La troisième loi du mouvement de Newton stipule que pour chaque action, il existe une réaction égale et opposée. La physique de base de la course implique qu’une personne applique une force au sol dans la direction opposée de son sprint.
Pour la senior Olivia Rosenstein, son participation à travers le pays donne un élan à ses études en tant que physicienne expérimentale travaillant avec les matériaux 2D, l’optique et la cosmologie computationnelle.
Un chercheur de premier cycle avec le professeur Richard Fletcher dans son Groupe de matière quantique émergente, elle participe à la construction d’un piège à erbium-lithium pour les études de physique à N corps et de simulation quantique. L’objectif du groupe au cours de l’automne dernier était d’augmenter le nombre d’atomes d’erbium du piège et de diminuer la température des atomes tout en préparant les prochaines étapes de l’expérience.
À cette fin, Rosenstein a contribué à analyser le comportement des champs magnétiques de l’appareil, à réaliser l’imagerie des atomes et à développer une optique infrarouge (IR) pour les futures étapes du refroidissement laser, sur lesquelles le groupe travaille actuellement.
Alors qu’elle termine ses études au MIT, elle considère également sa participation à l’équipe de cross-country du MIT comme la clé pour suivre sa charge de travail universitaire et de recherche.
« La course à pied fait partie intégrante de ma vie », dit-elle. «Cela m’apporte de la joie et de la paix, et je suis beaucoup moins fonctionnel sans cela.»
Premiers pas
Les parents de Rosenstein – professeur d’éducation spécialisée et directeur universitaire des programmes d’éducation mondiale – l’ont encouragée à explorer un large éventail de matières, notamment les mathématiques et les sciences. Son intérêt précoce pour les STEM comprenait la Engineering Outreach Society de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, où les étudiants en ingénierie visitent les écoles primaires locales.
À l’Urbana High School, elle était coureuse de cross-country – capitaine pendant trois ans du cross-country et de l’athlétisme universitaire et cinq fois athlète de l’Illinois All-State – dont l’entraîneur enseignait la biologie de placement avancé. « Il a beaucoup fait pour me faire découvrir les processus physiologiques qui déterminent l’adaptation aérobie et la façon dont les coureurs s’entraînent », se souvient-elle.s.
Ainsi, elle avait tendance à étudier la biologie et la physiologie lorsqu’elle postulait à l’université. Au début, elle n’était pas sûre d’être « assez intelligente » pour le MIT.
«Je pensais que tout le monde au MIT était probablement beaucoup trop stressé, ultracompétitif et noyé sous les psets.» [problem sets], propositions et projets de recherche », dit-elle. Mais une fois qu’elle a eu l’occasion de parler aux étudiants du MIT, elle a changé d’avis.
« Les enfants du MIT travaillent dur, non pas parce qu’on nous y oblige, mais parce que nous sommes impatients de résoudre ce problème persistant de pset, ou parce que nous sommes tellement absorbés par le laboratoire que nous ne remarquons pas qu’une heure supplémentaire s’est écoulée. J’ai appris que les gens consacrent beaucoup de temps à leurs groupes vivants, à leurs équipes de danse, à leurs ensembles musicaux, aux sports, à l’activisme et à toutes les activités intermédiaires. En tant qu’étudiant potentiel, j’ai également eu l’occasion de parler à de futurs coéquipiers de cross-country, et il était clair que les gens ici aiment vraiment passer du temps ensemble.
Attiré par la physique
En première année, elle avait l’intention de suivre le cours 20, mais elle s’est ensuite retrouvée particulièrement engagée dans le cours 8.022 (Physique II : Électricité et magnétisme), enseigné par le professeur Daniel Harlow.
« Je me souviens qu’une fois, il nous a guidé vers une conclusion avec des étapes tout à fait logiques, puis a souligné toutes les incohérences de la théorie et nous a dit que malheureusement, nous aurions besoin de la relativité et d’une physique plus avancée pour l’expliquer, alors nous il faudrait tous suivre ces cours et peut-être quelques cours d’études supérieures et nous pourrions alors revenir satisfaits.
«Je me suis dit: ‘Eh bien, tirez, je suppose que je dois aller à l’école supérieure de physique maintenant.’ À l’époque, c’était surtout une blague, mais il a réussi à éveiller mon intérêt.
Elle a comparé les exigences des cours de bio-ingénierie à celles de physique et a découvert qu’elle était davantage attirée par les cours de physique. De plus, son temps d’apprentissage à distance l’a également poussée vers des activités plus pratiques.
« J’ai réalisé que je suis plus heureux quand au moins une partie de mon travail implique d’avoir quelque chose devant moi. »
L’été de sa deuxième année d’études, elle a travaillé dans le laboratoire du professeur Brian DeMarco à l’Université de l’Illinois, dans sa ville natale d’Urbana.
«Le groupe construisait un appareil informatique quantique à ions piégés, et j’ai pu voir comment les concepts de physique pouvaient être utilisés dans la pratique», se souvient-elle. « J’ai aimé que les expérimentateurs puissent combiner le temps consacré à l’étude de la théorie et le temps passé en laboratoire. »
Elle a ensuite travaillé dans le groupe de Fletcher, un Stage MISTI en France avec la chercheuse Rebeca Ribeiro-Palau laboratoire de matière condenséeet un projet du programme d’opportunités de recherche de premier cycle travaillant sur des projets de cosmologie computationnelle avec le professeur Le groupe de Mark Vogelsberger à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale, examinant l’évolution des galaxies et des halos de matière noire dans des simulations de matière noire à interaction automatique.
Au printemps de sa première année, elle était particulièrement attirée par les expériences atomiques, moléculaires et optiques (AMO) dans la classe 8.14 (Physique expérimentale II), le deuxième semestre du Junior Lab.
« L’AMO expérimentale est très amusante parce que vous pouvez étudier une physique très intéressante – des choses comme la superposition quantique, l’utilisation de la lumière pour ralentir les atomes et des effets théoriques inexplorés – tout en construisant des systèmes tangibles du monde réel », dit-elle. « Réaliser un contrôle technique [magneto-optical trap] est toujours une phase passionnante dans une expérience, car vous pouvez voir la mécanique quantique à l’œuvre de vos propres yeux, et c’est la première étape vers des manipulations plus complexes des atomes. Les recherches actuelles de l’AMO nous permettront de tester des concepts qui n’ont jamais été observés auparavant, ajoutant ainsi à nos connaissances sur la manière dont les atomes interagissent à un niveau fondamental.
Pour le projet exploratoire, Rosenstein et son partenaire de laboratoire, Nicolas Tanaka, ont choisi de construire un MOT pour le rubidium en utilisant le kit ColdQuanta MiniMOT de JLab et le verrouillage laser grâce à la spectroscopie de transfert de modulation. Les deux ont fait une présentation lors de la séance d’affiches de la classe au département et ont remporté le prix annuel Edward C. Pickering pour un projet original exceptionnel.
«Nous voulions acquérir une expérience de travail avec l’optique et l’électronique, ainsi que créer une configuration expérimentale pour les futurs étudiants», dit-elle. « Nous étions un peu obsédés : au moins l’un d’entre nous était dans le laboratoire presque toutes les heures où il était ouvert pendant les deux dernières semaines de cours. Voir un nuage de rubidium apparaître enfin sur notre écran de télévision infrarouge nous a rempli d’enthousiasme, de fierté et de soulagement. Je me suis vraiment investi dans la construction du MOT et je sentais que je me voyais travailler sur des projets comme celui-ci pendant longtemps dans le futur.
Elle a ajouté : « J’ai apprécié les grandes questions posées en cosmologie, mais je n’en revenais pas du plaisir que j’avais en laboratoire à utiliser mes mains. Je sais que certaines personnes ne supportent pas d’assembler des optiques, mais c’est un peu comme des Legos pour moi, et je suis heureux de passer un après-midi à travailler sur l’alignement parfait des miroirs et à ignorer le monde extérieur.
En tant que senior, l’objectif de Rosenstein est d’acquérir de l’expérience en optique expérimentale et en atomes froids en vue de préparer son doctorat. « J’aimerais combiner ma passion pour les grandes questions de physique et les expériences AMO, en travaillant peut-être sur des tests de physique fondamentale utilisant des mesures de précision, ou des tests de physique à N corps. »
Parallèlement, elle termine ses recherches en cosmologie, en finalisant un projet en partenariat avec Katelin Schutz à l’Université McGill, où ils testent un modèle pour interpréter les signaux d’ondes radio de 21 centimètres provenant des premiers stades de l’univers et éclairer les futures mesures du télescope. Son objectif est de voir dans quelle mesure un modèle efficace de théorie des champs (EFT) peut prédire des champs de 21 cm avec une quantité limitée d’informations.
« L’EFT que nous utilisons était initialement appliqué à des simulations à très grande échelle, et nous avions espéré qu’il serait toujours efficace pour un ensemble de simulations plus petites, mais nous avons constaté que ce n’est pas le cas. Ce que nous voulons donc savoir maintenant, c’est la quantité de données dont la simulation devrait disposer pour que le modèle fonctionne. La recherche nécessite beaucoup d’analyses de données, afin de trouver des moyens d’extraire et d’interpréter des tendances significatives.
« C’est encore plus excitant de savoir que les effets que nous constatons sont liés à l’histoire de notre univers., et les outils que nous développons pourraient être utilisés par les astronomes pour en apprendre encore plus.
Surmonter une crise
Rosenstein attribue à sa participation au cross-country le mérite d’avoir surmonté la pandémie, qui a retardé l’arrivée sur le campus du MIT jusqu’au printemps 2021.
« L’équipe a constitué ma principale forme d’interaction sociale », dit-elle. « Nous étions tristes de ne pas avoir pu concourir, mais j’ai couru un contre-la-montre qui était mon kilomètre le plus rapide jusqu’à présent, ce qui était une petite victoire. »
Au cours de sa deuxième année, sa 38e place aux championnats nationaux lui a assuré une place en tant que All-American de la National Collegiate Athletic Association lors de sa première saison collégiale de cross-country. Une fracture de stress l’a un peu empêchée de courir jusqu’à ce qu’elle se classe 12e en tant que All-American NCAA DIII. (L’équipe féminine s’est classée septième au classement général et l’équipe masculine a remporté le premier titre national NCAA du MIT.) Lorsqu’une autre blessure l’a mise à l’écart, elle a encadré des étudiants de première année en tant que capitaine d’équipe et est restée engagée autant qu’elle le pouvait, tout en faisant du vélo et en nageant pour maintenir son entraînement. Elle espère continuer à courir dans sa vie.
« La course à pied et la physique sont souvent confrontées à une gratification différée : vous n’allez pas établir un record personnel tous les jours, et vous n’allez pas publier une découverte révolutionnaire chaque jour. Parfois, vous pouvez passer des mois, voire des années, sans avoir l’impression d’avoir fait un grand pas en avant dans votre progression. Si vous ne pouvez pas supporter cela, vous n’y arriverez pas en tant que coureur ou physicien.
« Peut-être que cela donne l’impression que les coureurs et les physiciens se contentent de courir, endurant des souffrances constantes à la poursuite d’un grand objectif. Mais il y a un secret : ce n’est pas de la souffrance. Courir tous les jours est un privilège et une chance de passer du temps avec des amis et de s’éloigner du travail. Aligner des optiques, déboguer du code et réfléchir à des problèmes complexes n’est pas une journée dans la vie d’un masochiste, juste un mercredi après-midi satisfaisant.
Elle ajoute : « Le cross-country et la physique nécessitent tous deux une combinaison d’optimisme naïf et de scepticisme rigoureux. D’un côté, vous devez croire que vous êtes pleinement capable de gagner cette course ou d’obtenir de nouveaux résultats, sinon vous risquez de ne pas essayer du tout. D’un autre côté, vous devez être extrêmement honnête sur ce que cela va prendre, car ces résultats ne se produiront pas si vous ne faites pas preuve de diligence dans votre formation ou si vous supposez simplement que votre configuration expérimentale fonctionnera exactement comme prévu. Au total, la course à pied et la physique consistent toutes deux en des progrès quotidiens infimes qui s’intègrent à un résultat important, et chaque segment infinitésimal mérite d’être apprécié.
