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Laura Hernández, appréhender la complexité par la physique

Elle utilise les modèles de physique statistique pour mener des études interdisciplinaires qui explorent l’influence des interactions entre individus sur le groupe.

08.06.2017

Laura Hernández est physicienne et membre de notre laboratoire de physique théorique et modélisation (LPTM). Elle étudie et propose des modèles qui permettent d’appréhender le rôle des interactions entre les composants d’un système dans le comportement global dudit système. Ses compétences et son expérience en physique statistique lui permettent aujourd’hui de travailler sur les questions d’interactions individuelles au sein d’un groupe, dans des domaines aussi variés que l’écologie ou la dynamique des systèmes sociaux. Retour sur son parcours.

Physique et complexité

Laura, sur quoi portent vos travaux en physique pure ?

La matière est composée d’atomes qui forment des molécules. Celles-ci sont agencées de façon hasardeuse ou très organisée selon le matériau considéré et son état (solide, liquide, gazeux). L’état d’une matière, appelé « phase » en physique, a ses caractéristiques propres visibles à l’œil nu (macroscopiques).

Cependant, il existe d’autres types de phases moins connues, comme celles d’un aimant. Un aimant ordinaire est un objet dont chaque atome peut être pensé comme portant une petite boussole (ou des micro-aimants) qui peut s’orienter. Quand toutes ses boussoles sont orientées dans le même sens, il possède les propriétés magnétiques qui lui permettent d’adhérer à notre réfrigérateur. C’est l’ordre global des boussoles microscopiques qui génère cette capacité. Cette propriété d’adhérence (macroscopique) résulte des interactions locales entre les différents micro-aimants individuels (microscopiques). L’aimant est alors dans une phase appelée « ferromagnétique ».

Si vous faites varier certains paramètres (température, pression), cela peut avoir une influence sur l’organisation de ces micro-aimants. Alors, ils peuvent s’orienter différemment les uns des autres. L’aimant va ainsi perdre sa capacité à adhérer à un support métallique sans changer d’aspect. C’est un changement de phase de type magnétique (une transition de phase).

Mon travail de physicienne théoricienne consiste à étudier ces comportements magnétiques microscopiques dus aux interactions au sein de la matière, à comprendre quelles influences elles ont sur les propriétés de la matière, puis à modéliser ces phénomènes. Et comme la matière est constituée d’un nombre immense de particules, j’utilise la physique statistique qui permet de travailler sur de grandes quantités des particules en interaction. L’intitulé académique de mon domaine de recherche est : physique statistique appliquée à la matière condensée, en particulier à l’étude des transitions de phase dans les systèmes magnétiques désordonnés.

A quoi sert votre travail en physique ?

La principale utilité des travaux de physique théorique est de comprendre les phénomènes physiques observés, en construisant des modèles théoriques qui permettent de généraliser ces observations. A priori, beaucoup de personnes ne voient pas l’utilité de tels travaux. C’est en effet une sorte de curiosité « gratuite » car elle ne poursuit pas un but applicatif direct. Mais, sans cette démarche non orientée, les chercheurs n’auraient jamais trouvé certaines choses bien connues aujourd’hui et indispensables à l’innovation technologique. Toute l’utilité de la recherche fondamentale est de développer la connaissance sans but applicatif précis mais qui alimente beaucoup d’autres travaux. Elle est indispensable à long terme. Dans un aller-retour entre la théorie et l’expérience, nos modèles se nourrissent des résultats expérimentaux et proposent en retour, des théories nouvelles à valider, ainsi que des outils et des clés de compréhension pour les phénomènes étudiés. Sans cela, aucun nouveau développement dans l’applicatif ne verrait le jour.

Tout le travail que j’ai effectué dans ce domaine de pure physique théorique m’a permis de maîtriser et de développer des modèles et des outils de physique statistique qui peuvent être applicables à d’autres disciplines dans lesquelles on trouve aussi un grand nombre d’éléments en interaction.

Avez-vous expérimenté l'utilisation de ces modèles pour d'autres disciplines ?

Oui, depuis quelques années, j’ai eu cette opportunité. C’est un nouveau souffle dans mes recherches qui amplifie encore plus ma curiosité naturelle de chercheur.

Dans le domaine de l’écologie, j’ai pu contribuer à l’analyse d’une grande quantité de données que les chercheurs avaient sur des comportements individuels liés à la pollinisation des plantes. Ici, on utilise la théorie des réseaux complexes. Alors que les interactions entre individus (plantes, insectes, oiseaux…) avaient un aspect aléatoire, ce modèle a montré qu’il existe une organisation particulière (ordonnée) des relations pollinisés/pollinisateurs au sein d’un écosystème. Et, elle a un impact sur l’ensemble dudit écosystème. Aujourd’hui nous travaillons à essayer de trouver des facteurs permettant de modéliser cette organisation et de faire le lien entre celle-ci et l’état de l’écosystème. C’est un sujet passionnant pour lequel il reste encore beaucoup de questions à étudier.

J’ai également eu l’occasion de travailler sur la participation aux élections locales. Le fait que, plus la commune comporte d’inscrits sur les listes électorales, plus le taux d’abstention est fort est connu depuis longtemps. Cependant, cette diminution de la participation ne suit pas une loi unique. La forme de cette décroissance est différente pour chaque cas. Les économistes imputent cela à un rapport coût/bénéfice individuel : plus la commune est importante, moins mon vote va avoir d’impact sur les résultats.  C’est la « théorie du pivot ». Nous avons souhaité, avec un collègue, post-doctorant au LPTM, étudier avec nos outils de physique statistique le cas des élections municipales.

Il s’avère, que dans ce cas nous obtenons une loi mathématique très simple et universelle (c’est-à-dire qui se vérifie quasi-systématiquement). Lors d’élections municipales, nous avons observé que le taux de participation varie toujours de la même façon en fonction du nombre d’inscrits. Mais, est-ce une question de coût/bénéfice individuel ou un effet des interactions entre individus au sein de la commune ? C’est ce que nous avons cherché à savoir avec nos modèles. A la différence des autres élections, dans une élection locale, le groupe (ici la commune) prend une décision qui concerne ce groupe exclusivement (les inscrits dans la commune, élisent le maire qui les gouvernera et non pas le président qui gouvernera aussi d’autres citoyens). Nous avons supposé que la participation à un vote communal reflète la cohésion de la population de la commune. Pour valider cette hypothèse, nous avons simulé statistiquement différents types d’interactions de groupes d’opinion au sein de la commune jusqu’à retrouver les résultats observés. Il s’avère que la variation du taux de participation dépend de la hiérarchisation des groupes d'opinion au sein de la commune. Dans ce modèle, plus la chaîne hiérarchique est longue, moins l’individu se sent relié au groupe, et plus il est susceptible de s’abstenir de voter. Le choix d’aller voter ne résulte donc pas seulement du choix individuel pur mais des interactions de l’individu avec les autres dans le groupe étudié. Voilà un bon exemple de l’apport de nos méthodes d’études de l’impact des interactions individuelles sur la compréhension d’un fonctionnement global.

Depuis quelques temps, je travaille aussi sur la dynamique culturelle et la dynamique des opinions au sein de nos sociétés. Avec des collègues de l'université de Saragosse (Espagne), nous avons proposé un modèle de dynamique culturelle. Il a permis de démontrer que si une société est très tolérante à l’égard de la différence culturelle, à long terme, un groupe culturel deviendra dominant pour donner une société monoculturelle. En revanche, une société où la tolérance est moyenne (ni forte ni faible), cela aura tendance à favoriser la coexistence de groupes culturels divers. La société sera multiculturelle. Notre modèle met également en évidence un résultat qui semble paradoxal par rapport au premier résultat sur les sociétés très tolérantes. Une société très intolérante, elle aussi, tendra vers une monoculture. Cela en traversant des états intermédiaires de grand fractionnement culturel et avec une reconstitution des groupes sociaux.

Et pour la suite ?

Je coordonne un projet international qui vient d’être lauréat d’un financement proposé par une plateforme internationale de coopération transatlantique pour la recherche en sciences sociales et humanités. C’est un projet interdisciplinaire auquel participent des physiciens, des mathématiciens, des informaticiens, des philosophes, des linguistes et des sociologues, de France, du Brésil et d’Argentine. Nous allons utiliser ce que l’on appelle le « Big Data ». Entre autres, nous disposons de la base des données du New York Times, numérisé depuis 1851, ainsi que de données provenant de Twitter récoltées durant la période des dernières élections présidentielles en Argentine. Notre objectif est de croiser nos compétences pour étudier la dynamique des opinions et de langage en utilisant ces données massives que nous aurons à disposition. Nous définirons précisément nos axes de travail lors de la réunion de lancement au mois de juillet. C’est une nouvelle aventure qui commence !

Pour aller plus loin
La page personnelle de Laura
Une loi universelle pour la participation aux élections municipales, article paru dans Pour la Science
Co-evolutionnary network approach to cultural dynamics controlled by intolerance
Understanding and characterizing nestedness in mutualistic bipartite networks

Laura Hernández

Physicienne théoricienne

Portrait de Laura Hernández

Lieu de naissance : Buenos Aires

Laura commence ses études supérieures en Argentine en 1978, dans un contexte politique et socio-économique compliqué. A la recherche d’une société plus en accord avec ses valeurs, elle quitte son pays en 1990 pour la France. Elle renonce alors aux deux ans et demi de thèse effectuée au sein de l’équivalent argentin du CEA et perd le financement associé à ce travail.

Elle recommence une thèse de zéro en France, en 1990 Cette thèse, elle la fera sans financement, au Laboratoire de Physique des Solides de l’INSA et de l’université de Toulouse. Elle obtient le grade de docteur en 1993 puis est recrutée la même année par l’UCP comme maître de conférences.

Depuis, elle enseigne et fait de la recherche au sein de notre Laboratoire de Physique Théorique et Modélisation, le LPTM. En 2015, elle obtient son habilitation à diriger des recherches qui lui permet de transmettre ses compétences à de jeunes chercheurs.

Laura est particulièrement intéressée par la formation à la recherche. Elle a créé et dirigé pendant cinq ans le Parcours Systèmes Complexes du Master Theoretical Physics and Applications (enseigné en Anglais et donne un double diplôme avec l’Université de Saragosse). Ce programme a obtenu le label de Master Franco-Espagnol, octroyé conjointement par les ministères de l’enseignement supérieur et de la recherche et des affaires étrangères de France et d’Espagne. Tous les étudiants issus de ce parcours ont obtenu des financements pour effectuer leur Doctorat dans de très prestigieuses universités françaises et étrangères.

Elle propose également un cours sur les réseaux complexes adapté à tous les doctorants de l’université. Ils peuvent, quelle que soit leur discipline, se saisir d’outils qui leur permettent d’appréhender des problèmes relevant de la complexité.

Elle s’intéresse de près à l’organisation de la recherche interdisciplinaire car elle permet de rendre compte de la complexité. Cette notion est aujourd’hui incontournable pour analyser un grand nombre de sujets de recherche. A ce titre, elle est membre du Comité de Pilotage de l’Institut des Systèmes Complexes de Paris Ile-de France (ISCpif, UPS du CNRS), dont l’UCP est l’un des partenaires.

En 2016, elle obtient un financement de 180 000 € de la Trans-Atlantic Platform pour un ambitieux projet international pluridisciplinaire dédié à l’étude de l’opinion, qui sera lancé en juillet 2017.

A suivre !

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