Analyse des données, statistiques et probabilités physics.data-an

Le climat ressemble à un orchestre sans chef : chaque musicien entend les autres avec un décalage, et la partition change en plein concert. L'océan, l'atmosphère, la glace et la terre échangent continuellement de l'énergie, et le moindre accroc dans un instrument peut faire basculer toute la mélodie.

Un peintre qui représente l'océan ne se limite pas à deux couleurs : le chaud et le froid. De même, les climatologues qui étudient El Niño parlent de plus en plus de toute une palette de nuances. El Niño est un courant chaud au large du Pérou qui, tous les quelques années, modifie le temps à l'échelle de la planète. Son opposé, La Niña, apporte le froid.

Chaque saison des ouragans dans l'Atlantique ressemble à un jeu de dés où le nombre de points obtenus dépend de trois grandes forces climatiques : El Niño, la température de l'océan dans le « berceau des ouragans » et l'oscillation nord-atlantique.

Sur une balançoire, on peut s'asseoir et se balancer, ou simplement basculer d'un côté à l'autre. L'océan Pacifique fait les deux. Tous les quelques années, l'eau chaude au large du Pérou cède la place à de l'eau froide, et les précipitations, les vents, des écosystèmes entiers sur la moitié de la planète se réorganisent.

Le parapente, le deltaplane et le planeur : trois ailes différentes, mais dans le ciel, ils se comportent de la même manière. Les pilotes attrapent des courants d'air chaud invisibles, montent avec eux, puis glissent vers le suivant. Ce vol ressemble à une partie de marelle : un saut vers le haut, puis une glissade vers l'avant, et encore une recherche d'endroit pour sauter.

Le plateau tibétain est une éponge géante qui absorbe la pluie et la neige, puis restitue l'eau aux fleuves d'Asie. Depuis 2000, cette éponge devient de plus en plus humide. Les scientifiques ont voulu vérifier : cette humidité rend-elle l'éponge plus résistante ou, au contraire, la ramollit-elle ? Ils ont utilisé une mesure du désordre : l'entropie.

Un groupe de personnes cherche un objet perdu dans un grand parc. Certains se fatiguent et partent, d'autres se joignent en chemin. Le nombre de chercheurs ne cesse de changer. Comment cela affecte-t-il le temps de recherche ? Jusqu'à présent, la science n'avait pas de réponse claire. Dans une nouvelle étude, un modèle général de ce processus a été construit.

Dans le détecteur du Grand collisionneur de hadrons, après chaque collision de protons, il reste des milliers de points — les traces des particules qui s'éloignent. Un réseau de neurones a appris à voir des motifs dans cette configuration et à prédire ce qui s'est passé au moment de l'impact.

Un réseau de neurones, initialement entraîné à séparer les véritables ondes gravitationnelles des interférences dans le détecteur d'ondes gravitationnelles, reconnaît sans réapprentissage l'usure des roulements à billes à partir des vibrations.

Pour distinguer une protéine d'une autre, il faut décrire sa forme et sa composition. Ces descriptions sont des dizaines : longueur de la molécule, charge, solubilité. Mais elles ne sont pas toutes aussi utiles. La méthode appelée Differentiable Information Imbalance (DII) sait sélectionner les caractéristiques les plus informatives, en éliminant les superflues.

On peut comparer un réseau de neurones à une résidence où chaque locataire dispose de sa propre chambre. En général, chaque signal dans les données occupe un neurone distinct, et l'apprentissage se fait séquentiellement : d'abord un signal, puis un autre. C'est lent et cela dépend des données rencontrées.

Des milliers de modèles mijotent dans un même chaudron, et la vapeur qui s'en élève est épaisse, opaque. Chacun murmure quelque chose à propos du futur El Niño, mais dans ce brouhaha, impossible de distinguer qui dit vrai et qui s'échauffe.

En août 2017, les détecteurs d'ondes gravitationnelles ont capté un signal provenant de la fusion de deux étoiles à neutrons – des résidus ultra-denses d'étoiles explosées. Au même moment, la vie quotidienne suivait son cours sur Terre : les avions atterrissaient, les voitures roulaient, et les navigateurs calculaient des itinéraires.

La lumière d'une étoile lointaine, après avoir traversé l'air et les lentilles du télescope, perd de sa netteté — comme si l'on regardait un lampadaire à travers une vitre mouillée. Les astronomes appellent ce flou « l'empreinte digitale » du télescope : chaque instrument a la sienne, et il faut la connaître dans les moindres détails.

Sur une plaque de silicium de la taille d'une assiette, on peut placer non pas une seule substance, mais toute une carte de milliers de compositions différentes. Un laser arrache des atomes de cibles et les dépose en couches minces, en faisant varier les proportions d'un point à l'autre.

Un panneau solaire sur un toit produit peu de courant le matin, beaucoup à midi, et se tait la nuit. Le vent ne souffle pas non plus au hasard : il est souvent plus fort le matin et le soir que le jour. Les gestionnaires du réseau ont besoin de savoir à l'avance combien d'énergie sera disponible dans une heure ou trois, afin de démarrer les centrales de secours à temps ou de stocker l'électricité dans des batteries.

Un ordinateur classique, lorsqu'il cherche une loi de la nature à partir de données, tente de deviner une formule complète d'un seul coup. C'est comme si un cuisinier, sans connaître la recette, jetait tous les ingrédients dans la casserole en espérant obtenir une soupe.

Dans une mine sombre sous les Alpes italiennes, une cuve contient trois tonnes de xénon liquide. Lorsqu'une particule y pénètre, elle arrache aux atomes de faibles flashs de lumière et des nuages d'électrons.

Le ciel nocturne semble immobile, mais de nombreuses étoiles tremblent comme une peau de tambour après un coup. Le satellite TESS a observé les mêmes régions du ciel pendant sept années consécutives et a capté ce frémissement chez 19 151 géantes rouges — de vieilles étoiles gonflées.

Un réseau de neurones entraîné sur des collisions de protons et d'électrons a transféré ses compétences à une expérience totalement différente : la capture de neutrinos. Comme un cuisinier qui aurait appris la cuisine française puis, sans préparation, réussirait un excellent plov ouzbek.

Un album contenant des centaines de photos de famille renferme de nombreuses histoires. Si l'on examine chaque cliché séparément, on pourrait facilement croire que l'oncle est un véritable géant : ce jour-là, il se tenait sur une marche plus haute que les autres. Mais en feuilletant tout l'album, on comprend vite que sa taille est tout à fait ordinaire, c'est juste que la marche apparaît sur quelques photos.

De minuscules aimants sur un réseau — le modèle d'Ising classique — décrivent généralement comment les voisins s'influencent mutuellement. Mais que se passe-t-il lorsque le système est étroitement surveillé ? Chaque mesure de l'énergie de liaison est comme un regard qui force les aimants à « se décider » sur leur état.

La symphonie joue, mais une note fausse, à peine perceptible, s'est glissée dans la partition. C'est à peu près ainsi que les physiciens recherchent des écarts par rapport à la relativité générale dans les « sons » de l'Univers — les ondes gravitationnelles issues de la fusion de trous noirs.

Deux boules lourdes tournent à la surface d'un étang. Des cercles s'en échappent — ce sont les ondes gravitationnelles. Lorsque les boules se rapprochent, les ondes emportent de l'énergie, et les cercles deviennent plus fréquents.

Le tomographe à rayons X rappelle le menuisier qui examine une bûche sous tous les angles pour voir où se trouve le vide à l'intérieur. Il prend des dizaines de clichés-plans, en tournant la source et le détecteur autour de l'objet. Ensuite, un programme « assembleur » recolle ces ombres en un modèle volumétrique.

En 1867, James Clerk Maxwell a proposé une image qui intrigue encore les physiciens. Deux compartiments remplis de gaz sont séparés par une porte. Les molécules s'agitent de façon chaotique : rapides et lentes. Un minuscule portier n'ouvre la porte que devant les molécules rapides, les laissant passer d'un côté, et les lentes de l'autre.

Un spectre, c'est un peu comme une photographie de la structure interne d'une substance, prise avec de la lumière. Lorsque le faisceau traverse l'échantillon ou s'y réfléchit, les molécules laissent sur ce cliché des bandes sombres caractéristiques : les pics. Mais si la photo est surexposée ou voilée de gris, distinguer les détails devient presque impossible.

La flamme d'une bougie dans un courant d'air danse : tantôt elle flamboie, tantôt elle menace de s'éteindre. C'est à peu près ce que font les quasars — des trous noirs supermassifs au centre de galaxies lointaines, entourés d'un disque incandescent de matière qui tombe.

Un diapason produit un son pur, mais si on le frappe trop fort, il se met à vibrer de façon parasite, et le musicien pourrait prendre ce parasite pour de la complexité du son.

Deux jumeaux entrent dans une pièce par des portes différentes. Chacun reçoit une boîte avec un bouton — et chaque fois qu'ils appuient sur le bouton, une ampoule rouge ou verte s'allume. Si les jumeaux sont absolument identiques, on peut s'attendre à ce que leurs ampoules s'allument selon les mêmes règles internes.

Un microscope ordinaire est impuissant lorsqu'il s'agit d'observer un virus isolé dans les moindres détails. Trop petit. Mais il existe un instrument qui émet des éclairs des milliards de fois plus brillants que la lumière du soleil — le laser à rayons X à électrons libres.

Dans une salle de conférence, l'interprète s'efforce de traduire le discours de l'orateur, mais l'ambiance est bruyante : quelqu'un tousse, les chaises grincent, la rue gronde derrière la fenêtre. Si l'orateur baisse la voix, l'interprète continue de traduire, mais sa voix se noie dans le bruit.

Les modèles statistiques sont une tentative de tendre une toile mathématique idéale sur le paysage accidenté des données. Lorsque le modèle résiste, il émet une tension, mais nous avons pris l'habitude de l'ignorer. Les chercheurs passent des heures à scruter les graphiques de résidus, essayant de deviner où le modèle « craque ». Squealer traduit cette résistance en son.

Chaque mois, les satellites mesurent la température et l'humidité au-dessus de différentes régions du globe. En 24 ans, des milliers de paires de mesures se sont accumulées. En général, température et humidité évoluent de concert : quand il fait plus chaud, l'air absorbe plus d'eau ; quand il fait plus froid, il en libère.

Jetez une poignée de sable sur une table : les grains se dispersent également dans toutes les directions. Mais si un aimant est caché sous la table et que le sable est ferreux, les trajectoires deviennent plus subtiles : une structure invisible à l'œil se superpose au chaos. C'est à peu près ainsi que fonctionne le mouvement des molécules à l'intérieur d'une cellule vivante.

Lorsque deux noyaux lourds se percutent à une vitesse énorme, ils n'entrent pas en collision comme des boules de billard : seule une partie de leur matière entre en contact. Combien de nucléons (protons et neutrons) participent réellement à la collision, et combien passent à côté, on ne le sait pas à l'avance.