S’étendant dans l’espace et le temps, le domaine de la physique théorique peut sembler écrasant, voire impénétrable pour les jeunes chercheurs. Perimeter Scholars International (PSI), un programme de maîtrise axé sur la physique théorique, est offert par l’Institut Périmètre en partenariat avec l’Université de Waterloo. Il est conçu pour offrir aux étudiants une base structurée et complète, tout en leur permettant d’explorer des domaines d’intérêt plus spécifiques — le tout en un an seulement.
Créé en 2009, le programme PSI s’est rapidement imposé comme une référence mondiale pour les aspirants théoriciens. Il a formé plus de 400 diplômés issus de 75 pays, qui ont depuis apporté des contributions importantes à la physique et dans bien d’autres domaines.
Un facteur essentiel du succès du programme : la qualité exceptionnelle de ses enseignants, qui conçoivent et donnent des cours rigoureux et ambitieux. Parmi eux, Ruth Gregory et François David font partie de l’équipe depuis les débuts en 2009, et ont contribué à façonner les cours qui ont inspiré 15 cohortes de jeunes physiciennes et physiciens théoriciens.
Apprendre auprès des experts
Au PSI, les étudiants ont la chance unique d’apprendre directement auprès des créateurs des théories qu’ils étudient. Ruth Gregory, directrice du département de physique du King’s College London, enseigne un cours sur la gravitation au PSI depuis 2009. Elle est notamment reconnue pour l’instabilité de Gregory–Laflamme des cordes noires et des branes en dimensions supérieures. Ses contributions à la physique lui ont valu plusieurs distinctions prestigieuses, dont la médaille Maxwell en 2006 et le Royal Society Wolfson Merit Research Award en 2011.
Son cours, Revue de la physique gravitationnelle, s’appuie sur les connaissances des étudiants en relativité générale, en revisitant les concepts fondamentaux tout en introduisant des notions plus avancées.
« L’objectif est de fournir aux étudiants une trousse d’outils de base — les outils mathématiques essentiels et les concepts théoriques clés — qu’ils pourront utiliser qu’ils s’orientent vers l’astrophysique, la relativité numérique, la gravité quantique ou l’information quantique, » explique Gregory.
Le cours est structuré en trois volets : les principes fondamentaux, les sujets avancés (dont les dimensions supplémentaires et la thermodynamique des trous noirs), ainsi que des exercices orientés vers la recherche qui permettent aux étudiants d’explorer les développements les plus récents en physique gravitationnelle.
François David, autre professeur de longue date du programme PSI, a consacré sa carrière aux croisements entre physique mathématique, théorie quantique des champs et mécanique statistique. En reconnaissance de ses contributions à la recherche française et à son domaine, il a reçu la Médaille de bronze du CNRS en 1983, le Prix Ampère de l’Académie des sciences en 1994, ainsi que la Médaille de physique de cette même académie en 2023. Il a dirigé l’Institut de physique théorique de Saclay, en France, de 2017 jusqu’à sa retraite en 2021.
Aujourd’hui chercheur émérite au CNRS, François David reste actif en recherche et en enseignement. Il explore notamment comment la gravité quantique pourrait fonctionner dans un univers hypothétique où le temps se comporte normalement, mais où il n’existe qu’une seule dimension spatiale.
« C’est un genre de modèle jouet, très éloigné de l’univers réel dans lequel l’espace a trois dimensions, » explique-t-il. « Les physiciens théoriciens aiment ces modèles jouets, car ils permettent d’isoler un point très spécifique — et ces points spécifiques peuvent ensuite se révéler très pertinents pour notre propre univers. »
David donne un cours central du programme PSI sur la théorie quantique des champs, Quantum Field Theory II, qui prend le relais des cours d’introduction en offrant une compréhension plus approfondie et technique des champs quantiques en physique des hautes énergies. Il y aborde des idées développées entre les années 1940 et 1970 — et au-delà — qui ont façonné la physique théorique moderne et le Modèle standard de la physique des particules.
« Ce cours est plutôt technique, » souligne-t-il. « Il faut apprendre beaucoup d’outils avant de pouvoir vraiment comprendre ce qui se passe en théorie quantique des champs. Si un étudiant ne maîtrise pas ces outils, il ne peut pas faire de vraie physique des hautes énergies. »
Après les cours, les étudiants participent à des séances de résolution de problèmes dirigées par des Fellows expérimentés du PSI, afin d’approfondir leur compréhension et de démontrer leur maîtrise de la matière. Au lieu d’examens traditionnels notés, les évaluations se font par le biais d’entrevues et de projets.
« C’est difficile de noter la créativité et l’ingéniosité, » ajoute David, en précisant que le système d’évaluation du PSI détourne l’attention des simples notes pour recentrer les étudiants sur la compréhension et l’exploration des sujets abordés.
Inspirer la prochaine génération
Ruth Gregory et François David enseignent au programme PSI depuis sa création en 2009. David se souvient d’une conversation qu’il a eue au tout début avec Neil Turok, alors directeur de l’Institut Périmètre, au cours de laquelle il lui avait demandé ce que l’on attendait de lui comme professeur. « Bien sûr, nous avons échangé sur les sujets techniques à aborder, mais sa principale recommandation a été : inspire les étudiants, » raconte David. « C’était un très bon conseil — pas très précis, comme à son habitude — mais un bon conseil. »
Et de toute évidence, ces cours inspirent bel et bien les étudiants, comme en témoigne la récente rencontre des diplômés organisée en juillet 2024 pour souligner le 15ᵉ anniversaire du programme PSI. L’événement a mis en lumière la diversité des parcours empruntés par les anciens : recherche universitaire, recherche appliquée, mais aussi carrières dans des secteurs comme la science des données, l’intelligence artificielle, la physique expérimentale et l’informatique quantique.
Ruth Gregory, consciente que certains étudiants feront carrière dans l’industrie, s’efforce de montrer comment les outils mathématiques enseignés peuvent aussi s’appliquer au-delà de la théorie. « Il existe tellement de façons de trouver un sens à sa vie, » dit-elle. « La recherche et la résolution de problèmes ne sont pas limitées au milieu universitaire. Je pense qu’il devrait y avoir une continuité — de l’exploration académique à la conception de solutions concrètes. Les étudiants qui choisissent l’industrie emportent avec eux leur curiosité, leur créativité et leurs compétences en résolution de problèmes — ce qui les mène aux quatre coins du monde. Ce serait dommage de garder tout cela pour nous. »
Un environnement d’apprentissage soudé
L’un des éléments distinctifs des programmes de l’Institut Périmètre est l’environnement intime et collaboratif où la recherche, les études et la vie quotidienne sont étroitement liés. Les étudiants du PSI vivent et étudient ensemble en petites cohortes, ce qui favorise la collaboration et tisse des liens solides entre pairs et avec le corps professoral.
Pour Gregory, cette proximité mène souvent à des discussions sur l’avenir des étudiants, sur des sujets théoriques — voire à des collaborations en recherche. Il y a quelques années, lors d’une retraite d’hiver du PSI au Camp Kintail, en Ontario, une promenade le long du lac Huron a déclenché une conversation spontanée avec un étudiant… qui a mené à une avancée en chimie des trous noirs.
« On discutait d’expressions liées à la thermodynamique des trous noirs, et tout s’est mis en place, » se souvient-elle. « On a fait le cœur du calcul ce soir-là. Ce genre de moment est rare, mais quand ça arrive, c’est vraiment magique. »
Le programme PSI se distingue non seulement par l’accès qu’il offre à des scientifiques de renommée mondiale dotés d’une expertise incomparable, mais aussi par l’engagement profond de ses professeurs à former la prochaine génération de penseurs et de chercheurs.
« C’est vraiment gratifiant d’enseigner à ces cohortes de jeunes, et j’ai été surpris de revoir un grand nombre d’entre eux au fil de leur parcours professionnel, » confie Gregory. « L’enseignement et le mentorat ont toujours occupé une grande place dans ma carrière ; c’est une joie, et une partie très enrichissante du rôle académique. »
« C’était une formidable expérience de me voir offrir cette opportunité d’enseigner, et d’y revenir année après année, » ajoute David. « Enseigner au PSI est l’un des moments forts de ma vie de scientifique. »
Learn more about the PSI program here.
À propos de l’IP
L'Institut Périmètre est le plus grand centre de recherche en physique théorique au monde. Fondé en 1999, cet institut indépendant vise à favoriser les percées dans la compréhension fondamentale de notre univers, des plus infimes particules au cosmos tout entier. Les recherches effectuées à l’Institut Périmètre reposent sur l'idée que la science fondamentale fait progresser le savoir humain et catalyse l'innovation, et que la physique théorique d'aujourd'hui est la technologie de demain. Situé dans la région de Waterloo, cet établissement sans but lucratif met de l'avant un partenariat public-privé unique en son genre avec entre autres les gouvernements de l'Ontario et du Canada. Il facilite la recherche de pointe, forme la prochaine génération de pionniers de la science et communique le pouvoir de la physique grâce à des programmes primés d'éducation et de vulgarisation.
