Discussion et Conclusion
1. Chambre de Wilson
L'observation directe utilisant une chambre de Wilson a été importante car elle nous a permis de voir les trajectoires des particules individuelles avec nos propres yeux, et elle nous a donné une "sensation intuitive" pour la trajectoire naturelle des particules radioactives. Cependant, la limitation clé est que le montage expérimental est difficile à manipuler. Des recherches supplémentaires pourraient être faites avec une chambre plus volumineuse et des sources radioactives et des aimants plus puissants pour voir si l'on peut observer l'effet du champ magnétique, mais aussi pour développer une application numérique qui analyserait des images d'une vidéo pour effectuer des mesures de particules individuelles et calculer l'effet du champ magnétique sur ces derniers, et ensuite compiler les données pour en tirer des tendances.
2. "Canon à particules" et compteur Geiger
L'observation indirecte par moyen d'un canon à particules et d'un compteur Geiger a produit des résultats plus précis sur un temps prolongé. La mesure de l'activité radioactive avec le compteur Geiger a fourni une "moyenne" du chemin préféré de nombreuses particules au lieu de certaines particules isolées. Des preuves évidentes ont été obtenues montrant qu'un champ magnétique produit des changements dans la trajectoire des particules utilisant l'analyse de courbes de tendances, mais les données ont quand même été imprécises et difficiles à visualiser pour des buts de conception. Dû à la nature imprévisible de la désintégration de particules et à la diffusion d'électrons, nous avons seulement pu estimer les trajectoires exactes des particules.
3. Modèle numérique
Un modèle numérique développé selon des lois connues de la physique et basé sur de nombreuses années d'expérimentations a été utilisé pour simuler de façon plus précise les effets d'une grande variété de champs magnétiques sur un grand nombre de trajectoires de particules différentes. Les résultats des simulations numériques ont été facilement répliqués, infiniment versatiles, et le temps de reproduction a été extrêmement rapide comparé aux expériences physiques. Les simulations ont produit des visualisations précises, ce qui est un avantage très utile au moment de la conception de déflecteurs magnétiques pour des vaisseaux spatiaux.
Cependant, la validité des simulations numériques repose sur la validité des algorithmes sur lesquelles elles sont basées. Par exemple, le modèle numérique est basé sur la physique classique et l'utilisateur donne la masse, la charge, la position initiale, et la vitesse de la particule pour générer une simulation. Puisque les rayons cosmiques se déplacent presque à la vitesse de la lumière, ils pourraient avoir une masse infinie ou bien une masse nulle, et les lois de la physique classique ne s'appliqueraient peut-être plus, donc notre modèle devrait peut-être être remis à jour avec des algorithmes différents – mais ceci est en dehors de l'étendue de notre projet de recherche et ces types d'objections concernant la validité des algorithmes ou des suppositions d'une simulation numérique pourraient aussi bien être appliqués aux expériences physiques en laboratoire. Par exemple, puisque les expériences de la chambre à brouillard et du canon à particules n'ont pas été faites dans le vide, comment pouvons-nous savoir si les particules radioactives se comportent de la même façon dans l'espace.
Nous avons besoin de davantage de recherche pour continuer à tester et à améliorer la sophistication du modèle en incorporant encore des données théoriques et expérimentales. La simulation numérique a été partagée en "open source" via GitHub comme une invitation aux autres scientifiques à la modifier et à la mettre à jour.
L'observation directe utilisant une chambre de Wilson a été importante car elle nous a permis de voir les trajectoires des particules individuelles avec nos propres yeux, et elle nous a donné une "sensation intuitive" pour la trajectoire naturelle des particules radioactives. Cependant, la limitation clé est que le montage expérimental est difficile à manipuler. Des recherches supplémentaires pourraient être faites avec une chambre plus volumineuse et des sources radioactives et des aimants plus puissants pour voir si l'on peut observer l'effet du champ magnétique, mais aussi pour développer une application numérique qui analyserait des images d'une vidéo pour effectuer des mesures de particules individuelles et calculer l'effet du champ magnétique sur ces derniers, et ensuite compiler les données pour en tirer des tendances.
2. "Canon à particules" et compteur Geiger
L'observation indirecte par moyen d'un canon à particules et d'un compteur Geiger a produit des résultats plus précis sur un temps prolongé. La mesure de l'activité radioactive avec le compteur Geiger a fourni une "moyenne" du chemin préféré de nombreuses particules au lieu de certaines particules isolées. Des preuves évidentes ont été obtenues montrant qu'un champ magnétique produit des changements dans la trajectoire des particules utilisant l'analyse de courbes de tendances, mais les données ont quand même été imprécises et difficiles à visualiser pour des buts de conception. Dû à la nature imprévisible de la désintégration de particules et à la diffusion d'électrons, nous avons seulement pu estimer les trajectoires exactes des particules.
3. Modèle numérique
Un modèle numérique développé selon des lois connues de la physique et basé sur de nombreuses années d'expérimentations a été utilisé pour simuler de façon plus précise les effets d'une grande variété de champs magnétiques sur un grand nombre de trajectoires de particules différentes. Les résultats des simulations numériques ont été facilement répliqués, infiniment versatiles, et le temps de reproduction a été extrêmement rapide comparé aux expériences physiques. Les simulations ont produit des visualisations précises, ce qui est un avantage très utile au moment de la conception de déflecteurs magnétiques pour des vaisseaux spatiaux.
Cependant, la validité des simulations numériques repose sur la validité des algorithmes sur lesquelles elles sont basées. Par exemple, le modèle numérique est basé sur la physique classique et l'utilisateur donne la masse, la charge, la position initiale, et la vitesse de la particule pour générer une simulation. Puisque les rayons cosmiques se déplacent presque à la vitesse de la lumière, ils pourraient avoir une masse infinie ou bien une masse nulle, et les lois de la physique classique ne s'appliqueraient peut-être plus, donc notre modèle devrait peut-être être remis à jour avec des algorithmes différents – mais ceci est en dehors de l'étendue de notre projet de recherche et ces types d'objections concernant la validité des algorithmes ou des suppositions d'une simulation numérique pourraient aussi bien être appliqués aux expériences physiques en laboratoire. Par exemple, puisque les expériences de la chambre à brouillard et du canon à particules n'ont pas été faites dans le vide, comment pouvons-nous savoir si les particules radioactives se comportent de la même façon dans l'espace.
Nous avons besoin de davantage de recherche pour continuer à tester et à améliorer la sophistication du modèle en incorporant encore des données théoriques et expérimentales. La simulation numérique a été partagée en "open source" via GitHub comme une invitation aux autres scientifiques à la modifier et à la mettre à jour.
Bilan
En conclusion, avons-nous répondu aux questions suivantes?
Mais, les trois méthodes que nous avons utilisées ont-elles fournies des connaissances de valeur pour répondre au problème de recherche désormais plus strictement défini:
La chambre à brouillard a démontré la trajectoire naturelle de particules individuelles grâce à l'observation directe.
Le "canon à particules" et le compteur Geiger ont fourni des indications de la trajectoire préférée de beaucoup de particules et des preuves évidentes qu'un champ magnétique peut être employé pour changer les trajectoires des particules chargées.
Les simulations numériques ont montré comment un modèle basé sur des lois théoriques connues peut produire la visualisation précise des effets de différents types de champs magnétiques sur les trajectoires de différents types de particules dans de différentes configurations.
Les simulations sur ordinateur sont aussi facilement reproductibles et peuvent être partagées sous format source libre pour encourager l'innovation et la collaboration avec les autres.
Avec davantage d'expérimentations et de simulations utilisant les trois méthodes, dans le futur, nous avons confiance qu'il est possible de conceptualiser des déflecteurs magnétiques que des vaisseaux spatiaux pourraient utiliser pour se protéger des particules radioactives émanant des rayons cosmiques!
- "Les vaisseaux spatiaux pourraient-ils bénéficier de déflecteurs magnétiques pour se protéger des rayons cosmiques?" Non.
Mais, les trois méthodes que nous avons utilisées ont-elles fournies des connaissances de valeur pour répondre au problème de recherche désormais plus strictement défini:
- "Quels effets un champ magnétique a-t-il sur la trajectoire des particules chargées?" Oui.
La chambre à brouillard a démontré la trajectoire naturelle de particules individuelles grâce à l'observation directe.
Le "canon à particules" et le compteur Geiger ont fourni des indications de la trajectoire préférée de beaucoup de particules et des preuves évidentes qu'un champ magnétique peut être employé pour changer les trajectoires des particules chargées.
Les simulations numériques ont montré comment un modèle basé sur des lois théoriques connues peut produire la visualisation précise des effets de différents types de champs magnétiques sur les trajectoires de différents types de particules dans de différentes configurations.
Les simulations sur ordinateur sont aussi facilement reproductibles et peuvent être partagées sous format source libre pour encourager l'innovation et la collaboration avec les autres.
Avec davantage d'expérimentations et de simulations utilisant les trois méthodes, dans le futur, nous avons confiance qu'il est possible de conceptualiser des déflecteurs magnétiques que des vaisseaux spatiaux pourraient utiliser pour se protéger des particules radioactives émanant des rayons cosmiques!
Expériences et Simulation
Même si ni l’expérimentation physique, ni la simulation sur ordinateur ont produit une réponse conclusive à la problématique originale, utiliser une combinaison des deux donne déjà une impression plus claire de si oui ou non des déflecteurs magnétiques pourraient être utilisés pour protéger les vaisseaux spatiaux des rayons cosmiques. Les expériences physiques ont montré que la trajectoire naturelle des particules chargées est une ligne droite et qu’il y a quelques indications qu’un champ magnétique peut provoquer des changements dans leur trajectoire. Une fois que la capacité des champs magnétiques de provoquer des déviations dans la trajectoire des particules chargées a été vérifiée, des simulations sur ordinateur basées sur les lois déjà prouvées pourraient aider à visualiser ce phénomène et à explorer comment différentes variables peuvent être manipulées pour simuler une variété de situations (champs magnétiques uniformes ou d’un dipôle, électrique, magnétique, électromagnétique) et des configurations de faisceaux de particules (horizontale, verticale, forme carrée).
Eric Winsberg, professeur à l’Université de la Floride du sud et auteur de “Science in the Age of Computer Simulation” a examiné les différences épistémologiques entre l’expérimentation et la simulation et a conclu “simulations involve complex inferences as they move from theory to data and they certainly generate knowledge. It is a mistake to think of them as simply tools for unlocking hidden empirical content”, ce qui veut donc dire qu’il valorise largement l’utilisation de simulations non seulement pour prouver des faits déjà connus ou trouver des connaissances qui peuvent être découvertes par l’expérimentation physique, mais aussi pour obtenir de nouvelles conclusions. Effectivement, la simulation est une nouvelle forme d’expérimentation aussi valable que l’expérimentation classique. Dans ce projet de recherche, alors que les expériences physiques ont confirmé l’existence de particules et ont fourni des indications avec rapport aux effets des champs magnétiques sur leur trajectoire, des simulations numériques basées sur et utilisant des principes simples mais puissantes et prouvés et des algorithmes ont fourni les résultats les plus précis et réplicables. Cependant, comme dans toute expérience, la validité et la sophistication du programme est une fonction de la validité et de la sophistication des données, comme l’a démontré la précision supérieure fournie par la méthode Runge-Kutta contre la méthode d'Euler pour résoudre des équations différentielles ordinaires.
Des simulations numériques très élaborées ont été réalisées par des étudiants d'’université (“Simulations of Magnetic Shields for Spacecraft” Sheperd et al.) pour montrer que les déflecteurs magnétiques pourraient, en théorie, être capables de bloquer les rayons cosmiques dangeureux portés par le vent solaire.Ils ont même trouver qu'elle est la meilleure forme du champ magnétique pour protéger un vaisseau spatial: champ magnétique toroïdal. Les résultats de notre projet de recherche montrent que même en utilisant des ressources communément disponibles dans des laboratoires de sciences de lycée et des ordinateurs ordinaires et de la programmation basique, les problèmes que les lycéens peuvent explorer ne sont limités que par leur imagination.
Eric Winsberg, professeur à l’Université de la Floride du sud et auteur de “Science in the Age of Computer Simulation” a examiné les différences épistémologiques entre l’expérimentation et la simulation et a conclu “simulations involve complex inferences as they move from theory to data and they certainly generate knowledge. It is a mistake to think of them as simply tools for unlocking hidden empirical content”, ce qui veut donc dire qu’il valorise largement l’utilisation de simulations non seulement pour prouver des faits déjà connus ou trouver des connaissances qui peuvent être découvertes par l’expérimentation physique, mais aussi pour obtenir de nouvelles conclusions. Effectivement, la simulation est une nouvelle forme d’expérimentation aussi valable que l’expérimentation classique. Dans ce projet de recherche, alors que les expériences physiques ont confirmé l’existence de particules et ont fourni des indications avec rapport aux effets des champs magnétiques sur leur trajectoire, des simulations numériques basées sur et utilisant des principes simples mais puissantes et prouvés et des algorithmes ont fourni les résultats les plus précis et réplicables. Cependant, comme dans toute expérience, la validité et la sophistication du programme est une fonction de la validité et de la sophistication des données, comme l’a démontré la précision supérieure fournie par la méthode Runge-Kutta contre la méthode d'Euler pour résoudre des équations différentielles ordinaires.
Des simulations numériques très élaborées ont été réalisées par des étudiants d'’université (“Simulations of Magnetic Shields for Spacecraft” Sheperd et al.) pour montrer que les déflecteurs magnétiques pourraient, en théorie, être capables de bloquer les rayons cosmiques dangeureux portés par le vent solaire.Ils ont même trouver qu'elle est la meilleure forme du champ magnétique pour protéger un vaisseau spatial: champ magnétique toroïdal. Les résultats de notre projet de recherche montrent que même en utilisant des ressources communément disponibles dans des laboratoires de sciences de lycée et des ordinateurs ordinaires et de la programmation basique, les problèmes que les lycéens peuvent explorer ne sont limités que par leur imagination.