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

Billets connexes (de loin!):
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

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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 nœuds 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 Ap 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? Ap 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, Ap 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 Ap 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, Ap 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)

Billets connexes:
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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