cs.wisc.edu/~kovar/bio.html
Ce n’est pas très important, mais les en-têtes HTTP de la page contenaient une valeur Last-Modified assez impressionnante.
Sun, 26 May 2002 22:33:04 GMTLa structure du code HTML correspond aussi parfaitement à cette époque.
Le texte est drôle, mais il faut bien que quelqu’un le dise :
la structure de bandes et la théorie des solides font partie des plus beaux domaines de la physique, et le fait qu’elles aient complètement transformé la société que nous connaissons est presque secondaire :)