Une nouvelle recherche montre comment pensent les physiciens modernes –

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  • La science de la physique s’est efforcée de trouver les meilleures explications possibles pour comprendre la matière et l’énergie dans le monde physique à toutes les échelles d’espace et de temps. La physique moderne regorge de concepts et d’idées complexes qui ont révolutionné la façon dont nous voyons (et ne voyons pas) l’univers. Les mystères du monde physique sont de plus en plus révélés par des physiciens qui plongent dans des mondes non intuitifs et invisibles, impliquant les domaines subatomique, quantique et cosmologique. Mais comment le cerveau des physiciens avancés gère-t-il cet exploit, de penser à des mondes qui ne peuvent pas être expérimentés ?

    Dans un article récemment publié dans npj: Science of Learning, des chercheurs de l’Université Carnegie Mellon ont trouvé un moyen de décoder l’activité cérébrale associée à des concepts scientifiques abstraits individuels relatifs à la matière et à l’énergie, tels que le fermion ou la matière noire.

    Robert Mason, associé de recherche principal, Reinhard Schumacher, professeur de physique et Marcel Just, professeur de psychologie à l’Université DO Hebb, à la CMU ont étudié les processus de pensée de leurs collègues professeurs de physique de la CMU concernant les concepts de physique avancés en enregistrant leur activité cérébrale à l’aide de la résonance magnétique fonctionnelle. Imagerie (IRMf).

    Contrairement à de nombreuses autres études en neurosciences utilisant l’imagerie cérébrale, celle-ci n’avait pas pour objectif de trouver « l’endroit dans le cerveau » où résident les concepts scientifiques avancés. Au lieu de cela, l’objectif de cette étude était de découvrir comment le cerveau organise des concepts scientifiques hautement abstraits. Une encyclopédie organise les connaissances par ordre alphabétique, une bibliothèque les organise selon quelque chose comme le système décimal Dewey, mais comment le cerveau d’un physicien fait-il ?

    L’étude a examiné si les modèles d’activation évoqués par les différents concepts de physique pouvaient être regroupés en termes de propriétés de concept. L’une des découvertes les plus novatrices a été que le cerveau des physiciens a organisé les concepts en ceux ayant une taille mesurable par rapport à une taille incommensurable. Ici sur Terre, pour la plupart d’entre nous, mortels, tout ce qui est physique est mesurable, étant donné la bonne règle, la bonne échelle ou le bon pistolet radar. Mais pour un physicien, certains concepts comme la matière noire, les neutrinos ou le multivers, leur ampleur n’est pas mesurable. Et dans le cerveau des physiciens, les concepts mesurables et non mesurables sont organisés séparément.

    Bien sûr, certaines parties de l’organisation cérébrale des professeurs de physique ressemblaient à l’organisation du cerveau des étudiants en physique, comme des concepts qui avaient une nature périodique. La lumière, les ondes radio et les rayons gamma ont une nature périodique, mais pas des concepts comme la flottabilité et le multivers.

    Mais comment évaluer cette interprétation des résultats de l’activation cérébrale ? L’équipe d’étude a trouvé un moyen de générer des prédictions des modèles d’activation de chacun des concepts. Mais comment prédire l’activation évoquée par la matière noire ? L’équipe a recruté un groupe indépendant de professeurs de physique pour évaluer chaque concept sur chacune des dimensions d’organisation hypothétiques sur une échelle de 1 à 7. Par exemple, un concept comme la « dualité » aurait tendance à être considéré comme non mesurable (c’est-à-dire faible sur l’échelle de grandeur mesurable). Un modèle informatique a ensuite déterminé la relation entre les cotes et les modèles d’activation pour tous les concepts sauf l’un d’entre eux, puis a utilisé cette relation pour prédire l’activation du concept exclu. La précision de ce modèle était de 70 % en moyenne, bien au-dessus du hasard à 50 %. Ce résultat indique que l’organisation sous-jacente est bien comprise. Cette procédure est démontrée pour l’activation associée au concept de matière noire dans la figure ci-jointe.

    Créativité de la pensée

    Vers le début du 20e siècle, les physiciens post-newtoniens ont radicalement fait progresser la compréhension de l’espace, du temps, de la matière, de l’énergie et des particules subatomiques. Les nouveaux concepts ne sont pas nés de leur expérience perceptive, mais des capacités génératrices du cerveau humain. Comment était-ce possible ?

    Les neurones du cerveau humain ont un grand nombre de capacités de calcul avec diverses caractéristiques, et l’expérience détermine lesquelles de ces capacités sont utilisées de diverses manières possibles en combinaison avec d’autres régions du cerveau pour effectuer des tâches de réflexion particulières. Par exemple, tout cerveau sain est préparé à apprendre les sons du langage parlé, mais l’expérience d’un nourrisson dans un environnement linguistique particulier détermine quels phonèmes de quelle langue sont appris.

    Le génie de la civilisation a été d’utiliser ces capacités cérébrales pour développer de nouvelles compétences et connaissances. Ce qui rend tout cela possible, c’est l’adaptabilité du cerveau humain. Nous pouvons utiliser nos anciens cerveaux pour penser à de nouveaux concepts, qui sont organisés selon de nouvelles dimensions sous-jacentes. Un exemple de “nouvelle” dimension physique significative en 20e siècle, la physique post-newtonienne est « immesurabilité » (une propriété de la matière noire, par exemple) qui contraste avec la « mesurabilité » des concepts physiques classiques (comme le couple ou la vitesse). Cette nouvelle dimension est présente dans le cerveau de tous les professeurs universitaires de physique testés. Les progrès scientifiques de la physique ont été construits avec les nouvelles capacités du cerveau humain.

    Une autre découverte frappante était le grand degré de similitude entre les physiciens dans la façon dont leur cerveau représentait les concepts. Même si les physiciens ont été formés dans différentes universités, langues et cultures, il y avait une similitude dans les représentations cérébrales. Cette similitude dans les représentations conceptuelles provient du fait que le système cérébral qui entre automatiquement en jeu pour traiter un type donné d’informations est celui qui est intrinsèquement le mieux adapté à ce traitement. Par analogie, considérons que les parties de son corps qui entrent en jeu pour effectuer une tâche donnée sont les mieux adaptées : pour attraper une balle de tennis, une main qui ferme entre automatiquement en jeu, plutôt qu’une paire ou des genoux ou une bouche ou une aisselle. De même, lorsque les physiciens traitent des informations sur les oscillations, le système cérébral qui entre en jeu est celui qui traiterait normalement les événements rythmiques, tels que les mouvements de danse ou les ondulations dans un étang. Et c’est la source de la communauté entre les gens. Ce sont les mêmes régions cérébrales chez tout le monde qui sont recrutées pour traiter un concept donné.

    Ainsi, le secret pour enseigner de nouvelles astuces aux cerveaux anciens, comme l’avancée de la civilisation l’a fait à plusieurs reprises, est de permettre aux penseurs créatifs de développer de nouvelles compréhensions et inventions, en s’appuyant sur ou en réutilisant les capacités de traitement de l’information inhérentes au cerveau humain. En communiquant ces concepts nouvellement développés à d’autres, ils s’enracineront dans les mêmes capacités de traitement de l’information du cerveau des destinataires que celles utilisées par les développeurs d’origine. La communication de masse et l’éducation peuvent propager les progrès à des populations entières. Ainsi, la marche de la science, de la technologie et de la civilisation continue d’être conduite par l’entité la plus puissante sur Terre, le cerveau humain.

    Le projet a été financé par l’Office of Naval Research et la National Science Foundation.

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