Weis ép. Fisch Chantal Faculté des Sciences Techniques

Weis ép. Fisch Chantal
Faculté des Sciences Techniques – MIAS
2003-2004
Recherche documentaire, 1ère année
Intitulé exact du sujet
Les systèmes critiques auto-organisés - partie 2 :
Introspection. Per Bak, dans son livre "Quand la nature s'organise" donne quelques
explications sur la démarche et l'environnement scientifique à partir duquel s'est formalisé
son concept de systèmes critiques auto-organisés. En "pistant" via le Web les références
citées à partir de ce livre, essayez de comprendre et d'expliquer comment aujourd'hui peuvent
s'élaborer des théories scientifiques par la convergence de travaux pluridisciplinaires. On
procédera à l'image d'un détective pour rechercher les sources d'inspirations (nombreuses)
qui ont permis la formalisation que propose P. Bak. Le Web permet de faire une très grande
partie des recherches nécessaires.
Index
Intitulé exact du sujet ................................................................................. 2
Index .......................................................................................................... 3
1. Per Bak : How nature works................................................................... 4
2. Formalisation du concept ....................................................................... 4
2.1 Sources d’inspiration .........................................................................................4
2.2 L’environnement de travail ................................................................................4
2.3 Démarche scientifique utilisée ...........................................................................5
2.3.1 L’importance des métaphores simples...................................................................5
2.3.2 Approche systémique............................................................................................6
3. Une recherche pluridisciplinaire et systémique ...................................... 6
4. Elaboration de théories scientifiques ...................................................... 8
Bibliographie.............................................................................................. 9
« Quand la nature s’organise » - Introspection
1. Per Bak : How nature works
Per Bak s’est posé la question s’il n’existe pas une théorie universelle, comme la deuxième
loi de Newton en physique, pour les comportements complexes. Il est parvenu à la trouver : la
théorie des systèmes critiques auto-organisés. L’exemple canonique de systèmes critiques autoorganisés est le tas de sable. Au début il présente des états d’équilibre ponctuels où des périodes de
stase sont interrompues par des avalanches de sable provoquées par la chute d’un grain de sable qui
par effet domino touche et bouge un ou plusieurs grains de sables qui alors interagissent avec
d’autres grains de sable dans une réaction en chaîne.
Son livre « How nature works » documente le processus d’élaboration de cette théorie, de
même qu’il illustre diverses applications dans différents domaines. Je vais surtout me baser sur cette
documentation du processus d’élaboration pour clarifier les sources d’inspiration, l’environnement
de travail et la démarche scientifique de Per Bak. Ensuite, je vais clarifier les idées sur une
recherche pluridisciplinaire et systémique. Finalement je vais montrer comment peuvent s’élaborer
des théories scientifiques aujourd’hui.
2. Formalisation du concept
2.1 Sources d’inspiration
Per Bak s’est inspiré de beaucoup de domaines et de chercheurs. Il s’est, entre autres, basé
sur les travaux de Richter et Gutenberg concernant les tremblements de terre et s’est inspiré des
travaux de Mandelbrot au sujet des variations des prix de coton en économie et de ceux parlant de la
physiologie fractale de la côte norvégienne.
Selon Traut plus de 30 individus ont fait des contributions à sa théorie et l’ont aidé. « (…)
leading to a sense that when Bak is not on the road himself (…) » (TRAUT, 1998) En plus, Per Bak
a collaboré avec des chercheurs de tous les domaines. « He (Bak) collaborated and published with
economists, geologists, biologists, physicians, mathematicians and many others. » (JENSEN,
09/03/04). Il dit aussi que Bak a participé à des discussions lors de conférences et qu’il a également
discuté ses recherches par courrier électronique avec d’autres chercheurs. L’échange d’idées était un
point fondamental dans la recherche de Per Bak, ce qui va être illustré plus en détail par la suite.
2.2 L’environnement de travail
Le Laboratoire National de Brookhaven, le lieu de travail de Bak, était connu pour des
découvertes importantes en physique des particules. En ce qui concerne l’équipement technique, le
laboratoire de physique est similaire à celui des grandes universités. En plus, il y a un
environnement intellectuel important.
Selon Bak, le succès de l’équipe de Brookhaven peut être attribué au climat de travail qui
y régnait. Les chercheurs n’étaient pas sous pression de devoir découvrir quelque chose. À la limite
ils auraient pu être assis là et tourner les pouces jusqu’à la retraite sans subir de conséquences
financières.
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« Quand la nature s’organise » - Introspection
Les groupes de chercheurs étaient souvent constitués de peu de chercheurs et de quelques
étudiants, ce qui fonctionnait bien. « Contrary to the general public perception, good science today
very often comes from small groups consisting of one or two professors and a couple of young
collaborators. (…) Good science is not necessarily expansive science. » (BAK, 1996)
Beaucoup de discussions intéressantes ont eu lieu dans la cafétéria, le vrai centre
intellectuel de Brookhaven. « There was a very playful atmosphere, which is crucial for innovative
scientific thinking. » (BAK, 1996) Il y avait également beaucoup de gens qui étaient de passage et
qui participaient aux discussions, ce qui a parfois apporté un point de vue différent.
La communication entre chercheurs, respectivement l’échange d’idées, se situait donc à
deux niveaux : primo par courrier électronique ou par l’intermédiaire de conférences avec des gens
géographiquement loin de Brookhaven et secundo dans une atmosphère décontractante à l’intérieur
de l’institut avec d’autres chercheurs qui y faisaient des recherches dans d’autres disciplines ou avec
des gens, comme Susan Coppersmith, qui venaient chez Per Bak pour discuter de leurs travaux et
qui ainsi l’inspiraient.
2.3 Démarche scientifique utilisée
2.3.1 L’importance des métaphores simples
Per Bak insiste sur le fait essentiel des bonnes métaphores. Il est important de faire des
modèles très simples. Il faut éliminer tous les petits détails qui ne sont pas important pour le
fonctionnement du principe. Au début lui et son groupe avaient pris des pendules couplés pour
étudier le concept des systèmes critiques auto-organisés. Or la métaphore des pendules n’était pas la
bonne puisque les chercheurs ne voyaient pas très bien ce qui se passait. Il fallait encore simplifier,
trouver une métaphore qui est plus facile à comprendre. Les chercheurs ont décidé de changer de
registre. La rotation des pendules est remplacée par des grains de sable qui tombent sur un tas de
sable. La fondation mathématique est la même que pour les pendules, or la métaphore est plus facile
à comprendre.
L’intuition physique basée sur
le modèle du tas de sable conduit à une
compréhension
plus
facile
du
comportement
du
modèle
mathématique. L’ajout d’un grain de
sable a transformé le système d’un état
dans lequel chaque grain suit sa propre
dynamique locale dans un état critique
où la dynamique émergente est globale.
L’état critique ne peut être gardé qu’à
cause d’énergie provenant des grains de
sable ajoutés en haut du tas (énergie
potentielle) qui se transforme en énergie
cinétique lors des chutes des
avalanches.
Figure 1 :
Illustration du principe du tas de sable.
(BAK, 1996)
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« Quand la nature s’organise » - Introspection
Bak illustre l’importance des métaphores simples par l’exemple d’un physicien qui devrait
aider un fermier à élever des vaches pour que celles-ci donnent beaucoup de lait. Le physicien n’est
revenu qu’après un bon bout de temps et voulait expliquer sa théorie. « Consider a spherical
cow….. » (BAK, 1996) Mais il faut gérer la vache réelle. Il faut arriver à éliminer tous les détails
qui n’interviennent pas dans le fonctionnement qu’on veut étudier, réduire au maximum et savoir
s’arrêter au bon moment. « (…) to stop the process before we throw out the baby with the
bathwater. » (BAK, 1996)
2.3.2 Approche systémique
Selon Per Bak les propriétés globales de quelques systèmes composés, comme un tas de
sable ou des tremblements de terre, ne peuvent pas être comprises en étudiant seulement les parties
du système. Il faut avoir une vue globale ou holistique, respectivement considérer le système entier
avec tous ses éléments et les relations entre ceux-là.
On peut donc dire que Per Bak a utilisé un concept systémique ce qui est décrit par
Bishop, qui applique cette vue sur la gestion d’une entreprise comme étant une conception d’un
ensemble d’éléments qui ont des relations non linéaires entre eux et qui interagissent. Penser en
matière de relation de cause à effet n’y fait donc pas de sens. Dans ce contexte on ne peut pas se
baser sur des relations linéaires. (BISHOP, 29/04/04)
Durand insiste sur le fait qu’un système est composé d’éléments, mais que la globalité
n’est pas la somme de ces éléments, mais plus. En fait, « un système est un tout non réductible à ses
parties. (…) il implique l’apparition de qualités émergentes que ne possédaient pas les parties. »
(DURAND, 1979) C’est justement ces qualités émergentes qui coordonnent le système, comme le
principe des avalanches chez Bak.
3. Une recherche pluridisciplinaire et systémique
La science a longtemps essayé d’identifier et d’expliquer des entités ou processus
élémentaires. Ainsi elle a départagé ces entités en différents domaines ce qui n’admet qu’une vision
réductionniste du monde, de la vie et de leur fonctionnement complexe. Elle ne tient pas compte du
système dans son intégralité mais uniquement des éléments retirés de leur contexte significatif.
([s,n], 29/04/04) En fait, durant trois siècles, du dix-septième au vingtième, les scientifiques
voulaient découvrir la vérité sur la nature, perçue comme des mécanismes de causalité.
(GOODWIN, 2003)
Dans le vingtième siècle il y a eu quelques découvertes qui indiquaient qu’il faut une
révision de ce concept de causalité. Une de ces découvertes était la théorie de relativité d’Einstein,
une autre celle des quantas et la troisième la théorie du chaos. « A final development within science
that transformed our view of nature came with the emergence of complexity theory in the eighties
and nineties. » (GOODWIN, 2003) Les questions que la recherche se pose deviennent de plus en
plus complexes à répondre et ne le sont parfois pas sans une vue globale de la matière à étudier,
donc du système. En fait, les questions ne se laissent pas répondre à travers un domaine particulier,
mais il faut une coopération de chercheurs des différentes disciplines, donc une convergence de
travaux pluridisciplinaires. ([s,n], 29/04/04)
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« Quand la nature s’organise » - Introspection
Chaque discipline se caractérise par ses propres méthodes de travail. « Each area of
scientific study required special ways of precise measurement and so the different 'disciplines' of
science were born, fragmenting it into the various subjects that make up our university science
departments today. » (GOODWIN, 2003) La méthode de travail ou recherche interdisciplinaire
comprend plusieurs spécialités indépendantes qui suivent chacune une position du problème avec
ses méthodes respectives. Ceci peut mener à un résultat riche de facettes, une vue d’ensemble plus
globale et plus proche du phénomène étudié. ([s,n], 30/04/04) « L'approche systémique est une
occasion de synthétiser les approches particulières. » (GENTILI, 03/05/04)
À l’Université de Montréal se déroule une telle recherche pluridisciplinaire et ces travaux
ont des importances dans plusieurs domaines. En fait, il s’agit d’un des premiers groupes de
chercheurs pluridisciplinaires dont le début date des années 60’ et qui réunit un neurochimiste,
deux neurophysiologistes, un ingénieur biomédical et un neuroatomiste. « On réunissait de la sorte
les différentes disciplines liées à la compréhension du cerveau. » (LAFLEUR, 2004) Grâce à ces
chercheurs issus de différents domaines, ce groupe a une vision plus complète du cerveau humain.
Alors la recherche scientifique ne doit pas s’arrêter à une analyse des différents éléments
isoloés, mais elle doit poser son regard sur les systèmes en entier. (INTERDIS, 04/05/04) « Instead
of seeking solutions to individual problems I am interested in the tradeoffs that develop as one
manipulates the system. To do this, my approach starts with modeling to understand how and why
the components of the system interact and to identify gaps in our knowledge. » (STRICKLER,
30/04/04). Karen Strickler cherche à avoir une vue d’ensemble qui lui permet de résoudre le
problème d’une manière efficace. Ainsi, elle voit la possibilité d’introduire des abeilles dans les
champs de luzerne1 pour que la pollinisation se fasse rapidement et pour ainsi prévenir que d’autres
insectes ne se posent sur les pollens des luzernes et causent ainsi une perte de celui-ci. D’autres
chercheurs, qui ne tiennent pas compte du système, mais seulement du problème isolé, de la perte
des pollens par des insectes, auraient développés un pesticide, ce qui aurait causé d’autres
problèmes.
Une telle recherche nécessite également d’expériences. Or, lorsqu’on travaille sur des
systèmes, il est difficile de faire ces expériences en nature, car on ne sait pas d’avance comment va
réagir le système entier. Ainsi, on fait des simulations sur ordinateur pour étudier des systèmes
complexes et pour pouvoir facilement changer un paramètre et regarder ce qui se passe ensuite, sans
devoir attendre beaucoup d’années et sans perturber par exemple l’écosystème étudié en question.
La simulation est souvent mise en oeuvre à l’aide d’automates cellulaires qui interagissent avec le
système et qui permettent ainsi la modélisation de systèmes complexes. Ceci implique qu’il faut un
programmeur dans une équipe de chercheurs scientifiques pour que celui-ci puisse modéliser le
système en question et préparer des simulations sur ordinateur. (MARSHALL, 1994) En effet, il est
souvent difficile de simuler convenablement des phénomènes naturels, comme des tremblements de
terre ou des changements possibles dans des écosystèmes, sans recours à l’informatique. Pour
simuler des tremblements de terre en Californie, selon Per Bak, il faudrait un modèle à l’échelle 1:1.
Or ceci n’est pas faisable, tandis qu’une simulation sur ordinateur est tout à fait possible.
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En Anglais: alfalfa fields
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« Quand la nature s’organise » - Introspection
4. Elaboration de théories scientifiques
Aujourd’hui, étant donné la complexité des questions étudiées, les théories scientifiques
devraient s’élaborer à l’aide d’une approche systémique. La science veut comprendre par exemple
comment fonctionne le cerveau, ainsi il lui faut une vue globale du cerveau, riche en facettes. Pour
obtenir une telle vue globale, il faut nécessairement des vues différentes sur une même chose. Alors
des chercheurs de différents domaines, de différentes disciplines, avec leurs méthodologies
différentes, permettent une telle approche diversifiée. En fait, la pluridisciplinarité est importante,
étant donné que les relations entre les éléments du système ne respectent pas les limitations entre les
disciplines comme elles existent académiquement.
Un autre point important pour la recherche est l’échange d’idées et une bonne ambiance de
travail. Comme Per Bak, les chercheurs devraient discuter leurs idées entre eux, ce qui leur
permettra également d’avoir un autre regard sur leur sujet de recherche. La discussion et l’échange
d’idées sont indispensables dans une approche pluridisciplinaire et systémique. Mais le lieu et
l’atmosphère de travail doivent aussi promouvoir de tels échanges.
Un dernier point concerne l’importance de simplifications du système et de la simulation
sur ordinateur. Per Bak démontre bien qu’il faut des simplifications pour simuler l’expérience du tas
de sable sur ordinateur. Mais il ne faut pas non plus simplifier à tel point que le concept étudié est
dépourvu de sens.
En recherche, comme dans tout autre domaine de la société moderne, il est nécessaire de
collaborer, d’échanger des idées, de simplifier et d’avoir un regard global sur le système étudié.
Plusieurs facteurs jouent un rôle important et non un seul. Ainsi, la recherche, qui s’inscrit dans le
cadre du monde d’aujourd’hui doit, selon moi, tenir compte de ces différentes facettes et relations
multiplies si elle veut être efficace et travailler pour la société et non dans un vide artificiel !
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Bibliographie
BAK, P. (1996). How nature works, the science of self-organized criticality. New York :
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BISCHOP, D. (page consultée le 29/04/04). Was kann Ihnen systemisches Denken
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GENTILI, F. (page consultée le 03/05/04). La systémique. [en ligne], Adresse URL :
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