Psychohistoire

Dans le cycle des "Fondations", l'auteur de science fiction Isaac Asimov imagine une nouvelle discipline scientifique nommée "psychohistoire" qui repose sur l'étude statistique du comportement des populations  et qui permet de prédire l'évolution historique de celles-ci. La psychohistoire atteint un tel degré de raffinement que Hari Seldon,  le héro mis en scène dans le premier opus, arrive à prédire précisément l'avenir des peuples de la galaxie sur des millénaires. Fort de cette connaissance, il met au point une stratégie afin de tenter de modifier l'avenir.

Bien entendu tout cela relève de la science fiction et il est impensable que l'on puisse prévoir l'évolution sur le très long terme des sociétés. Toutefois et à une échelle infiniment moins grande, on peut se demander si les statistiques globales enregistrées par le moteur de recherche Google ne recèlent pas des informations qui, une fois correctement extraites et corrélées, permettraient de prédire certains comportements sociétaux et éventuellement d'agir sur ceux-ci. En tout cas, Google a à sa disposition une statistique mondiale d'utilisation de mots clés correspondant s aux préoccupations des gens.

En 2008 Google a soumis un article pour publication dans la revue Nature qui montre qu'en étudiant le nombre d'occurrences de certains mots clés dans les recherche des internautes il est possible d'avoir une vision claire de la situation des épidémies de grippes. En effet, une recherche de mots clés du genre: "Symptômes de la grippe", "fièvre", "douleurs musculaires", etc. si elle est répétée au même moment par des dizaines de personnes dans la même zone géographique, est très probablement le signe que la grippe a fait son apparition dans la région en question.

Le graphique ci-contre compare l'estimation du suivi de la grippe par Google (en bleu) à celui réalisé par des centres spécialisés (en orange). 

La similitude est frappante. Google est donc capable de mettre en évidence en temps réel l'apparition des foyers infectieux dans différentes régions du monde.

Google met à la disposition de ses utilisateurs un outil nommé "Google tendances" qui permet de tracer soit même une courbe qui représente la popularité de certaines recherche de mots clés en fonction du temps. Par exemple, le graphique ci-contre montre la distribution temporelle des recherches sur le mot "marxisme" en France.

Première observation : Le nombre de recherches tend à diminuer au cours du temps, semblant indiquer un désintérêt progressif des internautes pour cette idéologie. 
Deuxième observation : le graphique montre une structure périodique. Le nombre maximum de recherches a lieu au mois d'octobre de chaque année. Est-ce dû à la révolution d'octobre ? Ce serait assez paradoxal puisque celle-ci a eu lieu en novembre ! Il apparait également un regain d'intérêt que je n'explique pas en janvier et un autre plus évident en mai. Par contre, en juillet les préoccupations des français semblent être loin de la révolution ! La structure périodique est tellement bonne que Google se permet même de faire des prédictions sur l'avenir. Psychohistoire, tu n'es pas loin...

En s'amusant avec quelques mots clés, on se rend compte que beaucoup de recherches sont cycliques avec des explications plus ou moins évidentes. En tout cas, mesdames une recherche sur le mot "épilation" montre qu'il y a un relâchement certain chaque mois de décembre ! Pour finir, je me demande bien ce que peut signifier l'augmentation énorme des recherches sur le mot "nabot" au cours du mois en cours (septembre 2010) (authentique !)

Le cœur du Cœur

L'image que je présente a été obtenue depuis mon jardin et avec mon matériel d'amateur. C'est une vue de la zone centrale de la nébuleuse numérotée 1805 dans "l'Index Catalog of Nebulae and Clusters of Stars". IC1805, également appelée "Nébuleuse du Cœur" est située juste à côte de la "Nébuleuse de l’Âme" dans la région de Cassiopée (les astronomes sont de grands poètes !). Le centre de la nébuleuse contient un amas d'étoiles baptisé Melotte 15, du nom de son découvreur: Philibert Jacques Melotte.

Une nébuleuse diffuse est un gigantesque nuage de gaz très peu dense qui rayonne sous l'effet des radiations ultraviolettes intenses émises par des étoiles proches. Le gaz en question est très souvent de l'Hydrogène ionisé, on parle alors de région HII. Le gaz émet principalement une lumière rouge monochromatique, c'est-à-dire constituée d'une longueur d'onde bien précise et caractéristique des processus physiques mis en jeu. Il s'agit de la raie alpha de l'Hydrogène, ou Halpha.

Mis à part quelques rares cas, et bien qu'elles couvrent de larges régions du ciel, les nébuleuses diffuses ne sont pas visibles à l'œil nu, mais une petite lunette (66 mm de diamètre et 400 mm de focale) équipée d'une caméra CCD, suffit à capter et à accumuler ces photons interstellaires. Afin de renforcer le contraste de l'image, on équipe la caméra d'un filtre spécial qui sélectionne la longueur d'onde correspondant à l'Halpha (656,3 nm), en rejetant toute autre lumière. 

La photo ci-dessous est le résultat de l'accumulation de 38 images individuelles correspondant à un temps de pose total de 2h49. Durant tout ce temps, il faut faire en sorte que la lunette reste très précisément pointée vers la région du ciel observée, on utilise pour cela une deuxième caméra qui  asservit le guidage de la monture grâce à un logiciel informatique.

Située à environ 7500 Années Lumières de la Terre, l'image couvre une zone d'environ 200 Années Lumières. Les zones sombres qui  semblent sculpter la nébuleuse sont des amas de poussières qui absorbent la lumière. 

Quand Google fait du constructionnisme

En 1963, après un séjour en Europe, un certain Seymour Papert, mathématicien de son état, intègre le Massachusetts Institute of Technology (MIT) ou il créé un groupe de recherche sur l'épistémologie et l'apprentissage. Dans les années 60 Seymour Papert avait côtoyé Jean Piaget connu, pour ses travaux sur les mécanismes d'élaboration des connaissances qu'il nomme "constructivisme". Fort de cette inspiration, Seymour Papert élabore sa propre théorie de l'apprentissage qui débouchera sur le "constructionnisme". Tel que je le comprends, pour Piaget, la pensée s'élabore petit à petit suite à tout un ensemble d'expériences qui renvoient chacune quelques bribes d'informations sur le monde. Pour Papert, celui qui apprend, le fait d'autant mieux qu'il "construit" lui-même ses expériences et qu'il explique et discute celles-ci en groupe. On retrouve là les bases de la pédagogie Freinet, que j'ai déjà mentionné (ici) dans ce blog.

Pour mettre en œuvre ses  principes pédagogiques, Papert invente un langage informatique nommé LOGO. Le LOGO est un langage particulièrement logique et simple qui fut associé à un système graphique basée sur une Tortue se déplaçant sur un écran. Quand la Tortue se déplace, elle laisse une trace. Une succession de déplacements va donc permettre de réaliser une figure géométrique. Afin de construire ses connaissances, l'enfant est invité à résoudre des problèmes mathématiques sous une forme graphique en déplaçant la tortue à l'aide de commandes simples.  Par exemple, un cercle est représenté par une succession de petits déplacements intercalés avec de très légers changements de direction. L'idée est séduisante, car l'enfant construit petit à petit sa connaissance, à son rythme et en visualisant ce qu'il fait. Du même coup, il apprend la logique informatique avec un système très simple, la notion de boucles, par exemple apparait naturellement quand l'enfant réalise qu'une figure géométrique complexes n'est souvent qu'une répétition de déplacements élémentaires. L'informatique devient un outil pour réaliser des expériences qui seront autant de briques élémentaires dans l'élaboration de la connaissance.

Visiblement Seymour Papert, bien que victime d'un accident qui l'a laissé gravement handicapé, a laissé son empreinte au MIT qui a continué de travailler sur ces sujets à la jonction entre l'éducation et l'informatique. Actuellement, le MIT héberge un groupe nommé "Lifelong Kindergarten" dont l'une des devises est "Helping children grow up as creative thinkers", leur but est de "développer des technologies qui, dans l'esprit des blocs de constructions de notre enfance et de la peinture au doigt, étendent les limites de ce que les gens peuvent imaginer, créer et apprendre". Dans ce cadre, les chercheurs ont développé un système de programmation graphique, basé sur des "blocs" que l'on peut assembler d'une manière très simple de façon à élaborer un programme informatique complexe, un peu à la manière du LOGO et de sa tortue.

La programmation par blocs du MIT a été reprise par Google afin de créer un outil permettant à tout un chacun de développer des applications pour les téléphone fonctionnant avec le système Google Android, et ceci sans aucune connaissance préalable en informatique. Le résultat est étonnant, il est possible en assemblant quelques blocs représentés par des sortes de pièces de puzzle, de construire une application fonctionnelle relativement complexe.

Avec "App Inventor" Google fait le pari de l'intelligence ; plutôt que d'imposer aux développeurs potentiels de maitriser un langage et un environnement informatique complexe, ces derniers pourront concrétiser leurs idées de la manière la plus simple qui soit.  Google revendique le fait que cette initiative est dans la continuité des idées de Seymour Papert, et effectivement App Inventor est un excellent outil d'apprentissage. D'ailleurs qu'est ce qui pourrait motiver plus les enfants que la programmation de leur téléphone ?

Pour la petite histoire, Seymour Papert était parait-il un membre actif du cercle socialiste révolutionnaire lorsqu'il était à Londres. Comme quoi le MIT qu'il intégra 10 ans seulement après le Maccarthisme, n'était pas sectaire. Du coup c'est peut-être Google qui est devenu un peu révolutionnaire !

Un exemple d'assemblage de blocs dans App Inventor formant une application fonctionnelle.

Vers une science citoyenne

La science moderne est réputée être l'apanage des chercheurs professionnels, c'est-à-dire de personne ayant suivi de longues études concrétisées par un doctorat et ayant obtenus au moins un début de confiance de leurs pairs afin d'exercer une activité scientifique reconnue. En France, pour avoir le label de "scientifique" il faut appartenir à de grands organismes tels que le CNRS, l'Université, le CEA, l'INSERM, etc. Bien que le terme soit tombé en désuétude, on est bien encore dans un modèle ou le "Savant" détient la connaissance scientifique qu'il distille vers le public lorsqu'il le veut bien ou lorsqu'il ne peut pas faire autrement. Toutefois, ce modèle possède quelques exceptions et semble évoluer :

L'astronomie, par exemple est un domaine dans lequel les amateurs ont toujours apporté une contribution importante et reconnue. Par exemple, très récemment des impacts météoritiques ou cométaires sur la planète Jupiter, ont été observés par des astronomes amateurs  alors que ces phénomènes très fugitifs n'ont pas été vus par les professionnels. Les impacts étaient jusqu'alors supposés être très rares, il se pourrait qu'il soit beaucoup plus fréquents que ce que l'on imaginait (voir par exemple: http://www.planetary.org/blog/article/00002631/ ). Les astronomes amateurs ont l'avantage d'être nombreux et d'être répartis sur une grande portion de la planète. En permanence, le ciel est scruté par des personnes parfois très adroites et surtout très motivées. Malgré les programmes professionnels d'observation automatique du ciel et les prédictions régulières comme quoi, plus un seul corps céleste ne va bientôt plus échapper aux réseaux d'observations, le nombre d'astéroïdes ou de comètes découverts par les amateurs reste important.

En juillet 2008, trois amateurs ont découvert quasi-simultanément une nouvelle nébuleuse planétaire http://www.techno-science.net/?onglet=news&news=6857 c'est-à-dire les restes ténus de l'explosion d'une étoile. Celle-ci était complètement passée inaperçue par les professionnels alors qu'elle se trouve dans une région du ciel particulièrement riche. Cette découverte a été rendue possible par la mise à disposition des amateurs, de matériels d'excellente qualité, jusque là réservés aux professionnels (caméra, filtres à bande passante étroite, optique, monture, etc.) pour un prix abordable.

L'image ci dessous montre cette splendide nébuleuse, dite de la "bulle de savon" (crédit:  T. A. Rector/University of Alaska Anchorage, H. Schweiker/WIYN and NOAO/AURA/NSF) 

Paradoxalement la course aux télescopes géants ou spatiaux semble laisser tout un champ de recherche pour les amateurs qui exercent leur passion sans pression, sans contrainte et sans obligation de résultat. Parfois cela paye !

Dans un autre domaine, le projet SETI@home a été lancé en 1999 et fonctionne toujours. Il s'agit d'utiliser la puissance informatique disponible chez les particuliers pour analyser des signaux enregistrés par le radiotélescope géant d'Arecibo dans le but d'essayer de mettre en évidence un signal intelligent provenant d'un autre système solaire.  Par la suite, le projet BOINC a généralisé la méthode afin de permettre l'utilisation de PC individuels pour tout un ensemble d'applications allant des calculs de faisceaux pour le LHC au "docking" moléculaire afin de tenter de mettre au point de nouveaux médicaments, en passant par la modélisation climatique. Très récemment un pulsar radio a été découvert par trois "scientifiques citoyens" comme les nomme le responsable du projet EINSTEIN@home et fait l'objet d'une publication dans Science. Certes les "scientifiques citoyens" n'ont pas élaboré la méthode d'analyse, mais ils ont malgré tout contribué avec enthousiasme à cette découverte et ils vont certainement susciter un engouement pour que de nouvelles personnes mettent à disposition leurs ordinateurs personnels.

Le troisième exemple est lié à la mission spatiale Stardust dont j'ai déjà parlé dans ce blog. Stardust est cette sonde qui a collecté des poussières spatiales grâce à un astucieux système utilisant des blocs d'aérogel de silice et qui a pu les expédier sur Terre.  Le repérage et l'analyse des milliers d'impacts de poussière cométaires a pu se faire en laboratoire par les équipes scientifiques, alors que la deuxième partie du projet consistant à retrouver quelques dizaines de poussières provenant du milieu interstellaire a posé un problème majeur en raison du tout petit nombre d'impacts et du fait qu'il était très difficile d'automatiser la recherche. L'idée a été de faire appel au public, de mettre à sa disposition un logiciel lui permettant d'observer les images microscopiques et surtout de lui apprendre à reconnaitre les impacts. Des milliers de personnes se sont portées volontaires, certaine ont joué le jeu avec frénésie, inspectant visuellement des centaines de milliers d'images.  A ce jour 2  ou 3 impacts semblent être identifiés comme étant bien des poussières provenant du milieu interstellaire et les scientifiques professionnels réfléchissent au meilleur moyen de procéder à des analyses plus poussées sans risquer de les détruire. Si vous voulez contribuer à observer les images microscopiques de Stardust, vous pouvez le faire facilement en allant sur le site:
http://stardustathome.ssl.berkeley.edu/index.php - On se prend très vite au jeu…

Ces exemples montrent qu'il est possible d'associer les non-professionnels à la recherche scientifique, ce sont là d'excellentes initiatives qui ne peuvent que renforcer l'intérêt du public pour la science et que l'on pourrait sans doute étendre à d'autres domaines. Les américains l'ont compris, il reste un peu de chemin à faire en Europe pour faire sauter quelques verrous psychologiques.

Message de Mercure

La sonde spatiale Messenger a été lancée en 2004 par la NASA. Sa destination finale est la planète Mercure. La trajectoire de Messenger afin de gagner l'orbite de Mercure est assez complexe puisqu'elle implique 15 orbites autour du Soleil, 1 survol de la Terre, 2 de Venus et 3 de Mercure. Au cours de ce périple de près de 8 milliards de kilomètres, Messenger a la possibilité d'observer l'espace dans des régions qui sont difficilement visibles depuis la Terre car noyées dans la lumière solaire. Messenger recherche ainsi d'hypothétiques  petits corps célestes appelés Vulcanoids.

Dernièrement Messenger a réalisé le cliché suivant:

Rien de bien particulier direz-vous ? Sauf peut-être les deux points brillants très proches qui ne sont autres que la Terre et la Lune. Sur cette Terre vivent 6.9 milliards d'Êtres Humains, certains d'entre eux sont capables d'envoyer une sonde spatiale vers Mercure pendant que d'autres meurent par dizaines de milliers, victimes de divers fléaux.

La Terre semble minuscule et pourtant cette photo est prise de sa proche banlieue, Mercure n'est en effet qu'à "deux  planètes" de la Terre. A l'échelle de l'Univers, nous ne sommes qu'une infime poussière…

Pour plus de détails, lire l'article: http://www.planetary.org/blog/article/00002626/  Je conseille d'ailleurs de suivre son auteur, Emily Lakdawalla, sur Twitter ou sur Facebook, ses écrits sont toujours passionnants. 

Étonnant Aérogel

Les aérogels sont des matériaux bien curieux ; il s'agit une sorte de gel, duquel on a extrait toute la matière liquide afin qu'il ne reste que le squelette solide emprisonnant un gaz (de l'air la plupart du temps). Les aérogels les plus communs sont fabriqués à base de silice et possèdent des propriétés étonnantes. Ils sont d'une extrême légèreté (3 mg / cm3 pour les plus légers) tout en étant très résistants ; un bloc supporte allègrement 1000 fois son propre poids. Ce sont d'excellents isolants thermiques, capables de bloquer la chaleur d'un chalumeau sur une épaisseur très faible. Étant essentiellement constitués d'air, leur indice de réfraction est très faible (proche de 1) ce qui fait que l'on distingue à peine leurs contours. La structure complexe de la silice diffuse fortement la lumière ce qui leur donne une teinte bleutée à peine perceptible. Un bloc d'aérogel de bas indice de réfraction a un aspect un peu fantomatique comme le montre l'image ci-dessous, provenant de la NASA.

En physique des particules il est important de pouvoir déterminer la nature des particules produites dans les collisions. Il y a pour cela plusieurs techniques. L'une d'entre elle repose sur l'utilisation de l'effet Cherenkov, c'est-à-dire la propriété qu'on les particules électriquement chargées d'émettre un rayonnement lumineux lorsqu'elles traversent un milieu à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans ce milieu (la vitesse de la lumière dans un milieu transparent est inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide qui constitue une limite infranchissable, il n'y a donc pas de contradiction avec la Relativité). Les propriétés de la radiation Cherenkov dépendent de l'indice de réfraction du milieu et de la vitesse de la particule. En mesurant l'effet Cherenkov et en connaissant l'indice de réfraction du milieu, il est possible d'obtenir des indications sur la vitesse de la particule qui permettent de remonter à la masse de celle-ci et donc à sa nature.

L'aérogel, grâce à son indice de réfraction très faible, permet de réaliser des détecteurs à effet Cherenkov bien adaptés pour identifier les particules chargées (électrons, pions, kaons et protons) dans un domaine d'énergie intéressant. En 1996, dans l'expérience BaBar au Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), j'ai eu l'occasion de travailler sur la mise au point d'un prototype de détecteur à effet Cherenkov (qui n'a finalement pas été retenu pour l'expérience). Pour ce détecteur, il nous fallait travailler avec des aérogels de très bas indices de réfraction (n = 1.008) qui avaient été fabriqués par le Jet Propulsion Laboratory (JPL) à Pasadena (Californie), seul capable à l'époque de produire ce type d'aérogel.

Le JPL est un laboratoire associé à la NASA et spécialiste de missions spatiales très pointues. Ce n'est que bien plus tard que j'ai compris pourquoi le JPL travaillait sur les aérogels de silice. En effet, en 1996 le JPL préparait la mission Stardust qui a été lancée en 1999 et dont le but était de récupérer des échantillons de poussières cométaires et interstellaires. La sonde Stardust devait passer dans la queue de la comète Wild 2 et tenter de capturer quelques poussières afin de les ramener sur Terre pour être analysées. Le problème était que la vitesse relative des particules cométaires par rapport à la sonde était de plus de 6 km/s. Capter des grains de poussières à cette vitesse sans les abimer était un défi à la mesure des propriétés remarquables des aérogels. En effet, le maillage de silice est tellement fin, tout en étant peu dense, qu'il agit comme une sorte de filet qui arrête les poussières de comète sur quelques centimètres. Les grains restent piégés dans l'aérogel qui a le bon goût d'être pratiquement transparent et donc de permettre un repérage visuel des impacts à l'aide d'un microscope.

La comète Wild 2 fut survolée en 2004. En 2006, la cassette contenant l'aérogel et son précieux chargement cosmique fut larguée et récupérée sur Terre. L'analyse des poussières se poursuit encore, j'aurai l'occasion d'y revenir dans un prochain article.

C'est ainsi que ce matériaux aux propriétés étonnantes fut au cœur d'expériences liées à la fois à l'infiniment petit et à l'infiniment grand.

Deux