La lutte sans fin pour classer toutes les mathématiques

 Au XVIIIe siècle, la biologie était entièrement axée sur la taxonomie. L'incroyable diversité du vivant rendait difficile toute conclusion sur son apparition. Les scientifiques ont d'abord dû mettre les choses dans l'ordre, en regroupant les espèces selon des caractéristiques communes – une tâche ardue . Depuis, ils ont utilisé ces grands catalogues pour comprendre les différences entre les organismes et déduire leur histoire évolutive. Les chimistes ont construit le tableau périodique dans le même but : classer les éléments et comprendre leurs comportements. Et les physiciens ont élaboré le Modèle standard pour expliquer l'interaction des particules fondamentales de l'univers.

Dans son livre Les Mots et les Choses , le philosophe Michel Foucault décrit cette préoccupation pour le tri comme une étape fondatrice des sciences. " La connaissance des individus empiriques ", écrit-il, " ne peut s'acquérir que par la tabulation continue, ordonnée et universelle de toutes les différences possibles. "

Les mathématiciens n'ont jamais dépassé cette obsession . C'est parce que la ménagerie des mathématiques fait ressembler le catalogue biologique à une ferme pédagogique. Ses habitants ne sont pas limités par la réalité physique. Toute possibilité concevable, qu'elle existe dans notre univers ou dans un univers hypothétique à 200 dimensions, doit être prise en compte. Il existe une multitude de classifications différentes à essayer – groupes, nœuds, variétés, etc. – et une infinité d'objets à trier dans chacune de ces classifications. La classification permet aux mathématiciens de comprendre le monde étrange et abstrait qu'ils étudient et de prouver des théorèmes majeurs à son sujet.

Prenons l'exemple des groupes, un objet d'étude central en mathématiques. La classification des " groupes simples finis " – les éléments constitutifs de tous les groupes – a été l'une des plus grandes réalisations mathématiques du XXe siècle. Il a fallu près de 100 ans à des dizaines de mathématiciens pour la mener à bien. Ils ont finalement découvert que tous les groupes simples finis se répartissent en trois catégories , à l'exception de 26 valeurs aberrantes détaillées. Une équipe de mathématiciens dévoués travaille sur une preuve " condensée " de la classification depuis 1994 ; elle comprend actuellement 10 volumes et plusieurs milliers de pages, et n'est toujours pas terminée. Mais cette entreprise gigantesque continue de porter ses fruits, contribuant récemment à prouver une conjecture vieille de plusieurs décennies selon laquelle on peut déduire beaucoup de choses sur un groupe en examinant une petite partie de celui-ci.

Les mathématiques, libérées des contraintes habituelles de la réalité, sont une question de possibilités. La classification offre aux mathématiciens un moyen d'explorer ce potentiel illimité.

Nouveautés et points importants

La première classification mathématique que nous apprenons à l'école primaire consiste à catégoriser les nombres : en nombres positifs et négatifs, ou en nombres fractionnaires (les rationnels) et en nombres non fractionnaires (les irrationnels). Dans un récent article de Quanta , Erica Klarreich décrit combien il peut être extrêmement difficile de prouver qu'un nombre donné est irrationnel , même si les mathématiciens le soupçonnent. Il existe également de nombreux autres types de nombres que les mathématiciens aiment étudier.

Dans d'autres domaines, les mathématiciens classent les objets selon leur " équivalence " d'une certaine manière. En topologie, deux formes sont identiques, et appartiennent donc à la même classe, si l'une peut être étirée ou comprimée dans l'autre sans se casser ni se déchirer. Un beignet est identique à une tasse à café, mais différent d'une sphère. Mais il peut s'avérer extrêmement difficile de déterminer si des objets plus complexes (et de grandes dimensions) sont identiques. Les mathématiciens cherchent encore à déterminer si toutes les formes de certaines dimensions doivent être équivalentes à une sphère, par exemple, ou si des formes plus exotiques sont autorisées. " Après des siècles d'efforts concertés ", écrit Kevin Hartnett dans ce résumé topologique , " les mathématiciens sont loin d'avoir terminé. "

De même, la classification a joué un rôle important dans la théorie des nœuds. Faites un nœud dans une ficelle, puis collez les extrémités de la ficelle ensemble : c'est un nœud mathématique. Les nœuds sont équivalents si l'un peut être emmêlé ou démêlé, sans couper la ficelle, pour correspondre à l'autre. Cette tâche, d'apparence banale, a de nombreuses applications mathématiques . En 2023, cinq mathématiciens ont progressé sur une conjecture clé de la théorie des nœuds, selon laquelle tous les nœuds ayant une certaine propriété (ce qui est " tranche " - slice) doivent également en avoir une autre (être " ruban " - ribbon), avec une preuve éliminant un contre-exemple présumé. (Soit dit en passant, je me suis souvent demandé pourquoi les théoriciens des nœuds insistent pour utiliser des noms comme adjectifs).

Les classifications peuvent aussi devenir plus méta. Les informaticiens théoriciens et les mathématiciens classent les problèmes de classification en fonction de leur " difficulté " .

Toutes ces classifications transforment l'infinitude désordonnée des mathématiques en un ordre accessible. Un premier pas vers la maîtrise du déluge qui se déverse des imaginations mathématiques.

2 000 atomes existent à deux endroits à la fois dans une expérience quantique sans précédent.

Une expérience a démontré un effet quantique bizarre de l'expérience de la double fente à une nouvelle échelle.

Des molécules géantes peuvent se trouver à deux endroits à la fois, grâce à la physique quantique. Les scientifiques savent depuis longtemps qu'il s'agit d'une vérité théorique fondée sur quelques faits : Chaque particule ou groupe de particules dans l'univers est également une onde - même les grandes particules, même les bactéries, même les êtres humains, même les planètes et les étoiles. Et les ondes occupent plusieurs endroits de l'espace à la fois. Ainsi, tout morceau de matière peut également occuper deux endroits à la fois. Les physiciens appellent ce phénomène "superposition quantique" et, pendant des décennies, ils l'ont démontré en utilisant de petites particules.

Mais ces dernières années, les physiciens ont augmenté l'échelle de leurs expériences, démontrant la superposition quantique en utilisant des particules de plus en plus grandes. Dans un article publié le 23 septembre dans la revue Nature Physics, une équipe internationale de chercheurs a réussi à faire en sorte qu'une molécule composée de 2 000 atomes occupe deux endroits en même temps.

Pour y parvenir, les chercheurs ont construit une version compliquée et modernisée d'une série d'anciennes expériences célèbres qui ont démontré pour la première fois la superposition quantique.

Les chercheurs savaient depuis longtemps que la lumière, envoyée à travers une feuille comportant deux fentes, créait un motif d'interférence, c'est-à-dire une série de franges claires et sombres, sur le mur situé derrière la feuille. Mais la lumière était considérée comme une onde sans masse, et non comme un élément constitué de particules, ce qui n'était donc pas surprenant. Cependant, dans une série d'expériences célèbres réalisées dans les années 1920, les physiciens ont montré que les électrons tirés à travers des films ou des cristaux minces se comportaient de manière similaire, formant des motifs comme la lumière sur le mur derrière le matériau diffractant.

Si les électrons étaient de simples particules, et ne pouvaient donc occuper qu'un seul point de l'espace à la fois, ils formeraient deux bandes, ayant à peu près la forme des fentes, sur le mur derrière le film ou le cristal. Mais au lieu de cela, les électrons frappent cette paroi selon des motifs complexes qui suggèrent que les électrons interfèrent avec eux-mêmes. C'est un signe révélateur d'une onde : à certains endroits, les pics des ondes coïncident, créant des régions plus lumineuses, tandis qu'à d'autres endroits, les pics coïncident avec des creux, de sorte que les deux s'annulent et créent une région sombre. Comme les physiciens savaient déjà que les électrons avaient une masse et étaient définitivement des particules, l'expérience a montré que la matière agit à la fois comme des particules individuelles et comme des ondes. 

Mais c'est une chose de créer un schéma d'interférence avec des électrons. Le faire avec des molécules géantes est beaucoup plus délicat. Les molécules plus grosses produisent des ondes moins faciles à détecter, car les objets plus massifs ont des longueurs d'onde plus courtes qui peuvent donner lieu à des motifs d'interférence à peine perceptibles. Or, ces particules de 2 000 atomes ont des longueurs d'onde inférieures au diamètre d'un seul atome d'hydrogène, de sorte que leur schéma d'interférence est beaucoup moins spectaculaire.

Pour réaliser l'expérience de la double fente sur des objets de grande taille, les chercheurs ont construit une machine capable de projeter un faisceau de molécules (d'énormes objets appelés "oligo-tétraphénylporphyrines enrichies de chaînes fluoroalkylsulfanyles", dont certains ont une masse plus de 25 000 fois supérieure à celle d'un simple atome d'hydrogène) à travers une série de grilles et de feuilles comportant plusieurs fentes. Le faisceau mesurait environ 2 mètres de long. C'est suffisamment grand pour que les chercheurs aient dû tenir compte de facteurs tels que la gravité et la rotation de la Terre dans la conception de l'émetteur du faisceau, expliquent les scientifiques dans leur article. Ils ont également gardé les molécules assez chaudes pour une expérience de physique quantique, et ont donc dû tenir compte de la chaleur qui bouscule les particules.

Pourtant, lorsque les chercheurs ont allumé la machine, les détecteurs situés à l'extrémité du faisceau ont révélé une figure d'interférence. Les molécules occupaient plusieurs points de l'espace à la fois.

C'est un résultat stimulant, disent  les chercheurs, qui prouve l'interférence quantique à des échelles plus grandes que celles qui avaient été détectées auparavant. "La prochaine génération d'expériences sur les ondes de matière permettra des essais à un niveau supérieur", écrivent les auteurs.

De telles démonstrations d'interférence quantique sont donc à venir, même s'il ne sera probablement pas possible de le faire nous-même à travers un interféromètre de sitôt. (Déjà le vide dans la machine nous tuerait.) Nous, les êtres géants, devrons simplement rester assis et regarder les particules s'amuser.

Comment les humains ont évolué pour être " énergétiquement " uniques  

Une découverte passionnante révèle que les humains possèdent un métabolisme unique dans le règne animal. Notre espèce se distingue par une capacité énergétique exceptionnelle, alliant un métabolisme de repos élevé à une activité physique intense. Cette adaptation remarquable aurait joué un rôle crucial dans notre évolution, permettant le développement de cerveaux plus volumineux et une longévité accrue.

- Un métabolisme hors norme : la clé de notre succès évolutif

- Le dépassement d'un compromis énergétique ancestral

- Des implications pour notre compréhension de l'évolution humaine

- Perspectives futures : explorer la diversité métabolique humaine

L'évolution humaine a toujours suscité de nombreuses interrogations. Comment notre espèce a-t-elle pu développer des capacités cognitives si avancées tout en maintenant une activité physique soutenue ? Une étude menée par des chercheurs de Harvard apporte un éclairage nouveau sur cette question. Leurs travaux révèlent que les humains ont développé un métabolisme unique, leur permettant de surmonter les contraintes énergétiques qui limitent d'autres espèces.

Un métabolisme hors norme : la clé de notre succès évolutif

Les résultats de cette étude, publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, bousculent les idées reçues sur le métabolisme humain. Contrairement à ce que l'on pensait auparavant, notre espèce se démarque par des taux métaboliques nettement supérieurs à ceux des autres mammifères, y compris nos plus proches parents, les grands singes.

Daniel Lieberman, paléoanthropologue et co-auteur de l'étude, souligne l'exceptionnalité de notre métabolisme : " Les humains sont complètement différents de toute autre créature que nous connaissons jusqu'à présent en termes d'utilisation de l'énergie ". Cette particularité métabolique aurait permis à nos ancêtres chasseurs-cueilleurs de

- obtenir toute la nourriture dont ils avaient besoin ;

- développer des cerveaux plus volumineux ;

- vivre plus longtemps ;

- augmenter leurs taux de reproduction. 

Le dépassement d'un compromis énergétique ancestral

L'une des découvertes les plus surprenantes de cette recherche est que les humains ont réussi à échapper à un compromis métabolique qui contraint la plupart des mammifères, y compris les autres primates. Chez ces derniers, il existe un équilibre strict entre le métabolisme de repos et celui lié à l'activité physique.

Andrew Yegian, chercheur principal de l'équipe, explique : " Les humains ont non seulement augmenté notre métabolisme de repos au-delà de celui des chimpanzés et des singes, mais - grâce à notre capacité unique à évacuer la chaleur par la transpiration -, nous avons également pu augmenter nos niveaux d'activité physique sans diminuer notre taux métabolique de repos ". Cette adaptation remarquable a permis à notre espèce de devenir " énergétiquement unique ". Le tableau suivant illustre les différences métaboliques entre les humains et d'autres espèces :

Espèce                        Métabolisme de repos         Activité physique

Humains                       Élevé                                     Élevée

Chimpanzés                 Élevé                                      Faible

Autres mammifères      Modéré                                  Variable

Des implications pour notre compréhension de l'évolution humaine

Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives sur l'évolution humaine. Elle suggère que notre capacité à maintenir simultanément un métabolisme de repos élevé et une activité physique intense a été un facteur déterminant dans notre développement en tant qu'espèce.

Les chercheurs ont constaté que les singes et les grands singes ont évolué pour investir environ 30 à 50 % de calories supplémentaires dans leur métabolisme de repos par rapport aux autres mammifères de taille similaire. Les humains ont poussé cette tendance encore plus loin, investissant 60 % de calories en plus.

Cette adaptation métabolique unique pourrait expliquer plusieurs caractéristiques distinctives de notre espèce :

1 Le développement de cerveaux plus volumineux et énergivores.

2 L'augmentation de notre longévité.

3 L'amélioration de nos capacités reproductives.

4 Notre aptitude à maintenir une activité physique soutenue.

Perspectives futures : explorer la diversité métabolique humaine

L'équipe de recherche envisage maintenant d'étudier les différences métaboliques entre diverses populations humaines. Andrew Yegian soulève une question intrigante : " Puisque nous avons évolué pour être actifs, comment le fait d'avoir un travail de bureau modifie-t-il notre métabolisme de manière à affecter notre santé ? "

Cette interrogation ouvre la voie à de futures recherches sur l'impact de nos modes de vie modernes sur notre métabolisme. Elle pourrait également fournir des pistes pour mieux comprendre et prévenir certaines maladies liées au mode de vie sédentaire.

Cette étude révolutionnaire sur le métabolisme humain unique éclaire d'un jour nouveau notre compréhension de l'évolution humaine. Elle souligne l'importance de notre adaptation énergétique dans le façonnement de notre espèce et ouvre des perspectives passionnantes pour la recherche future.



 

Des scientifiques américains simulent en temps réel le déplacement de dizaines de milliers d'électrons dans les matériaux

La recherche offre un aperçu de la dynamique hors équilibre et des états excités dans une gamme diversifiée de systèmes. 

(Photo : La modélisation en temps réel des réponses optiques dans les nanostructures à l'aide de RT-TDDFT permet d'interpréter, de comprendre et de guider les applications de nouvelle génération en science et technologie.)

Des scientifiques ont développé une simulation capable de prédire le déplacement de dizaines de milliers d'électrons dans les matériaux en temps réel, c'est-à-dire en temps naturel plutôt qu'en temps de calcul.

Développé par une équipe du Laboratoire national d'Oak Ridge du Département de l'Énergie, en collaboration avec l'Université d'État de Caroline du Nord, ce modèle associe l'expertise de l'ORNL en méthodes quantiques dépendantes du temps à la plateforme de simulation quantique avancée de la NCSU.

Les chercheurs ont révélé que ces derniers travaux sont essentiels à la conception de nouvelles technologies telles que les cellules photovoltaïques avancées et les systèmes d'information émergents.

Observer des milliers d'électrons en temps réel

Ils ont souligné qu'en observant directement des milliers d'électrons en temps réel, les scientifiques obtiennent des informations précieuses sur la façon dont les matériaux réagissent au niveau quantique.

Publiée dans le Journal of Chemical Theory and Computation, l' équipe a développé une capacité de théorie de la fonctionnelle de la densité en temps réel et dépendante du temps, ou RT-TDDFT, au sein du code open source Real-space Multigrid, ou RMG, pour modéliser des systèmes allant jusqu'à 24 000 électrons.

La RT-TDDFT est une méthode de mécanique quantique qui permet aux chercheurs de simuler la façon dont les électrons se déplacent et interagissent dans les matériaux au fil du temps, une fois excités par un stimulus externe. Elle fonctionne en calculant l'évolution de la densité électronique dans les matériaux en réponse à l'application de champs électriques et électromagnétiques (par exemple, la lumière). 

Évolution en temps réel des propriétés de la mécanique quantique

Les chercheurs ont souligné que le terme " temps réel, dépendant du temps " décrit l'évolution en temps réel de la fonction d'onde ou propriété de la mécanique quantique. 24 000 électrons représentent environ la même taille que le traitement de l'évolution temporelle de tous leurs électrons pour 4 000 atomes de carbone ou 2 400 molécules d'eau. 

" C'est comme regarder au ralenti tous les électrons d'un minuscule morceau de métal réagir à un éclair lumineux, mais à un niveau quantique incroyablement détaillé ", a déclaré Jacek Jakowski de l'ORNL.

" Nos calculs sont si volumineux qu'ils nécessitent l'un des supercalculateurs les plus rapides au monde pour les exécuter en temps réel. En capturant ces mouvements d'électrons à grande échelle, nous pouvons prédire le comportement de nouveaux matériaux, ce qui pourrait conduire à des cellules photovoltaïques plus performantes, des ordinateurs plus rapides et de meilleures technologies quantiques. "

La méthode offre un aperçu de la dynamique hors équilibre

L' étude a révélé que leur méthode offre un aperçu de la dynamique hors équilibre et des états excités dans une grande variété de systèmes, des petites molécules organiques aux grandes nanoparticules métalliques. Les résultats de l'analyse comparative démontrent une excellente concordance avec les implémentations TDDFT établies et mettent en évidence la stabilité supérieure de notre algorithme d'intégration temporelle, permettant des simulations à long terme avec une dérive énergétique minimale.

Les chercheurs ont également souligné que les nanoparticules métalliques, ou métaux de dimensions comprises entre 1 et 100 nanomètres, possèdent des propriétés optiques uniques, dues à la façon dont des milliers d'électrons interagissent avec la lumière incidente. Il est essentiel pour les chercheurs de comprendre le déplacement de ces électrons dans diverses conditions afin de faire progresser ces nouvelles technologies.

Le défi pour faire progresser ces technologies a été de capturer cette dynamique électronique ultra-rapide dans des matériaux réalistes à l'échelle nanométrique, ou des matériaux dont au moins une dimension est à l'échelle du nanomètre, selon un communiqué de presse.

Cette réalisation permet la conception de nouveaux matériaux dotés de propriétés optiques réglables.

L’étude a souligné que cette réalisation permet la conception de nouveaux matériaux dotés de propriétés optiques, électroniques et magnétiques réglables et ouvre la porte à de nouvelles innovations dans les dispositifs d’information optique et quantique.

" Ces développements sont très prometteurs pour la création de nouveaux dispositifs dotés de propriétés électroniques, optiques et magnétiques sur mesure ", a déclaré le professeur Bernholc. " À terme, nous espérons que notre approche en temps réel guidera les efforts expérimentaux et accélérera les avancées dans des domaines allant de la spintronique à l'informatique quantique. "

Les prochaines étapes du projet incluent la simulation de scénarios encore plus complexes pour découvrir une nouvelle physique dans les systèmes quantiques et l'amélioration de l'efficacité et de la précision pour gérer des simulations plus grandes et plus complexes, selon le communiqué .

La gravité quantique pourrait inverser causes et effets.

Toute théorie de la gravité quantique va devoir se colleter avec des trucs temporels bizarres.

Vous avez probablement entendu parler du chat de Schrödinger, ce  malheureux félin, dans une boîte, où il est simultanément vivant et mort jusqu'à ce que la boîte soit ouverte pour révéler son état réel. Maintenant, faites-vous une idée du temps de Schrödinger, une situation dans laquelle un événement peut être simultanément la cause et l'effet d'un autre événement. 

Un tel scénario pourrait être inévitable dans la théorie de la gravité quantique, domaine encore flou d'une physique qui cherche à combiner la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein avec les mécanismes de la mécanique quantique. Dans un nouvel article, des scientifiques créent un mélange des deux en imaginant des vaisseaux spatiaux près d'une énorme planète dont la masse ralentit le temps. Ils en concluent que les vaisseaux pourraient se retrouver dans un état où la causalité est inversée : Tel événement pourrait finir par causer un autre événement qui s'est produit avant le premier. 

"On peut imaginer ce genre de scénario dans l'ordre temporel, où la cause et l'effet sont en superposition, inversés ou non", a déclaré le co-auteur de l'étude, Igor Pikovski, physicien au Center for Quantum Science and Engineering du Stevens Institute of Technology, dans le New Jersey. "C'est quelque chose qui devrait normalement se produire une fois que nous aurons une théorie complète de la gravité quantique".

Le temps quantique

La célèbre expérience de pensée du chat de Schrödinger demande à un spectateur d'imaginer une boîte contenant un chat et une particule radioactive qui, une fois désintégrée, tuera le malheureux félin. En vertu du principe de superposition quantique, la survie ou la mort du chat est tout aussi probable jusqu'à ce qu'elle soit mesurée - ainsi, jusqu'à ce que la boîte soit ouverte, le chat est simultanément vivant et mort. En mécanique quantique, la superposition signifie qu'une particule peut exister dans plusieurs états en même temps, tout comme le chat de Schrödinger. 

Cette nouvelle expérience de pensée, publiée le 21 août dans la revue Nature Communications, combine le principe de superposition quantique avec la théorie de la relativité générale d'Einstein. Selon la relativité générale, la masse d'un objet géant peut ralentir le temps. Ce phénomène est bien établi et mesurable, a déclaré M. Pikovski ; un astronaute en orbite autour de la Terre verra le temps s'écouler un tout petit peu plus vite que son jumeau sur la planète. (C'est aussi pourquoi tomber dans un trou noir serait une expérience très graduelle). 

Ainsi, si un vaisseau spatial futuriste se trouve à proximité d'une planète massive, son équipage ressentira le temps comme un peu plus lent que les personnes situées dans un autre vaisseau spatial stationné plus loin. Ajoutez à ça un peu de mécanique quantique et vous pouvez imaginer une situation dans laquelle cette planète est superposée simultanément près et loin des deux vaisseaux spatiaux. 

Le temps devient bizarre

Dans ce scénario de superposition de deux vaisseaux qui expérimentent le temps sur des lignes temporelles différentes, la cause et l'effet peuvent devenir bizarres. Par exemple, supposons que les vaisseaux doivent effectuer une mission d'entraînement au cours de laquelle ils se tirent dessus et s'esquivent mutuellement, en sachant parfaitement à quel moment les missiles seront lancés et intercepteront leurs positions. S'il n'y a pas de planète massive à proximité qui perturbe l'écoulement du temps, c'est un exercice simple. En revanche, si cette planète massive est présente et que le capitaine du vaisseau ne tient pas compte du ralentissement du temps, l'équipage pourrait être en retard pour esquiver et être détruit. 

Avec une telle planète en superposition, simultanément proche et lointaine, il serait impossible de savoir si les vaisseaux esquivent trop tard et se détruisent mutuellement ou s'ils s'écartent et survivent. Qui plus est, la cause et l'effet pourraient être inversés, selon M. Pikovski. Bref il faut imaginer deux événements liés par la causalité

"A et B peuvent s'influencer mutuellement dans un état de superposition, mais dans un cas, A est avant B et inversément, explique M. Pikovski. Ce qui signifie que A et B sont simultanément la cause et l'effet l'un de l'autre. Heureusement pour les équipages, sans doute très confus, de ces vaisseaux spatiaux imaginaires, dit Pikovski, ils auraient un moyen mathématique d'analyser les transmissions de l'autre pour confirmer qu'ils sont dans un état de superposition.

Évidemment, dans la vie réelle c'est très différent. Mais l'expérience de pensée pourrait avoir des implications pratiques pour l'informatique quantique, même sans élaborer une théorie complète de cette dernière, a déclaré M. Pikovski. En utilisant les superpositions dans les calculs, un système d'informatique quantique pourrait évaluer simultanément un processus en tant que cause et en tant qu'effet. 

"Les ordinateurs quantiques pourraient être en mesure de l'utiliser pour des calculs plus efficaces", a-t-il déclaré.

Des chercheurs pourraient avoir découvert une nouvelle loi sur l'évolution de tout ce qui existe dans l'univers !

Comment les choses évoluent-elles ? C'est la question à laquelle les chercheurs tentent de répondre. Galaxies, étoiles et même la vie telle que nous la connaissons ont subi un processus d'évolution. La question est de comprendre comment ce processus se déroule et pourquoi il se produit.

(photo) Un exemple de systèmes complexes sont les galaxies et l'interaction entre elles lors d'une collision.

Lorsque nous regardons l'Univers, nous trouvons des structures complexes allant de la vie telle que nous la connaissons aux galaxies et aux étoiles. Dans différents domaines de la connaissance, le niveau de complexité semble être une question ouverte : comment les structures sont-elles parvenues à des niveaux aussi complexes ?

En biologie, une des questions est de comprendre comment la vie est arrivée à ce que nous connaissons aujourd’hui. En philosophie, la question de la conscience et de l'intelligence qui ont évolué vers des formes de plus en plus complexes. En astronomie, la question de savoir comment les galaxies ont évolué pour devenir ce que nous connaissons aujourd'hui reste jusqu'à présent un grand mystère.

Avec ces questions à l'esprit, un groupe de chercheurs de différents domaines se sont réunis pour proposer une nouvelle loi sur l'évolution des choses dans l'Univers. La loi est connue sous le nom de "loi de l'augmentation de l'information fonctionnelle" qui tente d'expliquer pourquoi les choses évoluent vers des structures plus complexes.

Systèmes Complexes

Des systèmes complexes peuvent être trouvés dans différents domaines allant de la sociologie à la physique. Le domaine se concentre sur la compréhension des unités d'un ensemble qui interagissent les unes avec les autres et ont une dynamique collective.

Un exemple de cela est le comportement d'un ensemble de personnes lors d'un concert de musique, chaque participant est une personne, mais il y a un comportement collectif.

La propre question de comment la vie est apparue est un problème qui a une intersection avec les systèmes complexes. Nous pouvons comprendre les êtres vivants comme une série d'interactions complexes entre les molécules qui à leur tour ont des interactions avec leurs atomes. Expliquer comment nous sommes arrivés à ce niveau de complexité est une grande question ouverte.

Complexité en Physique

En physique, le domaine des systèmes complexes est extrêmement riche pour expliquer différents types de problèmes. Les propres particules et interactions entre particules deviennent de véritables laboratoires. Mais peut-être que les grandes questions se trouvent à l'intérieur de l'astrophysique.

(photo) Les systèmes complexes peuvent être dans une variété de domaines allant de la sociologie à la physique.

Nous observons des galaxies de différents types avec des dynamiques compliquées. Notre propre Voie Lactée est un exemple de galaxie de type spirale, mais nous observons d'autres types tels que les elliptiques, les irrégulières et les lenticulaires. La dynamique complexe soulève des questions telles que : comment sont-elles apparues ?

L'une des missions principales du télescope spatial James Webb est de comprendre comment les galaxies se sont formées lorsque l'Univers était jeune. La réponse est si difficile qu'il y a un effort de la communauté scientifique pour analyser les détails des données pour commencer à tenter de répondre à la question.

Étude des Systèmes Complexes

Certains chercheurs de l'Université de Cornell se sont réunis pour répondre à la question : pourquoi les systèmes complexes, y compris la vie, évoluent-ils vers de plus grandes informations fonctionnelles au fil du temps ? L'étude a rassemblé des astronomes, des physiciens, des philosophes, un minéralogiste et un scientifique des données pour tenter de répondre.

Selon l'auteur de l'étude, c'était l'une des plus grandes réunions entre philosophes et scientifiques de la nature pour répondre à la question. Ensemble, ils ont introduit ce qu'ils ont appelé la "loi de l'augmentation de l'information fonctionnelle". Les lois aident à donner une direction pour comprendre la raison derrière ce que nous observons.

Loi de l'Augmentation de l'Information Fonctionnelle

Dans le travail publié par la revue PNAS, les chercheurs rapportent que la nouvelle loi stipule qu'un système évolue si différentes configurations du système sont utilisées pour une ou plusieurs fonctions. En d'autres termes, un système aura tendance à devenir de plus en plus complexe au fil du temps en fonction des fonctions.

La loi parle également de la sélection naturelle des systèmes et du fait que seuls certains survivront, c'est-à-dire que les plus complexes survivront. Cela est très similaire à la Théorie de l'Évolution de Darwin mais élargie à des systèmes qui ne sont pas vivants, comme l'arrangement des atomes ou même des galaxies.

Critiques

Le travail a été salué par différents chercheurs qui soutiennent que c'est un pas en avant dans la compréhension des systèmes complexes. Cependant, certains ont également examiné le travail avec critique, disant qu'il n'est pas nécessaire de trouver une loi analogue à la théorie de Darwin pour les systèmes non vivants.

Les mathématiques du changement soudain

Dans le monde réel, les systèmes physiques peuvent subir des changements rapides et spectaculaires : refroidissez un liquide et il se cristallisera en solide ; chauffez un aimant et il perdra soudainement son magnétisme.

Mais il s’avère que ces changements brusques, appelés transitions de phase, se produisent aussi dans des contextes mathématiques abstraits. Lorsque les mathématiciens construisent un système simple avec seulement quelques règles, ils découvrent souvent qu’à un certain moment, des motifs surprenants apparaissent soudainement. Ces transitions de phase mathématiques offrent aux mathématiciens une fenêtre sur le fonctionnement des systèmes physiques réels, tout en leur fournissant des idées importantes sur la façon dont des comportements complexes peuvent émerger à partir de lois très simples.

Prenons la percolation, un modèle mathématique simplifié de la façon dont l’eau pourrait se déplacer à travers une éponge ou un autre matériau poreux. Commencez avec une grille infinie de points. Entre chaque paire de points adjacents, vous pouvez décider de tracer une ligne, ou arête. Utilisez une pièce truquée pour faire votre choix : si elle tombe sur pile (ce qui peut arriver avec une probabilité de 0,01 %, 1 % ou 10 %, selon la façon dont la pièce est truquée), tracez l’arête ; si c’est face, ne faites rien. Répétez ce processus pour chaque paire de points adjacents de la grille. Quels types de structures obtiendrez-vous probablement ? Plus précisément, quelle est la probabilité qu’un chemin infiniment long se forme sur la grille ?

La réponse dépend du poids de votre pièce. En dessous d’un certain poids critique, il est pratiquement impossible que la grille ait un chemin infini. (Dans le monde réel, l’eau resterait coincée dans l’éponge.) Mais si vous augmentez légèrement ce poids au-dessus de ce seuil, il devient impossible que la grille n’en ait pas. (L’eau traversera complètement.)

À ce seuil, une transition de phase se produit. Le comportement du système en dessous ou au-dessus du seuil est radicalement différent.

Bien que plus faciles à étudier que leurs équivalents réels, ces transitions de phase - qui apparaissent dans toutes sortes de systèmes mathématiques - révèlent comment l’ordre et le chaos peuvent coexister même dans les contextes les plus simples.

Nouveautés et faits marquants

De nombreuses questions sur la percolation restent ouvertes même après des décennies de progrès. En 2023, des mathématiciens ont déterminé précisément ce qui se passe au point de transition où l’état du système bascule - un calcul recherché depuis les années 1970. La même année, deux mathématiciens ont prouvé que, pour une certaine version tridimensionnelle de la percolation, il suffit d’étudier une partie de la grille pour comprendre l’ensemble. La structure locale de la grille contient assez d’informations sur ses propriétés globales.

Que se passe-t-il si les lancers de pièce ne sont pas indépendants, et que le résultat d’un lancer influence le suivant ? Cette situation offre aux mathématiciens une classe encore plus large de problèmes de percolation à explorer. Mais ceux-ci sont bien plus difficiles. Pendant un temps, le domaine était bloqué - jusqu’à ce que le travail novateur d’un mathématicien nommé Hugo Duminil-Copin le relance. Il a reçu la médaille Fields, la plus haute distinction en mathématiques, pour ce travail en 2022. Il a ensuite prouvé que beaucoup de ces systèmes présentent un ensemble puissant de symétries, appelées invariance conforme, à leur point critique.

Plus généralement, les transitions de phase apparaissent partout où il y a des probabilités. Vous pouvez utiliser une procédure similaire de lancer de pièce pour construire un graphe - un ensemble de points, ou nœuds, reliés par des arêtes - entièrement au hasard. Et il s’avère qu’une fois que vous ajoutez un certain nombre d’arêtes, toutes sortes de structures apparaissent soudainement. Passez un certain seuil, et vous pouvez garantir que votre graphe contiendra un triangle, ou une chaîne d’arêtes appelée chemin hamiltonien, ou pratiquement n’importe quel autre motif (tant que ce motif satisfait une propriété simple). En 2022, deux jeunes mathématiciens de l’Université Stanford ont prouvé une affirmation générale sur ces seuils, appelée la conjecture de Kahn-Kalai. Cette affirmation était si large que beaucoup pensaient qu’elle ne pouvait pas être vraie.

Les transitions de phase n’impliquent pas toujours des points et des arêtes, comme dans les graphes et les systèmes de percolation. Elles existent aussi en géométrie. Dans les années 1950, par exemple, le mathématicien John Nash a trouvé un point de transition net entre la douceur et la rugosité des formes. En particulier, il a étudié un processus par lequel les formes peuvent être froissées sans se plisser. Les mathématiciens continuent d’étudier les seuils où les formes se déforment et se transforment.

Dans tous ces cas, les transitions de phase attirent les mathématiciens vers la complexité du monde réel. En examinant ces points critiques de changement, les chercheurs peuvent étudier la frontière extrême de l’ordre mathématique, où simplicité et complexité se touchent.



 

Les 7 différences entre la religion et la spiritualité.
Beaucoup de gens confondent la religion et la spiritualité ou certains phénomènes mystérieux et surnaturels. Certains pourraient même la comparer à une secte, mais cela est dû à un manque de connaissances et à la peur d'être manipulé.
Si nous nous engageons à faire abstraction de nos appréhensions pour essayer d'étudier et de comprendre le sens même de la spiritualité, nous arrivons à une prise de conscience et à la conclusion qu'elle n'a rien de mystérieux ni de surnaturel, et qu'elle n'est en aucun cas liée à une secte.
Voici 7 différences entre la religion et la spiritualité qui vous aideront à mieux les comprendre :
1) La religion vous fait vous incliner - La spiritualité vous libère
La religion vous dit de suivre une idéologie et d'obéir à certaines règles car sinon vous allez être puni. Le spiritualisme vous permet de suivre votre coeur et de sentir ce qui est juste pour vous. Elle vous libère de façon à exprimer votre vraie nature sans devoir vous incliner à tout ce qui ne s'aligne pas avec vous. Il vous a été donné de choisir ce qui peut être honoré afin de le rendre divin.
2) La religion vous montre la peur - La spiritualité vous montre comment être courageux
La religion vous dit ce qu'il faut craindre et vous montre les conséquences. Le spiritualisme vous fait prendre conscience des conséquences, mais ne veut pas que vous vous concentriez sur la peur. Elle vous montre comment vous positionner malgré la peur, et comment continuer à faire ce que vous sentez être juste, malgré les conséquences qui peuvent en découler. Elle vous montre l'acte fondé autour de l'amour et non de la peur, et ainsi comment contrôler la peur, pour en tirer le meilleur.
3) La religion vous dit la vérité - La spiritualité vous permet de la découvrir
La religion vous dit ce qui est juste et ce en quoi il faut croire. L' immatérialité vous permet de le découvrir à votre propre rythme et selon vos aspirations. Elle vous permet de vous connecter avec votre Soi Supérieur et de comprendre avec votre propre esprit ce qu'est la vérité, car la vérité dans son ensemble ; est la même pour tous. Ainsi, elle vous permet de croire en votre propre vérité et à travers votre propre perception et coeur.
4) La religion sépare des autres religions - Le spiritualité les unit
Il y a beaucoup de religions à l'échelle mondiale et toutes prêchent que leur histoire est le bon récit. Le spiritualisme voit la vérité à travers toutes celles-ci et les unit, parce que la vérité est la même pour tous, malgré nos différences. Elle met l'accent sur la qualité du message divin que les religions partagent et non sur les différences de ses détails historiques.
5) La religion crée une dépendance - La spiritualité vous rend indépendant
Vous n'êtes réellement religieux que si vous assistez à des événements religieux et alors seulement, vous êtes considéré comme quelqu'un qui est digne du bonheur. Le spiritualisme vous montre que vous n'avez ni à dépendre ni à avoir besoin de quoi que soit pour être heureux. Le bonheur se trouve toujours au fond de nous-mêmes et nous sommes les seuls à être responsables de notre bonheur. Nous sommes toujours là où nous devons être, au-delà d'assister à certains événements. La divinité se trouve en nous et c'est la raison pour laquelle nous sommes toujours dignes.
6) La religion met la répression en pratique - La spiritualité met le Karma en pratique
La religion dit que si nous n'obéissons pas à certaines règles, il y a une punition qui nous attend. Le spiritualisme nous permet de comprendre que toute action a une conséquence et de réaliser que la punition suite à nos actes sera la conséquence provenant des actes que nous mettons en pratique. Elle s'appuie uniquement sur les forces fondamentales de l'univers et vous n'avez pas besoin de croire à l'existence de cette force.
7) La religion vous fait suivre le parcours d'un autre - La spiritualité vous permet de créer le vôtre
La fondation d'une religion est l'histoire qu'elle raconte au sujet d'un Prophéte ou de plusieurs Dieux, leur voyage vers l'illumination et la vérité découverte en vous faisant suivre leurs pas. La spiritualité vous laisse faire votre propre voyage vers l'illumination et découvrir la vérité par vos propres moyens en suivant ce que votre coeur vous dit être vrai, parce que la vérité est toujours la même, peu importe la manière que vous utilisez pour y parvenir.
Chaque religion est arrivée par la spiritualité, par le voyage à travers lequel une personne est devenue Dieu ou Prophéte. Les détails de l'histoire ne sont pas forcément importants, ils aident seulement le personnage à découvrir la vérité. Ce qui est important, c'est le message qui partage la vérité, "le code divin du coeur humain" qui résonne harmonieusement à travers chacun d'entre nous. C'est pourquoi chaque religion a aussi quelque chose de vrai.

"Percer les secrets du vivant grâce à la biologie quantique"

En primeur pour notre magazine, Birgitta Whaley, qui dirige le Berkeley Quantum Information and Computation Center de l'université de Californie, a accepté d'expliquer en quoi les "mécanismes quantiques à l'oeuvre chez les organismes vivants" pouvaient révolutionner le monde. D'autant qu'ils ne sont qu'une cinquantaine de scientifiques à travers la planète à poursuivre ces travaux fondamentaux.

Sciences et Avenir : Quand on évoque l’information quantique, on pense en premier lieu à la physique et aux particules de matière ou de lumière. Or, vous travaillez sur le vivant ?

Birgitta Whaley : Nous étudions tout un éventail d'organismes, des plantes vertes aux bactéries, qu'il s'agisse d'unicellulaires ou de feuilles. Mais aussi des oiseaux ou d'autres animaux. Nous voulons apporter la preuve qu'il existe un comportement quantique chez ces organismes vivants, à toute petite échelle, impliquant des "grains de lumière" (photons).

Avez-vous découvert ce comportement quantique ? Oui, il est tout à fait évident que des effets quantiques sont au coeur, en particulier, de ce qu’on appelle la photosynthèse. Nous les observons dans les premiers stades de ce mécanisme essentiel à la vie qui permet l’absorption de la lumière, puis sa transformation en énergie électronique, les électrons déclenchant ensuite les réactions chimiques qui permettent la formation de glucides [constituants essentiels des êtres vivants].

Outre la connaissance fondamentale, pourquoi est-ce important de comprendre ce mécanisme ?

Parce qu’il est essentiel à la production de nourriture et donc à notre vie. Mais imaginez aussi que nous parvenions à réaliser une photosynthèse artificielle qui capture l’énergie solaire aussi bien que le font les plantes, dont le processus a été hautement optimisé après 3,6 milliards d’années d’évolution. Ce ne serait plus 15 % de rendement que l’on obtiendrait, comme cela se pratique avec le photovoltaïque aujourd’hui, mais presque 100 % !

Qu’ont donc réussi à faire les plantes, et pas nous ?

Chez les plantes vertes, des récepteurs composés de chlorophylle sont capables d’absorber des photons alors même que la lumière reçue est très faible. Chacun d’eux ne reçoit en moyenne qu’un photon toutes les dix secondes. Il faut que la plante soit vraiment très efficace pour réaliser cette absorption avec si peu de lumière. Il y a même des bactéries marines qui n’absorbent qu’un photon (dans l’infrarouge) toutes les vingt minutes.

Qu’est-il important de mesurer ?

Les détails de ce processus d’absorption, en particulier sa dynamique… Nous connaissons très bien la chlorophylle, nous savons quelle partie de la molécule absorbe le photon et à quel niveau. Le problème vient de ce que cette chlorophylle est enchâssée dans un échafaudage complexe de protéines- pigments qui se mettent à leur tour à vibrer, à entrer en rotation… Nos expériences suggèrent fortement que ces vibrations oeuvrent en conjonction avec l’excitation électronique déclenchée par l’arrivée du photon. Elles aident au transfert des électrons qui déclencheront ultérieurement des réactions chimiques. Ce mécanisme d’absorption, facilité par des effets quantiques, peut avoir jusqu’à 99 % d’efficacité. Un photon arrive, un électron est produit. Finement réglé, il répond à une nécessité de survie de l’organisme.

Quel genre d’appareillages utilisez-vous pour les mesures ?

Nous employons des faisceaux laser pulsés, qui permettent de préciser la dynamique d’excitation des molécules. Par exemple, avec trois pulses qui se succèdent [arrivée de photons d’une certaine fréquence], nous pouvons voir, lors du premier, la molécule réceptrice amorcer son passage vers un état " excité", puis, lors du deuxième pulse, la molécule devenir entièrement excitée, le troisième pulse permettant d’apporter des précisions sur la durée de cette excitation.

Cela ne semble pas évident…

En biologie, vous ne savez pas où s’arrête le système quantique et où commence son environnement. La plupart des spécialistes haussent les épaules en disant que tout cela est trop compliqué, qu’ils ne veulent même pas en entendre parler !

Dans combien de temps pensez-vous comprendre ce qui se passe ?

Peut-être dans vingt ans… Mais d’ici à dix ans, grâce à la biologie synthétique, nous devrions pouvoir élaborer une structure qui fasse progresser notre compréhension.

"COMPORTEMENT. La fascinante intelligence spatiale des oiseaux.

La migration des oiseaux et leur capacité à déterminer la bonne direction à prendre sont aussi un domaine "très tendance" en biologie quantique ! Birgitta Whaley le trouve d’autant plus fascinant que "les effets quantiques ne sont pas du tout évidents. Est peut-être impliquée ici ce qu’on nomme l’intrication quantique" [deux objets qui peuvent être spatialement séparés mais doivent être traités globalement, comme un seul]. La lumière est en effet absorbée par une molécule à l’arrière de la rétine de chaque oeil de l’oiseau, qui produit puis transfère un électron. On se demande alors quel est le comportement quantique des deux électrons (entre eux) qui pénètrent dans le cerveau de l’oiseau, ce qui lui délivre un message particulier. Mais il ne s’agit pour l’instant que "d’une belle hypothèse et il nous faudrait des données expérimentales".)

L'étonnante préparation du cerveau au froid

Pour préparer le corps aux basses températures, le cerveau active des changements métaboliques en amont, grâce à des souvenirs d’anciennes expositions au froid. 

Prévoir le froid, pour garder le corps chaud. Nous, les animaux à sang chaud, avons la capacité de réguler notre température corporelle pour qu’elle reste stable. Cette thermorégulation permet de garder le corps autour de 37°C alors que l’air autour peut être proche de 0°C. Cette adaptation entraine par exemple une hausse de la combustion d’acides gras dans les tissus adipeux, ainsi qu’une augmentation de l’appétit (pour compenser les calories perdues à produire de la chaleur).

Or, le corps n’attend pas à être au froid pour se réchauffer, mais au contraire active ces modifications métaboliques en amont. Car, comme à la maison, c’est plus économe de garder une température stable que de réchauffer une pièce qui s’est refroidie. Mais alors, comment le corps sait-il qu’il va avoir froid et ce qu’il doit faire pour s’y préparer ? C’est grâce au cerveau, qui garde en mémoire des souvenirs d’expériences de froids passées, et qui peut donc activer la thermorégulation juste en se rappelant ces souvenirs. Cette découverte a été présentée par des chercheurs du Trinity College à Dublin (Irlande) dans la revue Nature.

Un conditionnement au froid

Pour étudier ce phénomène de conditionnement au froid, les chercheurs ont entrainé des souris dans une pièce froide (4°C) ou une à température ambiante (21°C). Comme attendu, les souris exposées au froid bougeaient plus et accéléraient leur métabolisme, brûlant davantage d’énergie pour produire de la chaleur corporelle. Ces souris, qui ont été exposées au froid, en gardent un souvenir, car elles réactivent les mêmes adaptations métaboliques quand elles rentrent dans la pièce froide, même lorsque la température de cette pièce est à 21°C. C’est-à-dire qu’elles associent le contexte de cette pièce à la sensation de froid, et donc réagissent en conséquence en préparation des basses températures.

Ce conditionnement au froid perdurait pendant plusieurs jours. Après avoir été exposées au froid, les souris retournaient dans une pièce à température ambiante où elles restaient durant quatre jours. Puis elles revenaient dans la pièce où elles ont eu froid, et même si cette pièce n’était plus froide, l’adaptation métabolique se mettait en route. “Nous avons découvert que ces souris exposées au froid créent des souvenirs qui leur permettent d’augmenter le métabolisme de leurs corps lorsqu’elles anticipent qu’elles auront froid”, résume dans un communiqué Andrea Muñoz Zamora, autrice de l’étude.

Ces souvenirs déclenchent l’activation de gènes liés à la production de chaleur

Ce souvenir du froid activait l’expression de plusieurs gènes au niveau du tissu adipeux. C’était notamment le cas de la protéine UCP1 (connue aussi sous le nom de thermogénine). Elle agit au niveau des mitochondries, les usines énergétiques des cellules. Cette protéine rend ce processus de production d’énergie moins efficace, obligeant la cellule à utiliser davantage de calories pour produire de l’énergie. Ces usines doivent donc augmenter leur cadence, produisant ainsi plus de chaleur (comme un moteur qui surchauffe si on presse trop fort sur l’accélérateur).

Les chercheurs ont collecté des échantillons de tissu adipeux brun des souris exposées au froid, observant qu’UCP1, ainsi que d’autres protéines liées à la production de chaleur, étaient surexprimées chez ces souris après l’exposition au froid… mais aussi des jours après, lorsqu’elles étaient placées à nouveau dans la même pièce, même si celle-ci n’est plus froide. "Une grande partie de ce contrôle appris de la température corporelle semble être due à une augmentation de l’activité du tissu adipeux brun, qui peut être contrôlée par le cerveau, révèle Lydia Lynch, co-autrice de l’étude. Notre cerveau doit apprendre à partir des expériences de froid, pour ensuite pouvoir contrôler comment nos cellules adipeuses répondent au froid."

Deux régions cérébrales sont impliquées

Pour savoir comment les souvenirs pouvaient déclencher ces activations métaboliques, les chercheurs ont étudié les cerveaux des souris. Mettant en évidence que l’activité cérébrale de celles exposées au froid la première fois changeait lorsqu’elles étaient exposées à nouveau à la même pièce. Cette deuxième fois, l’hippocampe des souris (qui joue un rôle dans la mémoire) se connectait à l’hypothalamus (qui gère des processus métaboliques du corps). Donc c’est bien la mémoire qui active ces changements métaboliques.

En y regardant de plus près, les chercheurs ont identifié les neurones qui s’activent lorsque les souris se rappellent du froid. Localisés dans le gyrus denté, dans l’hippocampe, ces neurones se spécialisent dans la mémoire épisodique. Ces cellules se souviennent donc de l’épisode de froid, et une fois activées, elles se coordonnent avec l’hypothalamus pour activer l’adaptation métabolique au froid. Selon les auteurs, cette nouvelle connaissance pourrait être utilisée pour traiter des dérèglements métaboliques, en manipulant ces souvenirs du froid chez l’humain afin d’activer le métabolisme. En gros, dire à notre cerveau qu’on va avoir froid pour qu’il oblige le corps à brûler du gras. Il se pourrait donc que le régime du futur consiste à regarder en boucle des images de neige… en plein été.