L'homme, produit-dérivé de la femme

On est quand même bizarrement fichus nous autres humains. Il suffit de nous comparer avec nos cousins primates: c'est simple on fait tout à l'envers! Pas ou peu de poils visibles sur notre corps pour nous tenir chaud mais par contre on se rattrape sur des endroits incongrus: sous les aisselles et autour des zones génitales, pile là où les autres singes n'en ont pas. Et sur le crâne aussi! Comme si on avait besoin d'avoir d'aussi longs poils pour s'abriter du soleil! Et puis pourquoi nos femmes arborent-elles des seins gonflés toute l'année alors qu'elles n'allaitent que quelques mois dans leurs vies? Les autres femelles singes sont plus sobres, elles, avec leur poitrine qui ne se gonfle qu'au moment d'allaiter (et encore!) et dont la forme bien plate rend quand même la tétée plus facile pour le nouveau-né. Qu'est-ce que la sélection a encore été nous chercher là? Comme d'habitude, la réponse est "on n'en sait rien", mais les théories des paléo-anthropologues ont au moins le mérite de raconter une histoire rigolote au sujet de notre sexualité...

Petit flashback, il y a environ deux millions d'années: Homo Ergaster est devenu définitivement bipède. Pas très rapide, l'hominidé, mais endurant! Il doit galoper souvent et longtemps dans la savane africaine. Pas pratiques ces poils sur tout le corps, c'est comme si vous courriez en pull-over! Vous avez trop chaud, vous suez et après vous êtes trempés et vous attrapez froid. C'est pour ça qu'on rase les chevaux de course l'hiver: ils se sentent mieux pendant l'effort, sèchent plus vite et il suffit de leur mettre une couverture sur le dos pour qu'ils ne se refroidissent pas. C'est exactement ce qui serait arrivé à Homo Ergaster, qui troqua donc ses poils contre des vêtements. Sauf aux endroits stratégiques, là où nos poils se sont faits complices de nos messagers olfactifs. "Ne vous lavez pas, j'arrive!" écrivait Napoléon à Joséphine après sa victoire à Marengo.
Et sur la tête? Les explications sont plus vaseuses, d'autant que les cheveux longs sont des nids à parasites. Et puis pas la peine d'avoir d'aussi longs cheveux pour protéger le cuir chevelu... Alors, quoi? Effet de la sélection sexuelle? Possible que les hommes préférent les femmes à cheveux longs, ou que les femmes préfèrent les hommes hirsutes. Pour le coup on n'en sait rien du tout.

Toujours est-il que cette drôle de répartition pileuse masque finalement ce qui est d'habitude le plus exhibé chez nos amis les bêtes: les testicules chez l'homme, la vulve chez la femme. Pour l'homme c'est pas très grave, il a été tellement vexé qu'il a développé le plus grand pénis de tous les primates. Non rétractile et sans os pénien s'il vous plaît! Le gorille de Brassens, avec ses cinq centimètres en érection peut aller se rhabiller. A part la sélection sexuelle, on ne sait pas très bien expliquer les raisons d'une telle course à l'armement chez l'homme, pas forcément plus efficace en termes de fécondité. Pour la femme, par contre, la pudeur est de mise, d'autant que la position debout a fait basculer tout l'appareil génital entre ses cuisses, le masquant complètement au regard des autres. Cette discrétion anatomique va de pair avec une sexualité cantonnée - théoriquement - à l'intimité du couple... Même au moment de l'ovulation, les changements morphologiques chez la femme sont extrêmement subtils, pas comme ses cousines primates qui exhibent leur vulve violacée et gonflée sous le nez de tous les mâles qui passent à proximité. Chez nous, à peine quelques phéromones insoupçonnables dont on commence à peine à mesurer les effets. Tant de discrétion est d'autant plus étonnante qu'en dehors de leur menstruation, les femmes, contrairement aux singes, sont en permanence disponibles pour l'accouplement. Ce mélange de disponibilité sexuelle et de pudeur est une exception dans tout le règne animal...

Pour en comprendre les raisons, les paléo-anthropologues font appel à une nouvelle exception humanoïde: la taille de notre cerveau. Pour survivre sans crocs, ni griffes, sans être très musclé ni très rapide, il a bien fallu que l'homme développe son cerveau pour organiser sa survie, fabriquer des outils, des vêtements, poser des pièges, aménager des abris etc. Mais la taille du bassin des femmes n'a pas suivi le rythme. Pour ne pas mourir en couches, il a fallu que les femmes accouchent de leurs bébés plus tôt, avant que leur cerveau ne soit bien développé: si l'on prenait comme référence la taille du cerveau adulte, la durée de la gestation devrait durer vingt mois pour un cerveau de 1000 cm³! Résultat, durant les premiers mois -voire les premières années les bébés d'hommes sont moins autonomes que les bébés singes et réclament toute l'attention de leur mère. Elever ses petits à deux est donc vite devenu indispensable et une réceptivité sexuelle permanente est un moyen plutôt efficace pour tisser des liens affectifs entre parents et retenir le partenaire-mâle au foyer, le temps d'élever les petits. La pudeur sexuelle permettrait, elle, de limiter les tentations avec d'autres partenaires. Une sexualité féminine à la fois discrète et permanente serait ainsi une solution trouvée par l'évolution pour assurer la survie de l'espèce-au-gros-cerveau.

Il reste LA dernière question, le meilleur pour la fin: pourquoi ces dames ont-elles des seins gonflés, alors que les femelles singes sont plates comme des limandes? On peut imaginer que des seins galbés sont signes de fécondité et de bonne santé, et que la sélection sexuelle les a donc privilégiés, mais dans ce cas pourquoi n'observerait-on pas le même phénomène chez les singes? L'éthologue Desmond Morris a dans les années 1960 émis une hypothèse plus originale. A la différence de la plupart des primates, nos interactions amoureuses et sexuelles se font avec les partenaires en face-à-face, toujours à cause de l'orientation particulière du vagin féminin; il serait donc logique que l'évolution ait favorisé l'apparition de signaux sexuels sur la face antérieure du corps féminin. C'est ce qui se passe par exemple chez les femelles Gelada:

Comme elles passent pas mal de temps en position assise, pour manger, leur organes génitaux sont peu visibles par les mâles. Or on retrouve sur leur torse une zone sans poil, rouge vif, avec au centre des petits mamelons rouge foncé qui imitent étonnamment les lèvres de leur vulve. La couleur de cette zone change d'intensité en fonction du cycle sexuel, signalant ainsi les phases de réceptivité de la femelle. De la même manière les mandrills mâles ont de très jolies tâches bleues et rouges sur le visage qui rappellent clairement les couleurs de leurs propres zones génitales.

Il se serait passé exactement la même chose chez la femme qui aurait développé des signaux sexuels visibles de face et en haut du corps. Quels signaux? L'arrière-train est un excellent candidat, d'autant que grâce à notre position verticale, nous sommes les seuls parmi les primates à avoir des fesses toute rondes. Et c'est ainsi que seraient développés des seins galbés, imitation presque parfaite de nos fesses et judicieusement placés sous les yeux des mecs. Et c'est vrai que la ressemblance prête parfois à confusion:

A l'appui de cette thèse, Morris observe que la montée du désir féminin est particulièrement visible sur les mamelons, qui sont la partie la plus mise en valeur des seins. Et l'on comprend mieux pourquoi le soutien-gorge "valorise" autant la poitrine.

Mais nous avons un autre candidat-stimulus au beau milieu du visage cette fois! Les lèvres féminines, rouges et humides, ça ne vous rappelle vraiment rien? A l'appui de cette thèse audacieuse, nous sommes les seuls primates à arborer des lèvres charnues, dont les renflements sont ostensiblement tournés vers l'extérieur. L'hypothèse est d'autant plus séduisante que le contraste lèvres-peau est un indicateur très fiable de la féminité d'un visage (cf ce billet précédent).

Toutes ces thèses sont bien entendus contestables et contestées, notamment du fait que les seins n'ont pas forcément de connotation érotique, chez certaines populations d'Afrique notamment. Néanmoins, je trouve cette théorie suffisamment amusante pour y rajouter mon grain de sel en proposant deux trois autres candidats à cette signalisation sexuelle:
- la courbure des reins (la "lordose"), signal visuel universel, efficace sur les mâles de toutes les espèces, du rat jusqu'au babouin. Tellement évocateur que l'on peut penser que la nature l'a répliquée partout sur tout le corps féminin depuis l'arrondi du mollet (accentué par exemple quand madame porte des talons) jusqu'à la silhouette générale en forme de violoncelle.

- les échancrures de toutes sortes (je n'ose dire "de tout poil"), qui évoquent évidemment la partie visible de la vulve, et qui donnent tout leur charme aux décolletés et aux pantalons taille basse.
- [trouvé après coup]: l'invention (culturelle cette fois) du vernis à ongle rouge ne fonctionne-t-elle pas sur sur le même registre que celui des lèvres, en évoquant par sa couleur la zone génitale féminine?
Le corps féminin est comme le dit joliment Pascal Pick, littéralement envahi par les signaux sexuels!

Diable, je me rends compte que je n'ai parlé que des femmes! Et les hommes alors? Pourquoi ont-ils des lèvres? Et pourquoi des seins, puisque ça ne sert à rien? Ce sont sans doute là les limites de l'évolution. L'homme et la femme se développant à partir du même "patron" embryonnaire, ils partagent la même morphologie générale, à quelques détails près. A partir du moment où des lèvres charnues et des seins visibles ont été sélectionnés chez la femme, toute l'espèce en a été affectée, hommes comme femmes. Et dans la mesure où ces caractères ne constituent pas vraiment un handicap, l'homme les a conservés malgré leur absence d'utilité. En somme, l'anatomie de l'homme serait ainsi le fruit de l'évolution... de la femme: un produit-dérivé en quelque sorte.

Sources:
Le sexe, l'homme et l'évolution de Pascal Picq et Philippe Brenot (2009, Odile Jacob)
Field notes from an evolutionary psychologist (en anglais)
La place de l'homme parmi les vertébrés dans le blog de Jean-Louis Cordonnier
Homo sexualis, du collectif 12 singes

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Vraiment sans gène, pour d'autres théories plus invraisemblables (à mon avis) concernant notre goût pour les blondes.

Ce qu'on risque à prendre racine

Attention... top! Je cumule dans mon organismes plusieurs patrimoines génétiques simultanément, sans que ça n'affecte ni mes fonctions vitales, ni ma silhouette, qui suis-je? Tic-tac-tic-tac. Je me moque en général des prédateurs car je n'ai aucun organe vraiment vital et je me regénère entièrement à partir de n'importe quelle morceau de mon corps. Tic-tac-tic-tac. Je suis potentiellement immortel et toute ma vie je n'arrête pas de grandir. Tic-tac-tic-tac. Mes mœurs sexuelles sont étranges: je suis hermaphrodyte, capable à la fois de reproduction sexuée et pourquoi pas d'auto-fécondation mais je me fusionne volontiers avec d'autres individus de mon espèce.

Vous n'avez pas trouvé? Ce dont on parle représente pourtant la moitié de la biomasse terrestre... Et oui, ce sont les plantes! On s'émerveille volontiers devant les charmes des végétaux ou leurs incroyables propriétés chimiques, mais notre conception de la biologie est tellement "zoo-centrée" que l'on pense rarement à eux quand on parle d'évolution ou de stratégie adaptative. Et pourtant dans ce domaine aussi elles font des prodiges...

Plantes en plastiques
Chez les animaux, les mutations génétiques au sein de l'organisme sont une menace permanente et le système immunitaire veille au grain pour éliminer les cellules mutantes. Pas de ça chez les plantes, qui aiment l'anarchie! La variabilité génétique est non seulement permise, mais favorisée! Le nombre de chromosomes du Claytonia Virginica -l'espèce d'herbe folle moche sur la photo de droite- peut varier de douze à soixante-douze dans une même plante. Et sur les figuiers étrangleurs vivant sous les tropiques, on a trouvé jusqu'à 45 génotypes sur 13 arbres étudiés. En l'absence de système immunitaire, chaque forme mutante prolifère librement dans son coin de la plante, avec plus ou moins de succès par rapport aux formes voisines et que le meilleur gagne!

Certains néodarwiniens ne voient dans les organismes que de simples artifices, inventés par les gènes pour se répliquer plus efficacement! Leur démonstration tombe à l'eau avec les plantes, dont l'organisme semble justement programmé pour modifier en permanence ce précieux patrimoine génétique! Pas égoïstes pour deux sous, les gènes chez les plantes!

A quoi bon cette variabilité génétique? On n'en sait rien mais on peut faire des hypothèses: contrairement aux animaux qui se déplacent pour trouver l'environnement qui leur convient, les plantes, fixées au sol, n'ont pas cette possibilité. La variabilité génétique au sein de chaque plante compenserait en quelque sorte leur absence de mobilité en leur procurant une sorte d'assurance contre les changements de l'environnement. Grâce à elle, les plantes dispose en effet d'un extraordinaire arsenal chimique leur permettant d'attirer les insectes pollinisateurs, de repousser les gêneurs, de nourrir leurs protégés, d'empoisonner les enquiquineurs. Il y a même une variété de pomme de terre qui se défend des attaques des pucerons en imitant leur propre "cri d'alarme" (phéromonique, s'entend). Bientôt, le cri de la pomme de terre, sur MySpace?

Pourtant contrairement à ce qu'on aurait pu croire, ces modifications génétiques n'affectent guère la forme générale de la plante, mais uniquement ses propriétés chimiques; on n'a pas encore très bien compris comment, mais il semble que la forme déjà existante de la plante serve de "patron" (au sens où les couturiers emploient ce mot) aux bourgeons en croissance. Ainsi la forme s'auto-réplique à l'identique, malgré les éventuelles variations génétiques.

Rien que des cellules souches!
Plusieurs facteurs facilitent cette diversité génétique. Certes, la graine a pu attendre des siècles avant de germer, mais une fois qu'elle a commencé elle ne s'arrête jamais, tant que les conditions le permettent! Et le pissenlit, ricaneront les esprits chagrins, pourquoi reste-t-il toujours riquiqui s'il grandit sans arrêt? Aussi bizarre que ça puisse paraître, si le pissenlit de grandit pas en apparence, c'est qu'il s'enfonce en permanence sous terre, tiré par ses racines.

Cette croissance permanente n'est possible que parce les cellules végétales conservent une éternelle jeunesse embryonnaire. Alors que les cellules animales cessent de se différencier une fois parvenues au stade adulte, les cellules végétales conservent intacte leur capacité à se diviser, à croître et à se différencier. Pas de quoi s'ébahir devant les queues des lézards ou les membres des salamandres qui repoussent quand on les coupe: n'importe quelle plante fait ça tous les jours avec n'importe quelle partie d'elle-même, mais on y est tellement habitué qu'on ne s'en étonne plus. Et pourtant n'importe quelle cellule végétale est effectivement une cellule souche, capable de se "dédifférencier" pour se transformer en n'importe quelle autre cellule.

Fractals les arbres?
Plein de multiplications cellulaires, sous beaucoup de rayonnements ultra-violets: un vrai bonheur pour les mutations génétiques!
Mais les plantes font encore mieux: si un arbre basculé par une tempête se retrouve les racines en l'air et les branches dans le sol, il peut parfaitement transformer ses racines en branches et ses branches en racines, pour retrouver une allure normale à la saison suivante. Imaginez la même chose chez les animaux: ce serait comme si les chauve-souris qui s'endorment la tête en bas se réveillaient avec leurs pattes métamorphosées en tête et vice-versa...
S'il est couché horizontalement, notre arbre transforme ses branches (passées en position verticale) en autant de jeunes troncs et "réitère" progressivement. Cette "réitération", c'est-à-dire la capacité de reproduire au niveau de chaque rameau la forme générale de la plante qu'on retrouve chez plein d'espèces végétales fait de l'arbre une structure quasiment fractale!

A défaut de mobilité, cette structure très décentralisée et sans organe vital permet aux plantes de résister aux pires agressions. La palme de la résistance revient là encore au pissenlit: essayez donc de le détruire: vous lui coupez la tige? Il repousse. Vous l'arrachez? Il restera toujours un morceau de racine qui regénérera l'ennemi. Vous labourez? C'est pire! Chaque morceau de racine reformera un pissenlit, comme les balais de l'apprenti-sorcier! Comme le dit joliment Jean-Henri Fabre, le pape de la botanique, alors que dans le monde animal diviser c'est détruire, "relativement au végétal, diviser c'est multiplier".

L'immortalité est dans le pot
Autre surprise: les plantes ne sont généralement pas programmées pour mourir. Si elles meurent c'est le plus souvent dû à des causes externes. Potentiellement immortelles? Entendons-nous: chaque plante individuellement finit par succomber aux aléas de l'environnement -même si certains arbres ont plus de 5000 ans d'existence. Mais lorsqu'elles se reproduisent par clônage, la colonie est, elle, potentiellement immortelle. Le record est actuellement détenu par le houx royal de Tasmanie (lomatia tasmania sur la photo à droite) dont la graine fondatrice a germé il y a plus de 40 000 ans. La colonie qu'elle a engendré date du temps de l'homme de Néandertal! Idem pour les bananiers dont nous mangeons les fruits: comme ils se reproduisent tout seuls sans pollinisation ni fécondation (par "parthénocarpie" comme l'explique SSAFT), nous nous nourrissons du même "individu génétique" depuis plusieurs milliers d'années.

Pourquoi les animaux sont-ils tous programmés pour mourir et pas les plantes? On peut juste conjecturer que les plantes, à la différence des animaux, ne se livrent pas (ou peu) à une lutte permanente pour leurs ressources alimentaires. Certes, elles sont en compétition pour l'accès à la lumière mais cette concurrence en sans commune mesure avec celle des animaux, au sein d'une même niche écologique, au sein d'une espèce et même entre générations. Si les animaux ne mourraient pas, leurs descendants n'auraient bientôt plus de quoi manger: leur vieillissement est donc une nécessité écologique assurant la survie de l'espèce. Pour les plantes fixées, le problème se pose de manière moins aigüe, et elles peuvent sans dommage faire l'économie des mécanismes de vieillissement comme elles ont fait l'économie d'un système immunitaire.

Pourquoi tant de sexe?
Alors forcément quand on est potentiellement immortel, qu'on se reproduit par bouturage, que la diversité génétique vient toute seule au sein même de la plante, on peut à juste titre se demander pourquoi les plantes continuent de se reproduire sexuellement. Le mystère reste entier, mais l'une des hypothèses est que la sexualité permet de tester la viabilité de ces trop nombreuses variations génétiques. En effet, les gamétophytes (comme le prothalle de la fougère, sur la photo de gauche) - l'équivalent végétal de nos gamètes, dotés d'une seule moitié des chromosomes de la plante- mènent leur propre vie dans la terre, avant de s'unir pour donner une nouvelle plante. Ce stage-terrain est impitoyable pour les allèles non viable; la sexualité joue ainsi un rôle de "filtre à diversité" c'est-à-dire exactement l'inverse de sa fonction de "diversifiant génétique" qu'on lui attribue généralement chez les animaux!

Avec toutes ces histoires de clonage et de regénération à partir de n'importe quelle pousse, il y a une question qui forcément fait mal à la tête: c'est quoi un individu quand on parle d'une plante?
Est-ce chaque petite partie de la plante, du fait qu'elle est porteuse d'un patrimoine génétique homogène et qu'elle peut croitre et se reproduire?
Est-ce la colonie des plantes toute entière, qui se reproduit par clonage végétatif et est donc génétiquement homogène ?
Est-ce la plante elle-même, qui fait des fleurs pour éviter de s'auto-féconder? Voire. Certaines espèces d'orchidées comme l'Ophrys abeille (photo de droite) peut accepter de s'autoféconder si le pollen d'une autre plante vient à manquer. Et dans l'autre sens, les horticulteurs usent et abusent de la fécondité entre variétés différentes pour en créer sans cesse de nouvelles.
Après deux aspirines, on peut juste dire qu'il est manifestement plus facile de qualifier un individu de "plante verte" que l'inverse.

Devient-on forcément un légume quand on prend racine?
Récapitulons: pas de système immunitaire, pas de vieillissement, une structure décentralisée qui confine au fractal, la faculté de renaître à partir de n'importe quel rameau, des mutations génétiques en cours d'existence et finalement une vie tellement collective qu'on ne sait plus très bien distinguer où s'arrête l'individu et où commence la colonie. Comment savoir si toutes ces excentricités évolutives sont vraiment la réponse adaptative des plantes aux contraintes de leur vie fixée? Facile! Il suffit de vérifier si les animaux fixés ont développé ou non les mêmes particularités. Les coraux, par exemple. Bingo! Nos "Questions Pour un Champion" ont trouvé une autre réponse possible. Jugez-en plutôt:
- les colonies de corail développent fréquemment des formes mutantes (des "néoplasmes") car -devinez quoi- les coraux n'ont pas de défense immunitaire pour les éliminer;
- 15 000 ans, c'est l'âge estimé des récifs coralliens les plus anciens;
- le corail grandit toute sa vie, en se ramifiant;
- amputez l'axe d'un corail des coraux, il repousse; renversez-le: il réitère comme un arbre;
- la vie des coraux est tellement liée à leur colonies que la notion d'individu y est très relative;
- les coraux peuvent se reproduire tout seul, par bourgeonnement ou se fusionner par bouturage y compris entre espèces voisines.
- comme les plantes, les coraux ont un "haut" et un "bas", mais pas de "devant" ni de "derrière";
- les coraux ont développé tout un arsenal biochimique -certes plus modeste que les plantes,

On pourrait continuer longtemps la liste des similitudes entre plantes et coraux que l'on retrouve plus ou moins avec les éponges et les hydres. Cette spectaculaire convergence évolutive entre ordres animal et végétal illustre à quel point les contraintes de l'environnement imposent aux organismes des réponses adaptatives similaires, quelque soit leur lignée, leur famille ou leur ordre. Moralité, la prochaine fois qu'on vous traite de banane ou de patate, prenez-le comme un compliment et n'hésitez pas à ramener votre fraise!

A lire: l'excellent "Eloge de la plante" de Francis Halle dont la lecture a inspiré cet article. A défaut, son interview dans Sciences et Avenir.

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Par les temps qui courent

Notre perception du temps qui passe est très zarbie. Si vous sondez un candidat du bac à la sortie d'une épreuve, il vous dira que les quatre heures sont passées comme un éclair. Mais si vous lui demandez de se souvenir de son petit-déjeuner du matin même, ce souvenir lui semblera étrangement lointain. Idem, même quand vous passez des vacances très actives, dans un lieu que vous découvrez pour la première fois, chaque journée filera très vite et pourtant vous avez l'impression qu'il s'est écoulé une éternité depuis votre dernier jour avant ces vacances.

Inversement, si quelqu'un a des journées monotones, angoissées ou pas très intéressantes, chacune lui paraitra interminable sur le moment mais rétrospectivement, il aura l'impression que les semaines filent à grande vitesse. Comme si notre sensation du temps instantanée était toujours à l'inverse de la perception rétrospective. Bizarre non?

La plupart des scientifiques font l'hypothèse d'une horloge interne pour les durées entre une seconde et quelques heures, réglée sur nos rythmes propres -respiration, battements cardiaques ou fréquence des décharges de nos neurones. Pour évaluer une durée, on compterait inconsciemment le nombre de tic-tic produits pendant ce laps de temps. Comme cette horloge interne se laisse facilement dérégler, un petit coup de stress et hop! le temps semble passer soudain très lentement. C'est ce qui se passe quand on éprouve une émotion très forte -lors d'un accident par exemple. La fraction de seconde qu'a duré le choc paraît avoir duré une éternité.

Cette interprétation a au moins le mérite d'expliquer l'impression d'allongement du temps rétrospectivement, mais pas la sensation du temps qui file quand on est concentré sur une activité. Comme nos chercheurs ont eux-mêmes du temps à perdre, ils ont vérifié expérimentalement: on a demandé à des volontaires d'effectuer une tâche nécessitant beaucoup d'attention et d'estimer le temps passé à cette tâche. Comme on peut s'y attendre plus la tâche était absorbante, plus nos volontaires ont sous-évalué le temps qu'ils y ont consacré. Le mystère reste donc entier et les explications que j'ai lues (par exemple l'hypothèse qu'on "oublierait" de compter les tic-tac de l'horloge interne quand on est trop concentré sur quelque chose) ne m'ont pas convaincu. Nous entrons donc ici dans une zone de pure spéculation Xochipillesque. Vous voilà prévenus! Je compte sur vos commentaires éclairés pour faire émulsionner le jus de crâne qui va suivre.

Est-il nécessaire de faire intervenir une horloge interne dont les effets sont parfois contradictoires avec l'expérience? Mon hypothèse est qu'on peut en faire l'économie, en supposant par exemple que la perception de durée est proportionnelle à la diversité des sollicitations extérieures ou des états émotionnels pendant ce laps de temps.

Un exemple: promenons-nous en terrain inconnu. A l'aller on ne connaît pas le chemin, nos sens sont en alerte, attentifs à chaque nouveauté, occupés soit à admirer le paysage soit à ne pas se perdre. Le temps semble très long, à la mesure de la diversité des sollicitations sensorielles. Au retour, le chemin est connu, plus de risque de se perdre. Notre attention se relâche, nos sens sont en paix: la durée perçue semble plus courte. Essayez, vous verrez c'est systématique, à une nuance près: si au retour, vous craignez de ne pas être sur le bon chemin -parce que vous n'êtes pas sûr de le reconnaître, vos sens restent en alerte et le chemin du retour vous paraît beaucoup plus long! De la même manière à mesure que l'on vieillit, les événements de la vie -anniversaires, Noël, vacances, etc. nous surprennent de moins en moins et les années semblent passer de plus en plus vite.

Cette théorie pourrait aussi résoudre le paradoxe des deux perceptions contradictoires du temps qui passe, quand on est absorbé dans une activité. Concentré sur notre tâche, on n'entend rien, on ne voit rien. En toute logique:
- sur le moment notre attention s'est focalisée sur une seule tâche. La "diversité des sollicitations" est alors minimale: le temps passe très vite.
- Une fois l'activité terminée, le souvenir de ce qui l'a précédée rappelle l'immense changement mental par lequel on est passé. Changement automatiquement associé à un laps de temps plus long. Ca marche!

Que se passe-t-il quand on s'ennuie? On est alors "distrait" et notre attention faiblement mais constamment sollicitée par n'importe quoi, même si on n'y accorde aucune importance. Le temps passe (trop) lentement à cause de cette absence de focalisation mentale. Mais rétrospectivement ces sollicitations insignifiantes sont gommées de la mémoire, et le lendemain on a l'impression que cette journée a filé désespérément vite. A moins évidemment qu'on ne garde clairement en mémoire le souvenir que l'attente était interminable, mais là ça devient compliqué!

Allez, puisqu'on en est aux théories à deux balles, je soupçonne les personnes hyperactives de chercher simplement à échapper au temps qui passe. Avec le double effet kiss cool d'ailleurs: d'une part leur hyperactivité les empêche sur l'instant de voir le temps passer. Ensuite, la diversité de leurs activités leur donne rétrospectivement la sensation d'un temps qui s'écoule très lentement... La distraction permanente agit en quelque sorte comme un refuge contre la perspective de la mort. Est-ce un hasard si notre société -où la mort est l'un des derniers tabous- encourage comme jamais cet boulimie de distraction?

Sources et articles sur le sujet:
The Psychology of Time, in Journal of Young Investigator June 2009
Time Perception sur le blog de Edward Willett 2004
Our consciousness of time, du blog Dichotomistic de John Mc Crone

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A quand la non-communication efficace? sur le syndrome de la réactivité instantanée en entreprise.

Lune providentielle

Avec ses drôles de formes à sa surface, la face visible de la lune a intrigué le monde entier: les Chinois y ont vu un lapin, les Gaulois deux petits enfants portant un seau, les Néo Zélandais une jeune fille... En revanche il semblait naturel de voir toujours la même face car on a longtemps cru que toute la voute céleste tournait autour de la Terre. Mais aviez-vous déjà songé que la lune tourne sur elle-même exactement au même rythme qu'elle tourne autour de la Terre? Cette coïncidence n'en est pas pas vraiment une, comme on va le voir...

Pourquoi une face cachée sur la lune?
Pour planter le décor général, la lune en orbite autour de la Terre est soumise à deux forces:
- l'attraction de la Terre, six fois plus grosse qu'elle.
- une force centrifuge liée à sa rotation autour de la Terre, exactement comme lorsque vous prenez un virage serré en voiture.
La gravité terrestre attire la lune vers la Terre, la force centrifuge la repousse. Comme ces deux forces s'équilibrent à peu près au centre de gravité de la lune, sa distance à la Terre reste à peu près constante entre deux révolutions.

Jusqu'à présent on a raisonné globalement. Vous êtes dans la lune? Profitons-en pour voir ce qui s'y passe en surface:
- le côté le plus proche de la Terre subit plus fortement l'attraction de la Terre;
- du côté opposé, la force d'attraction est plus faible car on est plus loin de la Terre. C'est donc la force centrifuge qui l'emporte et "tire" ce côté-là loin de la Terre.
Si la lune était en pâte molle, elle aurait tendance à se déformer en une espèce de ballon de rugby, pointant en permanence vers la Terre.

En réalité la lune tourne sur elle-même. Si elle a un tant soit peu la forme d'un ballon de rugby, le système de forces qu'on vient de décrire tend à le maintenir aligné en permanence sur l'axe Terre-Lune.

Si la lune tourne plus vite, les forces ralentissent sa vitesse (et vis versa si elle tourne plus vite) jusqu'à ce ce que sa période de rotation autour de la Terre soit la même que celle de sa rotation sur elle-même; une fois notre ballon de rugby bien aligné dans l'axe Terre-Lune, le renflement s'accentue sous l'effet des forces, ce qui stabilise davantage la synchronisation des rotations.

Certes au début la lune n'avait sans doute pas la forme d'un ballon de rugby. Mais il aura suffi d'une petite déformation initiale pour que s'amorce et s'amplifie ce phénomène de synchronisation-déformation. Voilà pourquoi nous voyons toujours la même partie (renflée) de la lune et jamais sa face cachée. On observe la même chose sur la plupart des satellites des autres planètes du système solaire.

Les marées
C'est le même système de forces opposées qui est à l'origine de nos marées. Mais, objecterez-vous si vous avez bien les pieds sur Terre, notre planète tourne autour du soleil, pas autour de la lune!
En réalité, les deux planètes tournent ensemble autour du centre de gravité Terre-Lune, qui se situe à quelques milliers de kilomètres de la Terre (source de l'illustration ici). Et le raisonnement précédent s'applique de la même façon à la Terre soumise à l'attraction lunaire. Cette fois-ci le résultat se fait directement sentir sur le niveau des océans (surtout que les chocs contre les continents peuvent amplifier considérablement ces mouvements) qui forment des bourrelets des deux côtés de notre planète. Comme notre planète tourne sur elle-même en 24H, il y a donc bien deux marées hautes à 12H d'intervalle.


(source: Relais d'sciences)

Marée lunaire ou solaire?
Mais au fait, pourquoi serait-ce la lune qui crée les marées et pas le soleil? Voyons un peu les ordres de grandeur:
Masse du Soleil = 2 10³⁰ kg soit 27 000 000 de fois la masse de la Lune (7 10²² kg)
Distance Soleil-Terre = 1,5 10⁸ km soit 390 x distance lune-Terre (390 000 km)

La force de gravité est proportionnelle à la masse sur le carré de la distance, celle du soleil vaut 177 fois l'attraction de la lune (27 000 000/390²)! De quoi tomber de la lune, si j'ose dire: si le soleil nous attire plus que la lune, ne devrait-il pas contribuer beaucoup plus fortement au phénomène des marées?

En fait, ce qui qui crée les marées n'est pas cette force de gravité, mais la différence entre la force de gravité et la force centrifuge. Comme celle-ci a pour valeur constante la force de gravité au centre de la planète, la force de la marée est proportionnelle à la variation de la force de gravité en fonction de la distance (on appelle ça le gradient). Autrement dit, une force en M/D³ (avec D distance de la Terre à l'astre, si les calculs vous intéressent regardez ici par exemple). Et effectivement 27 000 000 / 390³ = 0,45. L'influence du soleil sur les marées est moitié moindre que celle de la Lune. Etonnant, non?

On lui doit la vie...
Ces interactions entre Terre et lune cachent bien d'autres secrets. La Terre tourne beaucoup plus vite sur elle-même que la lune (24H contre 28 jours). Ses bourrelets de mer haute sont donc toujours un petit peu en avance sur l'axe Terre-Lune et "tirent" la lune vers l'avant. La lune s'écarte donc doucement de la Terre de 4 cm par an, en accélérant. Au début de l'ère primaire la lune n'était qu'à 150 000 km de la Terre, contre plus du double aujourd'hui. A cette distance, elle provoquait des marées hautes de milliers de mètres, dévastant les continents et dissolvant au passage les minéraux nécessaires à l'apparition de la vie. Par chance, cela fait maintenant des lunes que notre satellite s'est suffisamment éloignée de nous pour ne plus nous infliger de tels raz-de-marées.

A l'inverse la lune est toujours en retard sur les bourrelets terrestres des marées hautes (source de l'illustration ici). Elle attire donc ceux-ci en permanence et finalement ralentit la rotation de la Terre, au même titre que les frictions des marées contre les continents. En quatre milliards d'années la durée de nos journées sur Terre a été divisée par quatre, grâce à la lune. Et heureusement, car une grande vitesse de rotation est synonyme de vents violents et de cataclysmes permanents! On lui doit donc une fière chandelle à la lune, d'autant que comme cadeau Bonux, sa présence stabilise aussi l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre par rapport à l'écliptique. Sans elle, cet axe -un peu lunatique serait-on tenté de dire- basculerait brusquement de temps à autre, provoquant de terribles bouleversements climatiques. Moralité: même les vieilles lunes sont parfois providentielles.

Finalement notre vie de couple avec la Lune, c'est une sorte d'histoire d'amour à l'envers: ça a commencé de façon catastrophique et ça se termine par une lune de miel permanente.

Sources:
Robert in Space: un excellent site sur l'astronomie, .
Le site de l'université de Nice, très pédagogique.
Je vous recommande aussi ce petit film sur la lune et ce site sur la lune, très bien fait

Des ondes à remonter le temps

Remonter le cours du temps? Mathias Fink fait ça tous les jours à l'Ecole de Physique Chimie. Pas avec des particules (on a vu ici pourquoi), mais avec des ondes. Oui oui, des ondes... Et plus le milieu est compliqué plus c'est facile pour lui. Allez, je vous emmène visiter sa machine à remonter le temps un peu spéciale...

Une idée de la difficulté du problème...
Prenez une table de billard. Lancez une boule dessus et laissez-la rebondir sur les parois. A tout moment, en inversant simplement sa vitesse vous pouvez lui faire faire le chemin inverse. Pas facile bien sûr, il faut être précis. Si la boule à heurté une autre boule au passage, il vous faut renverser les vitesses des deux boules simultanément, ça devient de l'art. S'il y en a trois, les faire revenir à leur position de départ tient du miracle, car la moindre imprécision dans leurs vitesses initiales change complètement leurs trajectoires: c'est ce qu'on appelle un système chaotique. Avec dix boules, même en simulant entièrement l'expérience par ordinateur ça ne marche pas: la précision requise pour faire refaire la trajectoire inverse de chaque boule dépasse celle des ordinateurs les plus puissants. Compliquons un peu: sur votre billard, remplacez les deux bords latéraux par des demi-cercles: vous venez d'inventer une machine infernale ("ergodique" disent les physiciens) qui fait rebondir chaque boule de manière absolument imprévisible. Voilà pourtant les conditions hautement acrobatiques dans lesquelles Mathias Fink travaille à l'inversion des mouvements! Mais bizzarement, ce qui serait totalement inenvisageable en mécanique (qui décrit les mouvements individuels des solides par exemple) s'avère plutôt simple en acoustique (qui décrit le mouvement collectif de molécules sous l'effet des variations de pression), car chaos et mouvements collectifs font bon ménage.

Des miroirs qui parlent verlan
Toute l'astuce consiste à utiliser un "transducteur": petit appareil minuscule génial, qui peut faire office à la fois de micro et de haut parleur. Voici comment on procède: au lieu de prendre un billard, on utilise une boîte pleine d'eau, au milieu de laquelle sont placés des milliers de petites tiges métalliques.

D'un côté, un transducteur-source émet un petit "clic", un son très court (1 msec). Cette belle onde -sphérique au départ- se propage dans l'eau et ricoche dans tous les sens contre les bords et sur les tiges métalliques. Le résultat de toutes ces interférences est un son épouvantablement brouillé qui dure 300 msec et qu'enregistrent fidèlement une centaine de petits transducteurs, placés à l'autre bout du bocal.

Le coup de génie qu'a eu Fink a été de faire réemettre à chaque transducteur le bruit qu'il avait capté, mais dans l'ordre chronologique inverse, en verlan en quelque sorte. Un peu comme un miroir qui réfléchirait les ondes reçues. Et ça marche! L'onde parcourt dans l'autre sens toutes les étapes antérieures de sa propagation et se refocalise sur le point source initial en une impulsion très brève. Comme dans un film qu'on repasse à l'envers.
On a refait l'expérience dans tous les milieux (eau, air, solide, corps humain) et tous les types d'ondes (optiques, sonores, ultra-sons...) avec le même succès pour autant que les ondes sont bien réfléchies sur toutes les parois.

Plus c'est compliqué, plus c'est simple de retourner le temps!
Je vois au moins trois sujets d'émerveillement dans ces expériences:
- Plus le milieu est bruité ou inhomogène, plus notre miroir est efficace dans son renversement! Non seulement les réverbérations chaotiques ne gênent pas ce retournement du temps, mais elles le facilitent: contrairement aux particules les ondes "aiment" le chaos.

- Pas besoin d'avoir des capteurs dans tout l'espace, un très petit nombre suffit: si l'on avait suivi jusqu'au bout l'analogie avec les boules de billard (dans l'espace!), il aurait fallu renverser leurs mouvements dans tout le volume d'eau, donc placer des capteurs partout dans l'espace, espacées d'un demi-centimètre chacun (une demi-longueur d'onde). Dans l'expérience du bocal, on en a utilisé une centaine, mais dans l'expérience suivante, avec un milieu parfaitement "ergodique" (c'est-à-dire générant des réverbérations chaotiques partout) un seul micro suffit! Cette fois-ci c'est une galette de silicium qui assure la propagation d'une onde vibratoire et les transducteurs sont des petits marteaux qui tapent dessus et enregistrent les vibrations de la plaque:

- Les ondes ne sont pas "chatouilleuses" aux erreurs expérimentales. La méthode est tellement robuste et tolérante aux approximations, qu'il est inutile de réemettre la totalité du signal reçu par les capteurs: dans l'expérience ci-dessus, n'importe quel échantillon de 2 ms pris au hasard dans le signal enregistré donne d'excellents résultats, par le simple jeu des interférences. De même, diviser par 10 la précision du codage du signal réemis ne dégrade pratiquement pas la qualité de la restitution.

Comment faire entendre des voix à Jeanne d'Arc?

Simple curiosité physique? Vous plaisantez! Le retournement temporel est l'un des phénomènes les plus féconds en applications innovantes dans tous les domaines, à commencer par les télécommunications en milieu bruité.

En milieu marin la communication est un casse-tête à cause des réverbération des signaux sur le fond et la surface (ce sont ces réverbérations qu'on entend en fait dans le chant des baleines et qui leur donne leur longueur et leur langueur). Un chaos idéal pour notre retournement temporel! Il suffit pour que deux bateaux communiquent ensemble qu'ils procèdent comme ça:

1) Le bateau 1 émet un petit "clic", qui arrive sous forme d'un long gloubi-boulga au navire 2.
2) Le bateau 2 enregistre ce signal grâce à une série de transducteurs (évidemment c'est plus des trucs riquiquis si vous regardez la photo), le renverse temporellement mais au lieu de le renvoyer tel quel, il le combine (il le "convolue" si on veut être précis) avec le message à envoyer "coucou bateau 1!", le tout en un pouillème de seconde.
3) Grâce à la magie des ondes, le signal émis fait le chemin en sens inverse et se focalise pile poil sur le bateau 1. Il n'y aura qu'à cet endroit précis qu'on recevra le message "coucou bateau1!".
4) Partout ailleurs le message du bateau 2 sera incompréhensible!

L'opération de retournement temporel est si rapide à réaliser, qu'elle fonctionne même quand les bateaux se déplacent.

Si l'on revient sur la terre ferme, il y a intérêt à utiliser la même méthode dès que de nombreux obstacles gêntnt la propagation des ondes radio, en milieu urbain ou à l'intérieur des bâtiments par exemple. Plutôt que de diffuser le même message tous azimuths, les antennes peuvent adapter le signal qu'elles émettent pour "viser" chaque cible compte tenu de sa position, exactement comme le font les navires. On améliore ainsi le débit, la portée et la qualité du signal. On peut aussi profiter du gain pour diminuer la puissance d'émission qui fait tellement débat actuellement. Et on peut même crypter le message puisque le signal ne sera "audible" qu'à l'endroit précis du destinataire.

Mathias Fink a même imaginé "l'effet Jeanne D'Arc": dans un lieu clos très réverbérant, une église par exemple, un haut-parleur utilisant cette technique pourrait tout à fait transmettre simulanément un message différent pour chaque personne dans la salle, sans qu'aucune puisse entendre le message du voisin!

Aux petits soins...
Les ultra-sons sont très pratiques pour détruire les calculs rénaux sans avoir besoin de chirurgie, mais l'opération dure longtemps et il est difficile de les maintenir focalisés sur la cible. De fait 70% des tirs loupent leur but et endommagent des tissus sains. En utilisant les techniques de retournement temporel appliquées à l'écho renvoyé par le calcul, les ultrasons auto-focalisent extrêmement rapidement sur la cible. Suffisamment vite (1000 retournement par seconde) pour taper pile sur le calcul, en dépit des inévitables mouvements du patient. Dans la même veine, le retournement médical permet tout un tas d'innovation en imagerie médicale.

Dans le genre actualité brûlante, on sait que certaines pièces en titane des moteurs d'avion sont extrêmement sollicités durant le vol et peuvent provoquer de tragiques accidents en cas de défaut. L'inspection de "l'empreinte sonore" de la pièce (= l'écho qu'elle réfléchit quand on lui envoie une vibration) par retournement temporel est une technique huit fois plus précise que les méthodes traditionnelles, car le moindre défaut (0.4 microns) modifie radicalement cette empreinte sonore, par rapport à celle d'une carosserie sans défaut.

Un peu de magie!
En utilisant le principe expliqué dans la diapo sur la galette de silicium, on peut "tactiliser" n'importe quelle surface d'objet sur lequel on a placé un capteur dans un coin.

- Avec ce capteur on commence par mémoriser pour chaque point de la surface les profils d'ondes que provoque un contact sur ce point.
- Ensuite, quand quelqu'un touche la surface, on compare l'onde reçue avec ces profils pré-enregistrés: c'est très facile à faire, il suffit de simuler le retournement de ces ondes pour en obtenir une image "propre".
- Grâce à cette comparaison, on peut déterminer rapidement et avec précision l'endroit touché sur la surface.

Voilà qui permet de créer un clavier virtuel, une vitrine interactive ou même le tableau magique de Tom Cruise dans Minority Report...

- Avec le même dispositif, on peut même écouter à travers les murs! Les ondes sonores se transmettent sur les murs sous forme de minuscules vibrations; il suffit donc d'enregistrer ces vibrations avec des capteurs, de les retourner temporellement puis de simuler leur réemission pour reconstituer le signal initial et écouter ce qui se passe de l'autre côté du mur. Idem, si on veut jouer à la maison hantée: en émettant simplement des vibrations correctement choisies sur un mur, on peut diffuser un son dans une pièce sans haut-parleur!

Les rêves de M Fink
Avec toutes ces innovations à son actif, Mathias Fink rêve forcément à des trucs intéressants.

La fusion thermonucléaire par exemple, rien que ça. Bombarder une bulle d'air en suspension dans un liquide avec des ondes acoustiques provoque un phénomène de sono-luminescence dans la bulle, sous l'effet de l'onde de choc qui l'écrase l'espace d'un instant. On peut augmenter la puissance de l'onde de choc, mais avec les techniques classiques la bulle se disloque à partir de 1.4 atmosphères du fait de l'irrégularité de l'onde à son contact. En utilisant la baguette magique du retournement temporel, on arrive à focaliser très précisément les ondes acoustiques et à monter jusqu'à 10 atmosphères sans que la bulle ne se dissolve. Bon, on est encore loin des 1000 atmosphères nécessaires pour déclencher une fusion nucléaire, mais qui sait?

L'autre idée de M Fink concerne le fonctionnement du cerveau. Depuis qu'il a appris que des rats auxquels on a appris dans la journée à se diriger dans un labyrinthe, refaisaient mentalement le chemin inverse dans leur sommeil, il se dit que la Nature n'a pas pu laisser passer un aussi beau phénomène sans l'avoir utilisé d'une manière ou d'une autre. D'autant que les nerfs se comportent un peu comme des transducteurs, se déformant au passage d'un signal électrique, et émettant un signal lorsqu'ils subissent une pression mécanique. On attend avec impatience le jour où l'on découvrira que le cerveau est une immense machine à retourner temporellement certains signaux...

Quand il s'emballe, Fink imagine même des applications étranges. Comme celle qui consisterait par exemple à retourner temporellement une fonction d'onde quantique. Après tout, si la méthode marche avec n'importe quel type d'onde, pourquoi pas? On n'en est plus à une surprise près avec ces ondes.

Sources:
La vidéo de la leçon inaugurale de Mathias Fink au Collège de France, en février 2009
Les illustrations sont tirées ou adaptées de son cours à l'ESPCI (ici, en format ppt)
Sa conférence "Acoustique et renversement du temps" à l'université de tous les savoirs, en 2000
L'article de l'observatoire de la Cité des Sciences sur certaines applications des miroirs à retournement temporelL

Billets connexes
Le temps, source de désordre? sur une autre manière (beaucoup plus compliquée!) de renverser le temps
La constance du papillon sur d'autres phénomènes surprenants propres au chaos

Eloge du pifomètre

Le commissaire Adamsberg est un drôle de bonhomme, personnage central des romans policiers de Fred Vargas. Toujours à moitié perdu dans une demi-rêverie, attendant que ses intuitions remontent à la surface de sa conscience, "intuitions qui aux yeux de Danglard [son adjoint] s'apparentaient à une race primitive de mollusques apodes, sans pieds ni pattes ni haut ni bas, corps translucides flottant sous la surface des eaux, et qui exaspéraient voire dégoûtaient l'esprit précis et rigoureux du capitaine. Contraint d'aller vérifier car ces intuitions apodes se révélaient trop souvent exactes, par la grâce d'on ne sait quelle prescience qui défiait les logiques les plus raffinées."⁽¹⁾

Plus c'est compliqué, moins il faut réfléchir!
Cette "prescience" qui pourrait passer pour une figure de style amusante pourrait receler quelque chose de très profondément vrai. Ap Dijksterhuis (on va l'appeler Ap, hein) de l'université de Nijmegen est convaincu que la meilleure manière de résoudre un problème complexe est de penser... à autre chose. Son expérience favorite consiste à présenter les caractéristiques de plusieurs appartements (par exemple) à des étudiants volontaires puis à leur demander de choisir leur préféré, selon trois modalités:
- Un premier groupe doit répondre immédiatement, sans prendre le temps de réfléchir;
- Un second groupe a trois minutes pour réfléchir avant de répondre;
- Un troisième groupe doit d'abord faire des petits exercices intellectuels n'ayant rien à voir avec le schmilblik pendant trois minutes, avant de répondre au problème posé.
De manière très surprenante (... enfin, vu l'introduction j'imagine que vous ne serez quand même pas trop surpris), c'est le troisième groupe qui a le mieux répondu (59% de bon choix), mieux que ceux qui ont répondu après réflexion (47%) ou que ceux qui ont répondu immédiatement (36%).
D'autres expériences du même type ont confirmé et généralisé ce résultat: être distrait avant de répondre permet - semble-t-il⁽²⁾ - de prendre de meilleures décisions et de mieux structurer ses souvenirs.

Bon, mais tout ça ne montre-t-il pas tout simplement qu'il faut prendre du recul avant de décider? Et que pour avoir un "œil neuf" sur un problème, il suffit d'interrompre un moment sa pensée consciente -par exemple pour ne pas partir d'emblée sur de mauvaises pistes ou sur une perception biaisée. Pour en avoir le cœur net, Ap a renouvelé l'expérience avec un quatrième protocole: cette fois-ci, après avoir présenté les différents appartements aux étudiants, on les distrayait directement pendant quelques minutes sans leur avoir dit qu'ils devraient ensuite choisir l'un de ces appartements. Dans ces conditions de "distraction pure", les choix se sont avérés bien moins bons que ceux des étudiants prévenus d'avance qu'ils auraient à choisir un appartement. Ce qui se passe dans notre tête pendant la période de distraction n'est donc pas un simple automatisme, passif, mais un processus mental actif qui dépend du but recherché, même s'il se fait à notre insu.

On a VU l'intuition!
Ap appelle ça "pensée inconsciente". Personnellement, je n'aime pas ce terme "d'inconscient" car on ignore s'il échappe complètement à la conscience ou pas. Ce serait plutôt une pensée non dirigée, autonome, qui suit son cours toute seule, sans qu'on y fasse attention. L'intuition en marche, en quelque sorte, qui éblouit parfois la conscience d'une bouffée d'inspiration au moment le plus inattendu. Je ne sais pas vous, mais pour moi certaines activités très automatiques -comme faire la vaisselle, ranger des papiers ou faire des longueurs de piscine- m'aident à "mettre de l'ordre" dans ma tête, sans que j'y prête attention. En laissant mon esprit dériver, certaines idées se forment, des noeuds se délient parfois ou bien encore je me rappelle d'une chose importante que j'ai oublié de faire. Laisser vagabonder son esprit stimule paradoxalement son cerveau. Cette hypothèse vient d'être récemment confirmée par l'imagerie cérébrale: en examinant des sujets en train de rêvasser ou de faire des tâches automatiques, on a mis en évidence la très grande activité des zones cérébrales normalement dédiées à la réflexion.

Comment fonctionne cette pensée inconsciente reste un peu mystérieux. On peut faire l'analogie avec la manière dont on on arrive à estimer instinctivement des quantités approximatives. Le Pr Stanislas Dehaene (mon héros!) décrit un modèle où, face à une quantité donnée, nous compilons inconsciemment la réponse statistique de certains de nos neurones pour formuler une estimation du résultat. La pensée "inconsciente" pourrait fonctionner de la même manière: les informations reçues seraient intégrées mentalement puis pondérées automatiquement selon différents critères. Le résultat statistique de cette compilation inconsciente fournirait une réponse intuitive. Selon cette hypothèse, plus le temps "d'incubation" est long et plus la réponse devrait être statistiquement pertinente. Bingo! C'est justement ce qu'a constaté Al dans ses expériences: pour un problème donné, les participants répondent mieux après 7 minutes de distraction qu'après 2 minutes.

Les secrets du cerveau dilettante
Pourquoi cette pensée inconsciente serait-elle plus efficace qu'une pensée rationnelle, focalisée sur le problème à résoudre? Al avance plusieurs explications:

1) Il est plus difficile de traiter consciemment beaucoup de variables en même temps
Notre traitement conscient est très efficace pour faire des calculs précis ou des raisonnements exacts, mais sa capacité est limitée par notre mémoire de travail qui ne peut traiter qu'un petit nombre de variables simultanément. Certes, on a vu dans un précédent billet comment les autistes savants trouvent des astuces pour réussir des prouesses mentales. Mais face à une situation inédite, nous sommes contraints de privilégier quelques critères seulement et l'expérience montre qu'on a tous les risques de ne pas choisir les bons.
A l'inverse, notre pensée "inconsciente" prendrait en compte toutes les variables, mais de manière plus diffuse et moins précise. Pour reprendre l'exemple des nombres, on ne peut pas faire inconsciemment d'arithmétique précise mais on peut intuiter correctement un résultat.

En conformité avec cette interprétation, Al a montré que lorsque le nombre de critères de choix est petit, les décisions prises "en conscience" sont plus pertinentes. A l'inverse, pour un grand nombre de critères, ce sont les décisions prises après une période de distraction ("pensée inconsciente") qui sont les plus efficaces:

2) La pensée consciente se raccroche (trop) aux critères facilement verbalisables
Réfléchir c'est en quelque sorte engager un dialogue intérieur, une délibération avec soi-même. Mais comme dirait Lapalisse, on ne peut parler que de ce qui est verbalisable. La réflexion consciente se polariserait donc sur les critères les plus accessibles, les plus facilement verbalisables. Selon la manière dont le problème est posé, les gens se font très vite un préjugé qui biaise leur interprétation des informations qu'ils reçoivent par la suite. Que ce soit pour des sondages ou des témoignages judiciaires, on sait bien que le contexte dans lequel est posée la question influe beaucoup sur la réponse. L'occasion rêvée de vous montrer la vidéo géniale de Dan Ariely à ce sujet:


L'hypothèse de Al est qu'au lieu d'appliquer des préjugés ou des règles apprises, la maturation inconsciente d'un problème serait plus à même d'intégrer de nouvelles logiques, de saisir l'insaisissable, d'échapper aux fausses évidences. Vous avez sûrement éprouvé ça en écoutant un raisonnement faux: tous les arguments tiennent, mais on "sent" que la démonstration ne tient pas, sans pouvoir dire où. Et finalement la méthode classique des (+) et des (-) classés en colonnes représentant chacune un des choix possibles, pourrait n'être qu'un drôle de moyen de confirmer une intuition encore mal assurée.

3) La pensée consciente pondère mal les critères de choix
Dans la vie de tous les jours, il y a rarement de bons ou de mauvais choix car chacun évalue en fonction de ses critères très personnels. Pour aller plus loin, Al a donc mesuré la satisfaction des consommateurs quelques semaines après leur achat, selon qu'ils avaient longtemps réfléchi à leur choix avant de l'acheter ou pas et en fonction de la complexité de leur achat. Comme produit complexe il a choisi des meubles IKEA, en hommage à tous ceux qui ont hésité des heures entre une cuisine Smölbrood et une Krugstuurdt. Les consommateurs de produits IKEA étaient d'autant plus satisfaits de leur achat qu'ils y avaient peu réfléchi avant d'acheter. Et l'inverse était vrai pour les achats plus simples (des vêtements et accessoires de la chaine Bijenkorf):

D'autres chercheurs sont allés plus loin, en demandant à des consommateurs de choisir un poster parmi cinq proposés, soit en le choisissant normalement, soit en réfléchissant beaucoup aux raisons de leur choix. Sans surprise, quelques semaines plus tard ceux qui avaient beaucoup réfléchi à leur choix, pesant le pour et le contre de chaque critère se sont finalement avérés moins satisfaits de leurs choix que les autres.
Ça me rappelle le livre de Jean Didier Urbain "le voyage était presque parfait" qui explique comment rater ses vacances en dix leçons: l'une des règles d'or est justement de préparer minutieusement son voyage dans les moindres détails et de laisser le moins de place possible à l'improvisation.

Du bon usage de la rêverie...
Si ces résultats sont contre-intuitifs, c'est que malgré une littérature foisonnante d'exemples de génies dilettantes, notre culture occidentale se méfie viscéralement de l'instinctif, associé à je-ne-sais-quoi de non intelligent. La réflexion consciente, le raisonnement rationnel ne sont-ils pas à la source de notre progrès et de nos savoirs, depuis que l'humanité existe?

Evidemment tout ça ne veut pas dire que la concentration et l'attention soient inutiles. Mais face à un problème difficile, ces résultats suggèrent qu'une dose d'insouciance et de maturation inconsciente peut être plus efficace qu'un acharnement inutile... à condition bien sûr d'être très motivé par la question posée. Pas évident de penser à autre chose quand on est titillé par un problème qui vous résiste! C'est un peu comme vous conseiller de rester calme si un chien fait mine de vous sauter dessus.

Finalement, cette pensée "inconsciente" c'est un peu la revanche de la rêverie sur le travail, de la poésie sur le rationnel, du bordel ambiant sur l'ordre et du pifomètre inspiré sur le control freak. A méditer tranquillement...

(1)Extrait de "Sous les vents de Neptune". Pour en savoir plus sur Jean-Baptiste Adamsberg, lisez aussi les autres polars captivants de Fred Vargas, notamment "L'homme à l'envers", "Pars vite, reviens tard" etc...

(2) "Semble-t-il", car des chercheurs français ont contesté ces résultats par d'autres expériences qui feraient apparaître la très faible différence de performance entre décision immédiate et décision "après distraction": Does 'inconscious thought' improve complex decision making? de Rey, Glodstein et Perruchet (Psychological Research, 2009)

Sources:
Le site de Ap Dijksterhuis "Unconscious Lab" avec le lien sur tous ses papiers.
Think Different: The Merits of Unconscious Thought in Preference Development and Decision Making, Ap Dijksterhuis (Journal of Personality and social Psychology, 2004) pour un exposé de ses premières expérimentations
A theory of unconscious thought , Ap Dijksterhuis (Association of Psychological Science, 2006) sur les atouts de la pensée inconsciente.
On the goal-dependency of unconscious thought, Ap Dijksterhuis (Journal of Experimental Social Psychology, Jan 2008) sur l'influence des intentions sur l'efficacité de la pensée "inconsciente"

Quand le cerveau rêvasse, il travaille vraiment, Futura-sciences Mai 2009.

Billets connexes:
Les neurones des nombres, sur le sens inné des quantités, billet inspiré des cours de Stanislas Dehaene.

Biologie du maquillage

Le concours des meilleures illusions optiques 2009 a récompensé cette année d'exceptionnelles créations (regardez l'illusion de la balle qui tourne en particulier, génial). Le troisième prix, qu'on doit à Richard Russell, chercheur à Harvard, a suscité pas mal de curiosités, reprises sur Rue89 et par Tom Roud. La voici: saurez-vous distinguer dans ces deux photos où est la fille et où est le garçon?

Vous aurez sans doute choisi la photo de droite pour être celle de la fille... et pourtant il s'agit de la même photo! Simplement, sur l'une on a éclairci par Photoshop la peau pour augmenter le contraste des yeux et des lèvres et hop! vous avez un visage plus féminin! Bon, mais est-ce vraiment le contraste qui fait la différence, ou simplement la clarté de la peau? La question est d'autant plus pertinente que les filles ont naturellement un teint plus clair que les hommes de même origine. Pour en avoir le cœur net, Russell a donc encore fait joujou avec Photoshop, mais cette fois sans toucher à la couleur de peau:

Clair non? On a l'impression que le visage de droite est maquillé, ce qui lui donne un aspect féminin évident. Ce n'est donc pas tant la couleur de peau qui donne l'aspect féminin à un visage, mais son contraste avec les yeux et la bouche. Ouf! Mesdames vous n'êtes pas obligées de rester à l'ombre pour garder un teint pâle. Par contre, vous avez effectivement intérêt à vous maquiller. En comparant les photographies d'étudiantes avant et après maquillage (ci-contre), Russell a montré expérimentalement ce que toutes les femmes savent: le rouge à lèvres et le mascara augmentent considérablement le contraste avec la peau.

Alors, Nature ou Culture? Comme le demande Pascal Riché dans son blog, les femmes se maquillent-elles pour accroître le contraste de leur visage et paraître plus féminines? Ou est-ce parce qu'on a pris l'habitude de les voir maquillées qu'un contraste important dénote une certaine féminité sur un visage? Pour en avoir le cœur net, Russell a (encore!) sorti son appareil photo pour comparer les visages de 118 étudiants, garçons et filles -non maquillées bien sûr- de type occidental ou asiatiques. L'analyse est sans appel: les visages des filles présentent naturellement un contraste beaucoup plus marqué quelle que soit l'origine ethnique.

En renforçant le contaste yeux-bouches, le maquillage renforcerait donc chez les femmes une caractéristique féminine innée. De même, s'épiler la partie basse des sourcils permet d'un seul geste, d'améliorer deux autres traits typiquement féminins: des sourcils plus fins et une plus grande distance entre les yeux et les sourcils.

Cette explication semble en tous cas cohérente avec les études montrant l'influence du taux d'œstrogènes sur l'attractivité d'un visage féminin. Dans une expérience de 2005 Miriam Law Smith a demandé à 15 hommes et 15 femmes de juger de la fertilité, la santé et l'attractivité de 59 jeunes filles, à partir de leur photo. Leurs évaluations est sans appel: plus une fille a un taux d'œstrogènes naturellement élevé (à cycle menstruel comparable), plus elle paraît fertile, attractive et saine. Pour compléter ce test, Miriam Law a réalisé deux visages de synthèse à partir de tous ces visages, l'un correspondant à un maximum d'œstrogènes et l'autre à un minimum. Lequel des deux trouvez-vous le plus attirant? Celui de gauche, réalisé à partir des 10 personnes aux taux d'œstrogènes les plus élevés, devrait normalement recueillir votre préférence.

Ce résultat est intéressant car au moment de la puberté, les œstrogènes influent justement sur les modifications du physique des adolescentes. Ce sont ces hormones qui favorisent l'épaississement des lèvres, freinent le développement des os de la mâchoire, du menton et du nez, arrondissent la forme du visage. Tout comme l'arrondi des fesses ou la largeur des hanches, elles aussi stimulées par les œstrogènes. La testostérone joue un effet similaire chez les hommes et aboutit à un menton plus carré, des épaules plus développées etc.

Pour Law, la beauté des femmes serait donc leur manière de proclamer leur fertilité à la face du monde! Des lèvres pulpeuses, un petit menton, des pommettes hautes et de grands yeux, signes d'un taux d'œstrogènes élevé, seraient la promesse d'une progéniture abondante et saine.
Si l'on suit cette hypothèse jusqu'au bout, un bon maquillage servirait donc à rehausser la promesse de fertilité, un peu comme une publicité.

Alicia Silverstone, avant et après maquillage (tiré de ce blog)

Mais attention! La meilleure pub est celle qui n'a pas l'air d'en être une et le meilleur maquillage est celui qui ne se voit pas. Un maquillage trop voyant est aussi inefficace qu'une réclame outrancière.

J'ouvre une parenthèse: il y aurait donc bien une part d'inné dans la notion de beauté. Judith Langlois, de l'Université du Texas, a montré que les nouveaux-nés manifestaient leur préférence dès deux mois pour des photos de visages jugés très attractifs par des adultes, indépendamment de l'âge ou du sexe de ces visages. Autant dire que notre préférence pour Nicole Kidman (ou Brad Pitt) est gravée dans le dur dans notre circuiterie neuronale après des milliers d'années d'évolution. En poussant l'idée jusqu'au bout et en compilant les proportions du visage préférées par 300 personnes, le Professeur Cohen-Or's, de l'université de Tel-Aviv, a même mis au point une machine à embellir les visages!





Pour en revenir au maquillage, il y a évidemment beaucoup d'autres raisons de se maquiller que le simple désir de "vendre sa fertilité" aux mâles du coin de la rue. L'estime de soi par exemple : des chercheurs japonais ont récemment observé par imagerie cérébrale ce qui passait dans la tête du femme quand elle se maquille. Ils s'attendaient à voir s'activer les circuits classiques de la récompense neuronale après la séance de maquillage, une fois que la femme constate le résultat. A leur grande surprise, ils ont détecté cette jubilation des neurones AVANT la séance de maquillage, au moment de sa préparation. Comme si, au saut du lit, le plus grand plaisir était surtout d'anticiper la métamorphose de son look.

Sources:
A sex difference in facial contrast and its exageration by cosmetics, R Russell (à paraître)
Do you love this face, Discover Magazine (fev 2000)
Voir aussi chez Dr Goulu l'excellente vidéo de Daniel Dennett, sur pourquoi on aime le sucré, le sexy et le drôle.

Billets connexes:
Vraiment sans gène: pour ne pas laisser croire avec ce billet que tout est génétique dans les critères de beauté!

statistiques grippées

Alors, elle fait beaucoup de morts ou pas, cette grippe porcine? Au Mexique, on a assisté à une jolie vague de résurrections: le 28 avril on apprenait que sur les 150 décès suspects, 20 seulement étaient finalement imputables au virus H1N1. Et le 29 avril ce chiffre tombait à sept. Comment expliquer ce reflux (pardon pour le jeu de mot) des statistiques: incompétence des autorités sanitaires? Effet de la panique? Tentative de manipulation?
Au risque de décevoir les amateurs de conspiration, je crains qu'il n'y ait rien d'autre, derrière cette valse des chiffres, que les caprices habituels des statistiques lorsqu'on les applique à la santé publique.

Sensibilité n'est pas pertinence
Avant d'attaquer le cochon, prenons l'exemple d'une maladie comme le cancer du sein. Supposons que 1% des femmes de plus de 40 ans en soit la atteinte (c'est ce qu'on appelle la prévalence) et que le test de détection du cancer du sein soit sensible à 99% (c'est-à-dire qu'une personne malade est détectée dans 99% des cas et une personne non-atteinte donne un test négatif dans 99% des cas).
Si une personne est testée positivement, quelle est sa probabilité d'être réellement malade? Plus ou moins que beaucoup à votre avis?

En fait, une personne testée positivement n'a qu'une chance sur deux d'être malade. Pas convaincus? Un petit tableau vaut mieux qu'un long discours:

	Malades	Sains
1000 personnes	10	990
Test positif	10	10
Test négatif	0	980

Sur 1000 personnes testées, 20 seront testées positivement dont seulement 10 vrais malades (et 10 "faux-positifs"). Au total une test positif n'aura un résultat pertinent que dans 50% des cas, alors que ce test est sensible à 99%!

Pour les malades de la grippe porcine, il se passe un peu la même chose. Certes on ne teste que les personnes présentant des symptômes suspects (toux, fièvre etc) mais les suspects sont nombreux dans une ville où grippe et pneumonies font rage. En plus, dans le doute, on préfère tester trop de monde que pas assez alors que les vrais cas sont rares au début. Une prévalence de 1% sur la population testée n'est donc pas déraisonnable.

Un zest d'insensibilité fait toute l'impertinence
OK, me direz-vous, mais dans le cas présent la pertinence des tests positifs n'était pas 50% mais 35% (7 personnes sur 20). Pas terrible comme précision!
Regardons le graphique qui montre la pertinence des résultats en fonction de la sensibilité du test (à prévalence donnée de 1%, 3% ou 10%).

On voit que la pertinence des résultats chute drastiquement dès que la sensibilité du test n'est pas parfaite. Avec un test sensible à 90%, la pertinence du résultat n'est que de 8%! Il faut donc des tests diablement sensibles pour que leurs résultats soient utiles.
Pour notre cas pratique, 35% de pertinence des tests correspond théoriquement à une fiabilité de 98% (pour 1% de malades): pas si mal pour un test rapidement mis sur pied au début de l'épidémie!

Quand les sensibilités s'emmêlent...
Mais alors si les résultats des tests sont si peu fiables, faut-il croire les nouvelles statistiques? Pourquoi seraient-elles subitement plus fiables?
Supposons que l'on trouve non pas un, mais deux tests indépendants l'un de l'autre pour savoir si une personne est malade. Tous deux sensibles à 98%, donc pas très pertinents si on les prend chacun isolément.
Si on les combine on obtient en revanche une super fiabilité:
Les personnes positives sur un seul test ont 35% de chance d'être malade. Si on teste ces personnes avec le deuxième test, refaites le calcul et vous verrez qu'un deuxième test positif est pertinent dans 96% des cas! C'est déjà beaucoup mieux!

On comprend qu'avec toutes ces bizarreries statistiques,
1) au début d'une épidémie on tende à exagérer le nombre de malades (car les tests sont "peu" sensibles et la prévalence faible),
2) on mette du temps à avoir des certitudes (car il faut multiplier les tests pour obtenir une bonne précision)
3) les chiffres finalement obtenus sont spectaculairement plus faibles que ceux du début.

Bref, voilà pourquoi on crie toujours "au loup" dès que le moindre cochon débarque.

Billets connexes:
Calculs de stats, stats de calculs sur le paradoxe de Simpson toujours dans le domaine médical
Un peu de gymnastique mentale, sur le paradoxe de Monty Hall et les probabilités conditionnelles

A lire aussi l'article du "Cerveau et Psycho" de ce mois-ci, sur les pièges des statistiques médicales dont je me suis inspiré.

Foule paradoxale

Alors comme ça les étourneaux, les poissons et les criquets feraient des prouesses en matière de déplacement collectifs (cf ce précédent billet)? Et nous alors, nous ne serions pas capables de faire pareil? Il faut bien avouer que ce qu'on réussit de plus spectaculaire dans ce domaine, ce sont de catastrophiques mouvements de foule paniquée: une bousculade dans un stade, une évacuation de discothèque pendant un incendie, un rush à l'ouverture des portes d'un concert de rock... Pas très efficace comme comportement auto-émergent (ce qui illustre au passage que tous ces phénomènes ne sont pas forcément des adaptations évolutives). Mais n'anticipons pas et observons déjà ce qui se passe dans une foule "normale".

En situation "normale": circulation alternée et oscillations régulières
Tout comme pour les voitures, l'analogie avec la mécanique des fluides trouve très vite ses limites avec les piétons. Certes il y a bien quelques points communs: par exemple, la vitesse de circulation au milieu d'un couloir de métro est plus grande que près des murs du couloir, comme dans un écoulement visqueux.
Mais il se passe des choses autrement plus étranges dans un couloir de métro (et encore je ne parlerai ici que des phénomènes physiques!): par exemple, pas besoin de signalisation pour la circulation à double sens, elle s'organise toute seule!
Dès qu'il y a un peu de monde, on voit spontanément émerger des lignes de circulation alternées. Plutôt que de chercher à se frayer chacun un chemin à travers le flux circulant en sens inverse, les individus tendent naturellement à se regrouper lorsqu'ils vont dans le même sens. C'est moins fatigant et surtout ça permet d'aller plus vite que de remonter seul à contre-courant. On peut modéliser ce phénomène de bandes alternées en attribuant à chaque individu une vitesse "de confort" et une force de répulsion qui lui évite de rentrer dans ses petits copains (voir par exemple cette très jolie simulation).

Avec le même type de modèle très simple on reproduit l'alternance du sens de circulation à travers une porte lorsqu'elle sert aussi bien aux entrées qu'aux sorties. Dans des conditions normales, on explique ça par "l'équilibrage des pressions" de chaque côté de la porte: quand trop de personnes s'accumulent d'un côté, elles commencent à grogner et au bout d'un moment, cessent de laisser passer le flux en sens inverse pour emprunter à leur tour le passage. La file d'attente grossit alors de l'autre côté de la porte jusqu'à ce qu'à un seuil critique où la circulation s'inverse à son tour.
Et là, lecteur assidu du Webinet, n'as-tu rien reconnu? Ces stop-and-go à travers un petit interstice, ça ne te rappelle pas quelque chose? Oui, bien sûr! il s'agit des mêmes facéties qu'un sablier, qui s'interrompt lorsqu'on pose les mains sur l'ampoule du dessous et qui reprend son écoulement quand on les retire! J'ai découvert depuis ce billet que même sans les mains, on peut trouver certaines conditions de température et de pression pour lesquelles l'écoulement du sablier d'arrête et reprend tout seul , très régulièrement! L'analogie n'est évidemment pas le fruit du hasard: vus de haut, nous ressemblons quand même plus à des grains de sable qu'à du liquide ou du gaz et il est somme toute logique qu'on retrouve certaines propriétés des écoulements granulaires dans nos flots de circulation.

En cas de panique, plus vite on veut avancer plus ça coince!
Malheureusement cette similitude avec des grains de sable est source de pas mal d'ennuis. Car que se passe-t-il quand vous comprimez le sable pendant qu'il s'écoule dans un entonnoir? Non seulement il ne coule pas plus vite, mais il peut même finir par arrêter de couler si le trou est trop petit! C'est ce qui se passe avec les issues de secours en cas de panique: les gens poussent, mais comme avec le sable, la poussée est automatiquement transmise latéralement en direction des côtés. Il se forme alors comme des "arches" s'appuyant très fortement sur les côtés qui bloquent littéralement tout mouvement et ralentissent considérablement l'évacuation.

Pareil dans un couloir à double-sens: en cas de panique, sauve qui peut! Les gens accélèrent, se bousculent et le couloir finit par se boucher totalement sous l'effet des trop nombreux chocs entre les personnes. C'est ce que Helbing, le pape de l'étude des foules, a appelé "freazing by heating" (la congélation chaude): quand les esprits s'échauffent, l'écoulement se fige subitement et plus personne n'avance. On simule facilement ce changement de phase bizarre au-delà d'un certain seuil du paramètre "vitesse désirée" (traduisez: "les gens sont pressés"), et à moindre force de répulsion (traduisez: "les gens n'hésitent pas à se bousculer").

Comment éviter les catastrophes
Récapitulons: en cas de panique, plus on est pressé, plus on pousse et moins on avance. Et moins on avance, plus on pousse. Pas étonnant que des barrières en acier ou des murs de briques ne résistent pas longtemps à une foule paniquée! Ajoutez à cela le fait que les gens paniqués se suivent les uns les autres et cessent de chercher des voies alternatives : vous avez tous les ingrédients nécessaires pour fabriquer des catastrophes: plus de 1400 morts dans un tunnel à La Mecque en 1990, 200 blessés lors d'une évacuation en urgence d'un stade de Rio en 2000, 300 blessés à Dusseldorf en 1997, la liste est longue (là pour les stades, si ça vous intéresse).

Grâce à ses travaux et ses simulations Helbing a donc conçu tout un tas d'astuces architecturales qui permettent de limiter les effets d'une panique. Outre les conseils classiques concernant la signalisation, l'organisation de l'évacuation etc. il suggère par exemple:
- une signalisation particulièrement visible pour limiter les attroupements sur une seule sortie;
- des pylones pour séparer les sens de circulation dans les couloirs;
- des voies d'évacuations de forme convexe, se rétrécissant le plus progressivement possible pour limiter les effets d'arches (arching);
- un pylone placé devant une sortie de secours pour alléger les pressions,
- deux portes plutôt qu'une double, pour les entrées-sorties, etc.











Tous les ingrédients de l'auto-organisation
Il est frappant de retrouver encore les mêmes caractéristiques que pour les bancs de poissons ou les nuées d'oiseaux:
1) différentes "phases" comme en physique: granulaire/solide pour les foules, fluide/cristallin pour les poissons et les oiseaux, anarchique/rythmé pour les applaudissements
2) des effets de seuil sur certains paramètres, qui font basculer d'une phase à l'autre: la nervosité pour les foules, la densité pour les poissons;
3) des simulations particulièrement simples à réaliser, qui reproduisent avec peu de paramètres les phénomènes observés, même les plus curieux;
4) l'émergence bizarroïde de comportements collectifs qui semblent animés d'une vie intérieure propre.

Il y a une dernière caractéristique commune: l'apparition d'ondes traversant ces masses en mouvement. Pour les poissons, ce sont les changements de direction, à la vue d'un prédateur. Pour la foule, il y a bien sûr les flux et les reflux, par exemple dans les manifestations un peu houleuses, mais on peut aussi penser à la ola qui se propage joyeusement dans les stades et que les chercheurs ont également modélisée (just for fun, cette fois!) Enfin un domaine dans lequel on fait presque aussi bien que les abeilles, qui sont fortiches à ce jeu, comme je vous l'avais montré dans un précédent billet ! Allez, je vous remets la vidéo tellement c'est étrange:


Sources
Simulation of Pedestrian Crowds in Normal and Evacuation Situations, Dirk Helbing, 2002 THE article de synthèse sur les mouvements de foule dont sont tirées les illustrations.
Plein de simulations sur le site de l'université de Zurich consacré à l'étude des différentes formes de trafic.

Billets connexes
Mystérieux sablier sur les écoulements granulaires et les effets d'arche
Bancs et nuées sur les mouvements collectifs des oiseaux et des poissons
A-côtés de la claque, sur un autre phénomène d'auto-organisation, les applaudissements, qui partage pas mal de similitudes avec celui des foules.
Maya contre les envahisseurs, sur les stratégies de défense des abeilles face aux frelons (et leur magnifique ola)

Le paradoxe de Braess

L'enfer (des routes) est pavé de bonnes intentions...

"Abondance de biens ne nuit pas". La prochaine fois que vous vous retrouverez dans un embouteillage, un jour de grand week-end, je vous suggère de penser très fort à cette maxime pleine de (faux) bon sens! Il y a en effet fort à parier que le bouchon dans lequel vous êtes coincé soit dû soit à un accident, soit à un rétrécissement de la chaussée un peu plus loin devant vous, quand la route passe de trois à deux voies. Les tronçons à trois voies sont les cauchemars de bison futés!

C'est qu'en matière de circulation routière le mieux est souvent l'ennemi du bien: dès 1968, Dietrich Braess (qui n'a même pas sa page sur Wikipedia en français, quel scandale!) a montré comment ajouter un itinéraire de délestage peut provoquer des congestions et allonger les temps de parcours au lieu de les raccourcir. Un petit modèle explique mieux qu'un long discours ce paradoxe de Braess.

Un petit modèle pour comprendre
Supposez que vous cherchiez à vous déplacer d'une ville (A) à une autre (D) plus vite possible. Deux itinéraires s'offrent à vous, l'un passant par B, l'autre passant par C, chacun composé d'un bout de nationale et d'une route départementale. Le temps de parcours sur les nationales est de 45 minutes quelque soit la circulation. Par contre, comme il y a des feux sur les départementales, le temps de parcours dépend du nombre de voitures X qui l'emprunte: il vaut par exemple X/100 minutes.

Supposons qu'il y ait 4000 voitures souhaitant passer de A à D. Si elles prennent toutes le trajet du haut (ABD) elles mettront 85 minutes. Idem si elles prennent toutes le trajet du bas. La situation optimale sera celle où le trafic s'équilibre entre les deux trajets. Le temps de parcours sera alors de 45 +2000/100 = 65 minutes.

Pour désengorger la circulation, on construit une voie ultra-rapide reliant B et C, dont le temps de parcours est négligeable quelque soit le nombre de véhicules qui l'emprunte (pas très réaliste mais bon c'est un modèle!). Avec cette voie rapide, le temps de parcours entre A et B devrait raccourcir, or c'est l'inverse qui se produit:

Le meilleur trajet pour les 4000 voitures est maintenant (ABCD): départementale - voie rapide - départementale et le temps de trajet passe ainsi de 65 minutes à 80 minutes! Essayez vous même: si une des voitures prenait un autre itinéraire, son trajet serait rallongé de 5 minutes (45+40=85).

Bien que pas n'étant pas la meilleure, cette situation est un équilibre parfaitement stable ("équilibre de Nash" pour les familiers de la théorie des Jeux) où personne n'a intérêt à changer de stratégie une fois qu'il connaît les choix des autres. Et si dans un monde utopique, la circulation s'établissait comme s'il n'y avait pas de voie rapide et se répartissait comme avant, entre les deux itinéraires ABD et ACD? A ce moment-là, un petit malin serait tenté de gagner du temps en "coupant" par ABCD (son trajet ne lui prendrait que 40 minutes s'il était le seul à tricher): il serait donc rapidement imité par d'autres... et la situation dériverait assez vite jusqu'à ce que tout le monde prenne finalement le parcours ACBD et se retrouve avec un temps de parcours de 80 minutes.

Un mécanisme bien connu en théorie des jeux
Pour les habitués de la théorie des jeux ce paradoxe n'est pas vraiment nouveau: Offrir plus de choix aux joueurs peut parfaitement faire perdre tout le monde! Voici une petite matrice de gains où chaque joueur (A et B) a deux stratégies possibles qu'on appellera "maximiser" ou "minimiser", vous allez voir pourquoi:

Gain de B Gain de A	A "maximise"	A "minimise"
B "maximise"	4 4	5 1
B "minimise"	1 5	3 3

On lit ça comme ça: si A et B "maximisent" ils gagnent tous les deux 4€. Si A "maximise" alors que B "minimise", A gagne 5€ et B gagne 1€. On voit que si A "maximise", B a toujours intérêt à "maximiser". Si A "minimise", B a aussi intérêt à "maximiser" (gain: 5€ plutôt que 3€ s'il "minimise"). Bref,dans tous les cas B a intérêt à "maximiser", et comme la matrice est symétrique, A aussi. Les deux joueurs ont intérêt à "maximiser" dans tous les cas (d'où le nom de cette stratégie ;-).

Maintenant supposons qu'on introduise une troisième stratégie possible, qu'on appellera "ruser", avec la matrice des gains suivants:

Gain de B Gain de A	A "maximise"	A "minimise"	A "ruse"
B "maximise"	4 4	5 1	-10 10
B "minimise"	1 5	3 3	-10 10
B "ruse"	10 -10	10 -10	-9 -9

Désormais que A "maximise" ou "minimise", B a toujours intérêt à "ruser" (il gagne 10€), et si A "ruse", B a aussi intérêt à le faire (il ne perd que 9€ au lieu d'en perdre 10). B a donc toujours intérêt à "ruser". A aussi car notre matrice est symétrique. L'équilibre s'est maintenant déplacé vers la situation où les deux joueurs "rusent". Avec beaucoup de guillemets car le bilan c'est qu'ils perdent chacun 9€! Voilà comment un choix supplémentaire donné aux joueurs s'avère néfaste pour tout le monde, comme la route .

Et dans la vraie vie?
Théoriques, tous ces modèles? Pas du tout! A New York, par exemple la fermeture provisoire de la 42eme avenue en 1990 a réduit les embouteillages dans cette zone, contrairement à toute attente. A l'inverse, à Stuttgart, le nouvel axe routier censé désengorger le centre-ville a créé tellement d'embouteillages à sa création, qu'il a fallu le fermer pour retrouver un trafic plus fluide. Pareil à Séoul: la méthode la plus efficace pour alléger le trafic a été d'investir près de 400 millions de dollars pour détruire une des voies rapides à la périphérie de la ville.

Il est très difficile de savoir si un axe routier supplémentaire améliore ou dégrade la qualité de la circulation, car les mécanismes du trafic urbain sont affreusement compliqués. La théorie prévoit qu'au pire on multiplie par deux (pas plus) les embouteillages: nous voilà rassurés!

Et à Paris au fait? Je n'ai rien trouvé l'impact de la fermeture des quais les dimanches et lors des opérations Paris-Plage en été. Sauf bien sûr les plaintes des riverains et des automobilistes avant

Plus fort que la mécanique des fluides
Ce qui rend le paradoxe de Braess... paradoxal, c'est qu'on associe instinctivement la circulation routière à un "flot" de voitures, donc soumis aux mêmes principes d'écoulements que les liquides ou les gaz. Or dans un écoulement fluide, plus il y a de chemins possibles, plus l'écoulement est facile: aucun plombier n'a encore vu de système dans lequel ajouter un tuyau d'évacuation boucherait des éviers.

La raison profonde de cette différence entre nous et les molécules d'eau, implicite dans nos modèles, me semble venir du fait que nous cherchons à rejoindre notre but le plus vite possible, compte de ce que les autres font (ou ont intérêt à faire). Dès qu'on spécule de la sorte, nos déplacements collectifs échappent aux règles de la mécanique des fluides et fabriquent des problèmes inédits. Autrement dit notre intelligence est la source de nos embouteillages. Il faut bien que réfléchir ait aussi des petits inconvénients...

Sources (en anglais):
L'article de Wikipedia
Le cours de "science of the Web" sur le sujet (oct 2008)
Ce cours du Californian Institute of Technology (Julian Romero, Caltech, janv 2008)

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Psychologie de l'incivilité au volant
Le mieux en pire, pour un autre petit exemple d'améliorer les choses en les empirant

Réflexe photo-sternutatoire (euh... à vos souhaits!)

Achù! (en espagnol)
En ces temps de psychose grippale, l'éternuement mériterait pourtant l'admiration d'un naturaliste attentif. Admiration car il bat tous les records de vitesse des mouvements corporels et propulse vos miasmes de 150 à 200 km/h (selon les sources). Une médaille d'or bien méritée grâce à un travail d'équipe qui mobilise la plupart des muscles de la gorge, de la poitrine et du visage. La légende veut que la réaction soit tellement violente qu'on ferme les yeux pour éviter qu'ils ne soient éjectés de leur orbite. Toujours soucieux de rétablir la vérité scientifique, mes enfants se sont fait un devoir de me démontrer qu'il n'en est rien. Tout au plus risque-t-on l'éclatement de quelques vaisseaux au fond de l'oeil sous l'effet de la forte pression qui s'y exerce. Il semble que l'on ferme les yeux par le même mouvement réflexe qui contracte les autres muscles de la face et de la gorge.

Tummal! (en malais)
Dans les livres, on explique que l'éternuement est une réaction de défense naturelle de l'organisme qui permet de dégager ses fosses nasales encombrées. L'hypothèse semble a priori raisonnable d'autant que l'obstruction partielle de la bouche oriente l'expulsion de l'air vers le nez (c'est d'ailleurs le choc de l'air sur les parois nasales qui provoque le "tchoum!" caractéristique). Sauf que l'air expulsé sort finalement bien plus par la bouche que par notre nez et qu'il faut bien se moucher après avoir éternué si l'on veut déboucher ses naseaux. Pas comme les chiens ou les chats qui éternuent effectivement par le nez, contrairement à nous. Je n'ai jamais vu de singe éternuer, mais je suspecte quand même l'éternuement d'être donc un simple réflexe hérité de nos ancêtres primates pour lesquels un odorat parfaitement bien portant était une question de survie. Mais pour les humains, l'éternuement ne servirait-il qu'à propager nos microbes?

Wa-hing! (en indonésien)
Reconnaissons-lui au moins une toute petite vertu: la sternuation peut signaler une allergie -poils de chats, pollen, acariens vous avez le choix. Pas forcément très utile à nos ancêtres dans la savane, mais c'est mieux que rien. Car on éternue sélectivement! Essayez de renifler les épices de votre cuisine, vous verrez qu'on n'éternue qu'avec certaines d'entre elles: le poivre par exemple, à cause de ses deux substances -capsaïcine et pipérine- les pince-mi et pince-moi de la sensation de brûlure dans la bouche. Quand vous les reniflez d'un peu trop près, elles vous chatouillent les neurones du nez et vous les rejetez en éternuant.

Atsiuh! (en finnois)
Il y a également d'étranges raisons d'éternuer: par exemple un quart d'entre nous éternuent quand ils fixent une lumière intense comme celle du soleil. Syndrôme baptisé ACHOO comme "Autosomal-dominant Compelling Helio-Ophthalmic Outburst" par des savants facétieux. Très gênant pour les pilotes d'essai chez qui une demi-seconde d'inattention peut être fatale... Ce phénomène a intrigué tout le monde, depuis Aristote, qui imagina que le réchauffement du nez par le soleil en était la cause. Plus près de nous, Francis Bacon a supputé que la lumière provoque un réflexe de lagrimation qui, en humidifiant intérieurement les fosses nasales déclenche l'éternuement. Cette élégante explication ne tient pas trop, car la "photo-sternutation" est instantanée alors que la lagrimation demande un tout petit peu de temps pour faire son effet. Les neurologues penchent actuellement plutôt sur un court-circuit dans notre plomberie neuronale: le nerf optique est très proche de celui du nerf trijumeau, responsable de l'éternuement. Lorsque le premier est brutalement stimulé par une lumière intense, il provoquerait parfois l'excitation du second juste à côté, ce qui provoque l'éternuement.

Apchkhi (en russe)
A vrai dire la génétique du syndrome ACHOO n'est pas été très bien étudiée, mais pour faire avancer le schmilblick les neurologues devraient peut-être se pencher sur un syndrome connexe: "l'éternuement épilatoire " que j'ai découvert sur un forum de babillage.net -où va se nicher l'info scientifique! Certaines femmes éternuent lorsqu'on leur épile les sourcils. N'ayant trouvé aucune étude sérieuse à ce sujet, je penche d'instinct pour une explication à la Francis Bacon: arracher un poil sensible fait notoirement monter les larmes aux yeux ce qui -par débordement dans les conduits nasals - pourrait provoquer l'éternuement.

Kychnut! (en tchèque)
Plus étrange -mais aussi plus rare- la rhinite "lune de miel" a récemment été révélée par le très sérieux Journal of the Royal Society of Medicine. Les malheureux qui en sont atteints éternuent lorsqu'ils éprouvent du désir sexuel, quand ils fantasment ou après avoir ressenti un orgasme! On ignore les causes de cette réaction embarrassante, mais on soupçonne là encore un embrouillamini dans la circuiterie neuronale. Vous voilà prévenus la prochaine fois que l'on éternue dans votre entourage, hum, très très proche.

Va-t-on un jour découvrir des cas réels du syndrome "Franquin", le génial auteur de BD qui fait éternuer Gaston Lagaffe dès qu'il entend le mot "effort"?

Thummal! (en Tamoul)
Il y a peut-être une leçon d'évolution à tirer de cette curiosité physiologique qu'est l'éternuement, qui ne "s'explique" par aucun avantage évolutif significatif. Il semble qu'on ait ici affaire, comme pour le hoquet ou l'appendice, non pas au résultat de la sélection naturelle, mais à un effet collatéral (side effect) de macro-évolutions qui elles, présentent un avantage évolutif global. Cet exemple illustre à quel point l'évolution des organismes n'opère non pas sur tous les détails des organismes mais seulement sur leurs plans d'ensemble. Chaque particularité physiologique n'est pas nécessairement le résultat finement sculpté par des millénaires de sélection naturelle et il faut bien admettre une part de contingence dans certaines bizarreries naturelles. Qui songerait à rechercher un avantage évolutif dans le fait d'accoucher dans la douleur, sous prétexte que Madame Néanderthal souffrait autant que sa cousine Sapiens?

Sources:
Why do we sneeze when we look at the sun?
Looking at the sun can trigger a sneeze , Scientific American, Janvier 2008
Sneezing can be a sign of arrousal, BBC News, décembre 2008
Pourquoi le poivre fait-il éternuer , linternaute, janvier 2007
Et le blog Tripodología Felina (en espagnol) pour savoir comment on dit "atchoum" et "à vos souhaits" dans toutes les langues

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bancs et nuées

Avez-vous déjà observé un vol d'étourneaux ? On a l'impression d'avoir affaire à un super-organisme, souple et fluide, capable de modifier instantanément sa vitesse ou sa direction sans perdre sa cohérence. Un prédateur se pointe? Il se divise en un clin d'œil pour se reformer aussi sec dès que le danger est passé. Et puis arrivé près d'un champ, il se désagrège tout aussi soudainement, transformant ses organes constitutifs en autant d'individus autonomes. Les nuées de sauterelles ou les bancs de poissons compacts évoquent de la même manière des "organismes collectifs", ayant chacun une forme et un comportement propres. Les similitudes entre ces formations sont frappantes dans ces deux vidéos:



Comme tous les phénomènes d'auto-organisation émergeant par simple changement d'échelle, ces mouvements collectifs ont beaucoup titillé les scientifiques. Paradoxalement on ne manque pas d'hypothèses pour les expliquer, on en aurait plutôt trop, et bien peu de mesures de terrain pour savoir lesquelles sont les bonnes.

L'hypothèse du moindre effort
Dans les années 60, on aimait bien expliquer les phénomènes naturels par un principe mathématique général, après que D'Arcy Thomson eut spectaculairement popularisé cette approche avec tout un tas d'exemples, de la forme des cornes du bélier à celle des crânes des mammifères en passant par celle des vaisseaux sanguins. La première hypothèse pour nos formations collectives fut donc qu'elles minimisaient globalement les efforts des animaux pour se déplacer, grâce aux lois de la mécanique des fluides (air ou eau): on peut en effet économiser ses efforts en voyageant groupés, à la manière des cyclistes du peloton qui bénéficient de "l'aspiration" de leurs copains de devant.

Une telle explication a été essayée pour comprendre les formations en V des oiseaux migrateurs. En modélisant le mouvement de leurs ailes, on peut montrer qu'il se créée un courant ascendant à leur extrémité dont peut profiter son voisin de derrière s'il se place correctement. Et de fait on a mesuré en 2001 que les pélicans économisent 10 à 15% d'énergie lorsqu'ils volent en formation sous forme de V plutôt qu'isolément les uns des autres.

Malheureusement cette théorie n'explique pas tout. D'abord d'autres formations que celle "en V" permettent d'économiser autant sinon plus, par exemple celle en arc de cercle qui a l'avantage de moins fatiguer celui qui est devant. Ensuite plein d'oiseaux de proie volent en groupe désorganisé et pas du tout en V. Enfin, dans les vols en V de la vraie vie, les oiseaux ne sont pas placés comme il faut: s'ils avaient été un peu plus assidus à leur cours d'aérodynamique, ils pourraient économiser jusqu'à 60% d'énergie et non pas 15.

Pour expliquer les formations en V des oiseaux migrateurs, il faut donc aussi faire appel à des explications plus comportementalistes . Par exemple dans une tel configuration, dès que l'oiseau à la pointe du V passe derrière pour souffler un peu, le V se reforme très naturellement sur celui qui est juste derrière. De fait, ce sont plutôt des J que des V (mais les oiseaux sont notoirement analphabètes). L'autre avantage naturel d'une formation en V est qu'elle permet à chaque oiseau de garder un œil sur son voisin immédiat, situés selon un angle et une distance idéals pour détecter la moindre de ses réactions.

Pour les bancs de poissons, le même genre d'explications à base d'économie d'énergie de déplacement marche tout aussi moyennement: la théorie prédit que les poissons peuvent bénéficier de la "poussée tourbillonnaire" créée par la progression de ceux qui sont devant, en adoptant une formation en losanges respectant certaines proportions. Certes, les bancs de poissons sont bien structurés en petits losanges, mais les poissons ne respectent pas plus que les oiseaux les angles ni les distances prévus par la théorie. Par ailleurs on a de sérieux doutes sur l'effet réel des tourbillons après le deuxième rang de poissons.

Bref, les animaux sont plutôt nuls en mécanique des fluides et l'on est bien obligé d'aller chercher des explications plus convaincantes du côté de la biologie.

L'hypothèse comportementale
L'approche alternative, permise par les progrès de l'informatique, abandonne les grands principes globaux: on modélise chaque agent individuel (symbolisant un animal) sous forme d'une "particule" obéissant à des règles d'interactions très élémentaires et l'on fait tourner le modèle avec un grand nombre d'agents mis ensemble pour voir si on reproduit un comportement collectif observé dans la nature. Plutôt que de tenter d'expliquer le phénomène par une lois physique globale, on cherche d'abord à le reproduire avec des règles d'interactions simples et l'on réfléchit seulement ensuite à la signification -physique, biologique...- des règles qui donnent les meilleurs résultats. Ces simulations se montrent particulièrement instructives.

Une cuillérée d'alignement...
(Banc de poissons aux Seychelles, source: Rex/Sipa)
Dans le modèle le plus simple imaginé en 1995 et baptisé SPP (self propelled Particle) , la seule interaction entre agents est leur propension à s'aligner lorsqu'ils sont proches. Un peu fort comme hypothèse? Pas tant que ça pour les poissons dont la ligne latérale est l'organe de perception des mouvements dans l'eau. C'est donc en s'alignant avec ses voisins qu'un poisson est le plus sensible à leurs moindres changements de direction. La moindre perturbation se propage instantanément à tout le groupe qui change de direction à l'unisson pour échapper au danger.
C'est exactement ce que reproduit le petit modèle: si l'on introduit un prédateur quelque part dans le groupe, il peut dans certaines conditions se disperser extrêmement vite, ou encore tourner autour du prédateur pour se reformer derrière lui, à l'image d'une fontaine.

Mais le plus épatant dans ce modèle très élémentaire, c'est qu'il met en évidence des densités critiques, au-delà desquels on passe d'un désordre quasiment total à un groupe très fortement polarisé autour d'une même direction. A moyenne densité il arrive au groupe de changer brusquement d'orientation de temps en temps. La direction du groupe se stabilise à mesure que la densité augmente. On a observé les mêmes phénomènes avec des criquets enfermés dans un enclos:

On vient de découvrir le même phénomène de densité-critique avec les harengs: dès que leur densité atteint 0,2 poissons/m², une espèce de réaction en chaîne se déclenche qui donne naissance à un banc pouvant s’étendre sur des dizaines de kilomètres, parfaitement synchronisé en direction et en vitesse.

Une pincée d'attraction et un zeste de non-collision
Encore faut-il que le groupe reste groupé! Avec uniquement une tendance à l'alignement, toutes les simulations se terminent par la dispersion complète du groupe. En ajoutant dans le modèle une force d'attraction entre agents et en jouant sur son intensité, on obtient plein de nouveaux trucs intéressants et en particulier on met en évidence les trois types de formations collectives observées dans la nature:

• A faible valeur d'attraction, la simulation fait émerger des groupes "lâches", sans forme et sans cohérence. Elle évoque une nuée de moustiques et est l'équivalent d'une phase "gazeuse".

• A attraction moyenne, le groupe évoque un état "liquide": il est extérieurement structuré mais à l'intérieur la position des individus bouge constamment. A l'image des nuées de sauterelles ou d'étourneaux dont les réactions face à un prédateur évoquent des jets, des fontaines etc.

• Pour une force d'attraction plus forte, le groupe devient plus dense et chaque individu garde dans le groupe une distance et un angle constants par rapport à ses voisins, comme dans un cristal: l'émergence très brutale du banc de hareng à partir d'une densité-seuil rappelle d'ailleurs étrangement un phénomène de cristallisation à température critique.

Reste à introduire dans le modèle une force de répulsion entre individus, si l'on veut éviter les carambolages. On a alors les trois paramètres -attraction à longue distance, alignement à moyenne distance et évitement des contacts- qui permettent de retrouver la plupart des caractéristiques des groupes d'animaux dans les airs ou dans l'eau. Par exemple en jouant uniquement sur la portée de la force d'alignement, on retrouve les formations tourbillonnantes typiques de certains bancs de poissons.. ou de certaines galaxies.

On peut jouer sur d'autres paramètres pour retrouver des différences de densité au sein du groupe, ou expliquer la forme généralement oblongue de certains bancs de poissons. Le problème est que ça marche trop bien: tous les modèles raisonnables donnent des résultats plausibles! Et l'on commence à peine à récolter des observations quantitatives suffisamment précises pour comparer la validité de tous ces modèles.

Et la biologie là-dedans?
D'un point de vue comportemental, c'est la vision latérale des poissons qui régule l'attraction et la répulsion. Les poissons aveugles dans un banc ont plus de mal à maintenir une distance constante avec leurs voisins (on n'a pas essayé avec les oiseaux!). C'est sans doute la latéralité de leur vision qui explique l'angle constant par rapport à leurs voisins immédiats. On peut d'ailleurs modéliser les effets de "fontaine" du groupe à l'approche d'un prédateur en supposant simplement que chaque agent fuit en gardant le prédateur au bord de son champ de vision.

Les poissons à l'école des fans
Reste une question à laquelle les simulations ne savent pas répondre: comment un banc de poisson choisit-il sa direction? On peut évidemment supposer qu'il suive un ou deux leaders sachant où trouver un casse-croûte. Mais sans leader, la "sagesse des foules" peut être parfois particulièrement efficace. Surowiecki, qui a inventé l'expression et en a tiré un livre en 2004, donne l'exemple de "Qui veut gagner des millions?": imaginez qu'arrivé à 400 000 euros, le candidat tombe sur une question particulière vache et qu'il lui reste deux jokers: l'expert et l'avis du public.
Quel joker va-t-il choisir?
Suppposons que dans l'audience:
- 14 personnes connaissent la bonne réponse et vont voter pour elle.
- 20 personnes peuvent éliminer deux réponses fausses: 10 vont choisir la bonne.
- 30 personnes peuvent en éliminer une: une sur trois (soit 10 encore) va tomber juste.
- 36 personnes n'ont aucune idée: une sur 4 (soit 9) va voter correctement.
Résultat: 43% vont voter correctement. En faisant confiance au vote du public, notre candidat est sûr de choisir la bonne réponse, alors qu'il n'y avait dans ce public qu'une personne sur 7 qui aurait pu jouer le rôle d'expert. Magique!

Bien sûr, on ne peut généraliser ce genre de conclusion, en particulier si une croyance fausse est très répandue dans le public ou si la nature de la question est plus complexe. Mais pour des choix très simples on peut concevoir que les regroupements animaux puissent réellement suivre des buts précis, sans avoir forcément de leader.

Et l'évolution là dedans? On ne peut que spéculer: les tenants de l'évolution à tout prix verront dans l'efficacité des structures collectives l'oeuvre de la sélection naturelle, qui aura éliminé progressivement les conduites individuelles amenant d'autres structures collectives. Par exemple, l'alignement avec ses voisins doit nécessairement être une interaction de courte portée, autrement le groupe réagirait très lentement si l'un des membres du groupe déviait à la vue d'un prédateur (ses voisins restant alignés sur le grand nombre de voisins n'ayant pas changé de direction).
Mais il y a d'autres caractéristiques des groupes, comme celle des tourbillons de poissons, qui n'ont pas vraiment d'incidence sur la vulnérabilité aux prédateurs ou la recherche de nourriture. On peut spéculer à l'envie sur l'avantage évolutif de telles structures, mais il n'est pas interdit de penser qu'il s'agit là de simples conséquences macroscopiques d'interactions individuelles efficaces au plan microscopique.

Je n'ai pas trouvé beaucoup de SF sur ce thème; dommage, ça pourrait faire un beau sujet: imaginez que dans un "super-organisme" constitué de millions d'insectes, émerge un jour une conscience propre. Le super-organisme serait alors immortel puisque les insectes qui les composent sont remplacés à mesure qu'ils meurent. Il pourrait se reproduire par simple clônage ou s'auto-dissoudre volontairement... Vite mon Baygon!

Sources:
- l'excellent article à paraître Moving together (pdf) Sumpter, DJT, Princeton University Press
- Emergent schooling behavior in fish , Gustav Olson 2008 qui fait le tour de plusieurs modèles
- Energetics of flying and swimming in formation , FE Fish (1999) qui s'essaie au modèle global de l'économie d'énergie
- Kin selection and reciprocity in flight formation, Andersson (2004) qui au contraire cherche à comprendre pourquoi ce modèle ne fonctionne pas toujours pour les oiseaux.
- Why do migratory birds fly in V formation , Scientific American, 2004

Billets sur le thème de l'auto-organisation
A-côtés de la claque sur les applaudissements.
Billet classé (puissance) X sur l'origine des spirales dans la nature.

Asperger mode d'emploi

Dans son dernier bouquin[1], Daniel Tammet, le plus médiatique des auteurs-autistes décortique son fonctionnement interne qui lui permet de mémoriser des livres entiers et de faire de tête des multiplications de nombres à 4 chiffres. Et dézingue au passage les mythes sur les autistes.

Première surprise, les plus célèbres anecdotes au sujet des autistes seraient très exagérées, voire total bullshit. Et en particulier celles du très célèbre "L'homme qui prenait sa femme pour un chapeau"[2], d'Oliver Sacks, reprises au théâtre comme au cinéma. Vous vous souvenez de la célèbre scène de Rainman où le héros autiste voit le paquet d'allumettes tomber et dit instantanément combien d'allumettes il y en a par terre? Très improbable selon D Tammet: cette capacité à distinguer instantanément de grandes quantités n'a été rapportée dans aucune autre étude. Et on imagine à quel point il est matériellement difficile de compter toutes les allumettes parmi les les tas où certaines en cachent d'autres. Tammet suppose que les deux jumeaux autistes qui réalisent cette performance devant O Sacks pouvaient connaître par avance le nombre d'allumettes dans la boite. Peut-être car leur nombre -111- est très "parlant" pour un autiste, 111, trois petits batons qui rappellent graphiquement des allumettes. Bref, une bonne blague au bon Dr Sacks.

Autre exemple: Sacks raconte comme les mêmes jumeaux égrènent des nombres premiers de plus en plus grands pendant qu'il les écoute fasciné, vérifiant dans son livre sur les nombres premiers qu'ils ne se trompent pas. Jusqu'à ce qu'ils arrivent à des nombres à 12 chiffres alors que son bouquin "ne dépassait pas les nombres premiers à dix chiffres". Ce récit a déclenché récemment une vraie polémique entre spécialistes de l'autisme: il y a 400 millions de nombres premiers à 10 chiffres. Impossible à mettre dans un livre, même écrit en Times 4. De plus toutes les expériences actuelles montrent que la capacité des autistes savants (dont Tammet) se limite si l'on peut dire, à calculer des nombres premiers entre trois et cinq chiffres...

Cela dit, les performances de Tammet sont impressionnantes quand même: il connaît une douzaine de langues (il a même inventé la sienne), et peut de tête calculer combien font 37 x 469. Le point de départ de son génie se trouve d'après lui dans sa "synesthésie" qui lui fait associer à chaque nombre à une forme, ayant une couleur, une taille, un mouvement, une texture. On mémorise plus facilement les images et les objets concrets que les concepts abstraits. Voir des mots écrits en couleur et associer des nombres à des objets en trois dimensions faciliterait donc leur mémorisation. Comment tester cette première hypothèse? Vous connaissez sans doute le test qui consiste à demander la couleur de mots, dont le sens est contradictoire avec cette couleur.
Par exemple essayez de dire la couleur des mots suivants:

jaune
vert
bleu
rouge

Pas facile n'est-ce pas? L'esprit s'embrouille car il y a compétition dans notre tête entre reconnaissance des couleurs et reconnaissance des mots. On a répliqué cette expérience auprès de personnes douées de synesthésie, en remplaçant les lettres par des nombres. Comme les couleurs des nombres ne correspondent pas à l'image interne qu'en a la personne, elle éprouve plus de difficulté à mémoriser ces nombres. Daniel Tammet a lui même fait l'objet d'expérimentation allant dans le même sens, avec cette fois des chiffres dont les tailles ne correspondaient pas à l'image interne qu'il en a. "Expérience "extrêmement désagréable et étourdissante- comme si on demandait à quelqu'un de lire et de réciter une langue qu'il ne connaît pas" nous dit Tammet.

Tammet émet l'hypothèse que par ailleurs (est-ce une conséquence de sa synesthésie?) les zones de son cerveau dédiées aux nombres seraient bizarrement reliées à celles des mots et du langage. Plus précisément à celles de "l'organisation syntaxique" qui permet par exemple la formation des phrases. Ces connexions habituellement inexistantes lui permettraient ainsi de jongler avec les nombres exactement comme on le fait avec les mots et les phrases, en y associant une sémantique, des connotations etc.

Pensez par exemple au mot "girafe". Instantanément dans votre cerveau, une image apparaît. Puis vous l'associez à d'autres mots, qui ont un point commun avec la girafe:"cou", "immense", "taches". En revanche pour la plupart des gens, quand on parle d'un chiffre ou d'un nombre, ce processus de s'enclenche pas: aucune image mentale ne surgit de tel ou tel nombre (...) De la même façon qu'il est bien improbable de parler d'une girafe sans évoquer son cou, il est pour moi impossible de parler du nombre 23 sans faire référence à 529 ou 989" [539 = 23 au carré et 989 est le dernier nombre divisible par 23 avant 1000]. Je réussis à retrouver spontanément les connexions sémantiques qui relient les nombres parce que, tout comme avec les mots, je peux visualiser leur forme. Chaque nombre produit chez moi une image (...) Etre capable de visualiser des nombres m'aide à voir et à comprendre les interactions qui existent entre eux. Mais d'où me viennent toutes ces formes que j'associe aux nombres? Je n'en ai aucune idée! Je ne sais pas pourquoi le 6 m'apparaît tout petit et le 9 très grand, ou pourquoi les 3 sont ronds et les 4 pointus. Je retrouve malgré tout des tendances, qui prouvent que ces images mentales des nombres ont un sens et ne sont pas totalement hasardeuses: le 1 est brillant, le 11 est rond et brillant, 111 est rond, brillant et grumeleux, enfin 1111 est rond, brillant et tourne comme une toupie. Mon cerveau s'est servi de perceptions synesthésiques pour créer l'image des les nombres les plus petits, puis s'est servi de capacités combinatoires pour générer des milliers d'autres formes. C'est ainsi que les langues se servent d'un petit nombre de lettres et de sons, et produisent des milliers de mots.

Grâce à cette particularité cérébrale, Tammet manipule les chiffres comme nous manipulons les mots: il les factorise, les multiplie, les divise comme nous composons des phrases ou des mots compliqués. Les règles mathématiques sont pour lui aussi instinctives et implicites que le sont pour nous les règles du langage: il reconnaît les nombres premiers intuitivement tout comme on "sent" si un mot inconnu est français ou pas. Et de la même manière que l'on peut croire que le mot "zeugme" n'est pas français (c'est pourtant un effet humoristique), il arrive aux autistes de se tromper sur les grands nombres.

Cette adresse à manipuler les nombres et à les mémoriser est bien sûr renforcée par la fascination que leur porte Tammet: l'univers des nombres constitue un refuge pour les autistes souffrant d'isolement social et de solitude. Cet univers de logique, d'ordre et de beauté devient alors un merveilleux terrain de jeu dans lequel ils aiment se promener et où ils assimilent sans trop en prendre conscience les règles qu'ils y découvrent, les propriétés de certains nombres etc. En mars 2004, Tammet a récité de mémoire les 22 514 premières décimales de pi. Comme il l'explique "ce record européen est d'abord le résultat de plusieurs semaines de travail et de discipline (...) Grâce à la vision de ces formes j'ai pu mémoriser les décimales du nombre pi, les déroulant dans ma tête comme un panorama numérique. J'étais fasciné et émerveillé par une telle beauté".

Contrairement à une idée reçue, la mémoire des autistes n'est pas photographique. Pour les décimales du nombre pi, "bien qu'elles se suivent de façon aléatoire, leur représentation dans mon esprit était cohérente. Les nombres se structuraient de façon rythmique en formes lumineuses colorées et personnalisées. Je composais une sorte de mélodie visuelle qui serpentait dans le labyrinthe de mon esprit et me donnait à entendre la musique des chiffres". De manière générale, la mémoire phénoménale des autistes s'expliquerait par leur capacité à associer facilement toutes les nouvelles informations à leurs connaissances préexistantes.

Le revers de la médaille, c'est que les savants autistes ne se souviennent que des informations qui les intéressent. Donc typiquement des données factuelles et non pas liées à des émotions par exemple. Ils retiendront plus facilement une liste de dates historiques qu'un poème. Pour Tammet, c'est la mémorisation des visages qui lui pose problème. Finalement, entre un autiste et un autre individu ce ne serait pas tant la méthode de mémorisation qui diffère, que le type d'informations enregistrées (plus l'entrainement, bien entendu).

Cette faculté à connecter des informations qui ne le sont pas d'habitude pourrait avoir une autre conséquence: le génie créatif de certains autistes! Car qu'est ce que la créativité, sinon la fusion de deux éléments éparses pour créer une nouvelle idée? La synesthésie de Kandinsky (qui associait des couleurs à la musique) ou de Feynman (qui voyait les équations en couleurs!) aurait-elle contribué à leur génie créatif?

En refermant le livre, je suis finalement moins impressionné par ses performances intellectuelles que par sa capacité à avoir surmonté l'enfermement de sa maladie et à avoir su en parler avec justesse et émotion...

Références
[1] Embrasser le ciel immense, Daniel Tammet (Editions des Arènes, 2009)
[2] L'homme qui prenait sa femme pour un chapeau, Oliver Sacks (1985)

Articles connexes:
Quel jour c'était déjà? (vous remarquerez dans la vidéo que pour faire les calculs très difficiles, Arthur Benjamin utilise des assemblages de mots bizarres)
Les neurones des nombres

A-côtés de la claque

Avez-vous remarqué comment, à la fin d'un concert ou d'une représentation théâtrale particulièrement réussie, la salve d'applaudissements initiale finit par ralentir pour se mettre à l'unisson et rappeler le retour des artistes sur scène, avant de reprendre progressivement un rythme plus soutenu et se diluer de nouveau dans une cascade bruyante et désordonnée. Les applaudissements semblent suivre un cycle de phases lentes et synchronisées suivies de phases bruyantes et chaotique.

La synchronisation instinctive
Des chercheurs se sont amusés en 2000 à décortiquer ce phénomène en laboratoire et ont découvert des trucs amusants: notre tendance à applaudir "à l'unisson" serait un exemple de plus de notre propension à synchroniser inconsciemment nos rythmes avec ceux de nos prochains [2]: nos pas se règlent tout seuls sur celui de nos compagnons de marche; les femmes vivant en collectivité finissent par avoir le même rythme menstruel et dans une chorale la synchronisation des chœurs est si naturelle qu'il faut beaucoup de concentration pour chanter "en canon". On ne sait pas très bien expliquer ce réflexe; probablement renforce-t-il les liens entre les membres d'une collectivité en créant une émotion particulière, un sentiment d'appartenance communautaire.

Toujours est-il que cette propension nous vient sans doute d'assez loin dans l'évolution [3] puisqu'on l'observe chez tout un tas d'espèces animales dont les membres synchronisent leurs rythmes sexuels, alimentaires ou autres. Jusqu'aux lucioles qui accordent mystérieusement leurs clignotements lumineux entre elles, et qu'on arrive même à faire synchroniser avec un petit clignotant artificiel.

Des horloges bien sympathiques
On peut même remonter les sources de cette tendance à la physique elle-même: Huygens avait découvert en 1665 déjà, que deux pendules oscillant très proches tendent naturellement à accorder spontanément leur fréquence d'oscillation. Sa découverte -la sympathie des horloges- est un peu tombée dans l'oubli jusqu'à ce qu'on y revienne au 20e siècle. Kuramoto a récemment montré comment des oscillateurs très simples et interagissant de proche en proche, finissent toujours par se caler sur une même fréquence, à condition que leurs fréquences initiales ne soient pas trop dispersées autour de la moyenne. Voilà le truc pour nos applaudissements! Pour pouvoir se synchroniser il faut que les applaudissements aient au départ des fréquences pas trop éloignées les unes des autres.

Nos chercheurs [1] ont donc demandé à des étudiants isolés d'applaudir d'abord à un rythme régulier, puis à faire le maximum de bruit en applaudissant. Pour marquer un rythme régulier, tous les étudiants ont adopté une fréquence d'applaudissement assez lente (la courbe en pointillés rouges), dont le spectre était relativement étroit autour d'une valeur moyenne. Par contre, pour applaudir fort, il faut frapper souvent dans ses mains: les étudiants adoptaient donc des fréquences deux fois plus élevées et dans un spectre de fréquence beaucoup plus large (la courbe en noir). Conclusion: il est très facile de se synchroniser quand on applaudit lentement, mais c'est impossible quand on applaudit fort.

Le dilemme de la claque
Ce phénomène pourrait être à l'origine du cycle alternant nos deux types d'applaudissements. Nous serions tiraillés entre deux pulsions contradictoires: notre enthousiasme nous pousse à faire le maximum de bruit et à applaudir frénétiquement, créant un brouhaha incohérent. Notre instinct nous pousse par ailleurs à adopter une fréquence synchrone. Pour y parvenir il suffit d'applaudir une fois sur deux et de laisser parler son instinct, et nos petits pendules internes se synchronisent tous seuls car les fréquences obtenues sont suffisamment proches. Jusqu'à ce que poussés par l'enthousiasme, nos applaudissements n'accélèrent tout seuls etc. Les applaudissements oscillent ainsi entre ces deux modes, ce que les chercheurs ont corroboré en mesurant la fréquence sonore dans une salle de théâtre. Sur leur graphe, on visualise bien le rythme rapide et anarchique des 12 premières secondes d'applaudissements, qui se convertissent en applaudissements plus lents et bien rythmés jusqu'à la 27 eme seconde environ, avant de retomber dans le chaos désynchronisé d'applaudissements rapides et bruyants.

Il n'y avait guère que dans les pays de l'ancien bloc soviétique où les applaudissements pouvaient se maintenir synchronisés pendant de longues minutes après un long discours politique. Pas facile de simuler l'enthousiasme!

Au bout d'un moment, les applaudissements s'arrêtent brutalement. Je suppose que nous sommes sensibles aux moindres variations du volume sonore et qu'il suffit que quelques personnes s'arrêtent d'applaudir pour que tout le monde s'en rende compte et cesse également d'applaudir.

Comportements individuels très simples, imitations et feedbacks, cohérence collective avec cycles et effets de seuils: les applaudissements intègrent toute la panoplie des ingrédients classiques des phénomènes d'auto-organisation!


Sources:
[1] The sound of many hands clapping , Neda et al. (Nature, Fev 2000)
[2] Synchronization, Sumpter, D.J.T (à paraître), Collective Animal Behaviour, Princeton University Press
[3] Les horloges sympathiques: l'organisation sociale au rythme de la synthonisation, Maxime Sainte-Marie (Les cahiers de Lancie, Mars 2008)

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Psychologie de l'incivilité au volant

C'est la journée de la courtoisie sur la route et l'occasion de se demander pourquoi on se transforme si facilement en Mr Hyde dès qu'on a les fesses sur le siège de sa voiture. Pur jus de crâne Xochipillesque, je vous préviens tout de suite, car ma culture scientifique sur le sujet se limite aux tests du type "quel conducteur êtes-vous?" dans les magazines que je ne lis (presque) pas.

C'est dans les pays dont le niveau d'éducation est faible que le contraste est le plus saisissant. Au Mexique, pays que je connais bien, le savoir-vivre exige une surenchère dans la courtoisie face à quelqu'un: on ne dit pas "à votre service" mais "à vos ordres" (a sus ordenes!), on ne parle pas de son "chez soi" mais de "votre" maison (car "ma maison est votre maison" - "su humilde casa") etc. A l'inverse les queues de poissons, les insultes et les doigts tendus rythment frénétiquement la vie bien peu urbaine des conducteurs automobiles.

Au milieu de cette jungle, un détail m'a pourtant toujours intrigué: pour changer de file au milieu d'une circulation très dense, il suffit de tendre la main par la fenêtre ouverte pour amadouer instantanément le conducteur de derrière. Alors que le clignotant est totalement inefficace, la technique de la main passée par la portière fait mouche à tous les coups à tel point que le passager le fait aussi à la place du conducteur lorsqu'il faut bifurquer à droite.

Ce soudain accès de civilité s'explique selon moi par l'irruption d'une forme de communication humaine -une main tendue- unique dans la marée des voitures. Et ce signal visuel exerce une pression très puissante sur les comportements des autres conducteurs. Autant l'automobiliste ignore sans même y penser le clignotant de la voiture de devant, autant il obéit quasi instinctivement au signal humain d'une main tendue. Faites l'expérience vous-même la prochaine fois que vous êtes coincé dans un carrefour embouteillé: si vous arrivez à attraper le regard du conducteur qui arrive en face, la partie est gagnée et il vous laissera passer. Et si vous lui faites un signe de tête ou un sourire, il le fera de bonne, grâce par dessus le marché. La tactique des mauvais coucheurs consiste d'ailleurs dans ces cas-là à éviter de croiser votre regard en gardant le leur obstinément braqué dans le vide.

Mon hypothèse est donc que nous nous soumettons aux communications non-verbales de manière compulsive, irrépressible (à condition de ne pas être indisposé par la personne en face de soi). Notre courtoisie de visu serait une réponse-réflexe à un signal non verbal et non pas le fruit d'une décision consciente. Nous sommes conditionnés pour répondre positivement aux signaux non verbaux de nos semblables. L'éducation reçue, l'intelligence, la rationalisation ne font que renforcer ce comportement, en le justifiant après coup, mais ils n'en seraient en aucune manière la source.

En l'absence de signaux visuels -lorsqu'on ne voit pas les conducteurs dans leurs voitures par exemple- l'incivilité est la règle naturelle et la courtoisie l'exception. Le même phénomène se constate au téléphone: toujours au Mexique, il est très courant de se voir raccrocher au nez et sans un mot d'excuse lorsqu'on reçoit un coup de fil par erreur. Par contre dès que l'on met un visage sur une voix la relation change du tout au tout, bien entendu.

J'en conclus (provisoirement) qu'il y a une différence fondamentale entre d'un côté la bienveillance provoquée instinctivement par une communication non verbale et, de l'autre, le civisme, fruit d'une longue éducation qui encourage à la même bienveillance même en l'absence de communication non verbale. Ce qui fait le propre de l'homme n'est pas sa bienveillance face à autrui (ça, ça existe partout dans le monde animal), mais son civisme, c'est à dire sa bienveillance face à l'idée de l'autre, lorsque l'autre n'est pas visible. L'imagination au pouvoir en quelque sorte...

Au fait, un embouteillage comment ça se forme? Regardez la petite vidéo qui l'explique parfaitement en 40 secondes chrono:

Les embouteillages, comment ça marche ?