La matière noire et le multivers aident les scientifiques à décoder les mystères du cerveau

Les physiciens américains Richard Feynman et Yang Chen Ning, vers les années 1950.

Science & Society Picture Library/Contributeur Getty

Les particules quantiques existent et n’existent pas. L’espace est probablement un tissu moulable. La matière noire est invisible, pourtant elle lie l’univers entier. Et notre univers, créé à partir d’une explosion il y a 13,8 milliards d’années, s’étend à l’infini en quelque chose. Ou, peut-être rien.

À moins que vous ne soyez un physicien de formation, au moins une de ces affirmations vous fait probablement mal au cerveau.

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Nous éprouvons une sorte de dissonance cognitive lorsque nous tentons de comprendre l’immensité de concepts aussi complexes et inimaginables. Mais les physiciens théoriciens réfléchissent et évoquent même ces idées toute la journée, tous les jours.

Comment font-ils?

Selon une nouvelle étude publiée lundi dans la revue npj Science of Learning, le cerveau des physiciens est aux prises avec des théories contre-intuitives en catégorisant automatiquement les choses comme « mesurables » ou « incommensurables ».

« La plupart des choses que nous rencontrons tous les jours, comme un rocher, un lac, une fleur, vous pouvez dire : ‘Eh bien, c’est à peu près la taille de mon poing… mais les concepts auxquels pensent les physiciens n’ont pas cette propriété,  » a déclaré Marcel Just, psychologue à l’Université Carnegie Mellon et premier auteur de l’étude.

Pour étudier exactement le fonctionnement du cerveau des physiciens, Just et ses collègues chercheurs ont donné à 10 membres du corps professoral de Carnegie Mellon – avec des spécialités et des formations linguistiques différentes – un registre des concepts de physique. Ensuite, ils ont utilisé des scans IRMf (imagerie par résonance magnétique fonctionnelle) pour examiner l’activité cérébrale des sujets au fur et à mesure que les individus descendaient de la liste.

Contrairement aux IRM normales, qui aident aux études anatomiques, les IRM fonctionnelles peuvent détecter l’activité cérébrale en fonction des fluctuations du flux sanguin, du glucose et de l’oxygène.

Il s’avère que le cerveau de chaque physicien organise les concepts du domaine en deux groupes. Les chercheurs devaient juste trouver comment étiqueter chaque groupe.

« J’ai regardé la liste et j’ai bien dit : « Qu’est-ce que des concepts comme l’énergie potentielle, le couple, l’accélération, la longueur d’onde, la fréquence … ont en commun ? À l’autre extrémité de la même échelle, il y a des choses comme la matière noire ; la dualité ; cosmologie ; multivers », a expliqué le co-auteur Reinhard A. Schumacher, physicien des particules à l’Université Carnegie Mellon.

La personne moyenne pourrait regrouper les descriptions de Schumacher à la dernière extrémité du spectre comme étant hallucinantes et inexplicables, mais le facteur de connexion le plus important, s’est-il rendu compte, est qu’elles sont incommensurables.

Dans les scanners cérébraux, ces concepts n’indiquaient pas une activité de ce qu’il appelle « l’étendue », se référant vaguement à l’imposition de restrictions tangibles sur quelque chose.

Le cerveau des physiciens, a conclu l’équipe, discerne automatiquement entre les éléments abstraits, comme la physique quantique, et les éléments compréhensibles et mesurables comme la vitesse et la fréquence.

Fondamentalement, ce qui provoque un sentiment de perplexité chez nous, non-physiciens, ne suscite pas de pensées d’« étendue » pour eux. C’est probablement pourquoi ils peuvent penser à ces choses avec une relative facilité, alors que nous commençons à nous soucier de l’échelle.

Les pouvoirs des physiciens proviennent de l’évolution du cerveau

Parlant d’expérience, Schumacher dit que considérer des idées de physique abstraite en tant qu’étudiant peut être très différent de les concevoir en tant que physicien de longue date.

« Je pense qu’à mesure que les physiciens vieillissent, les concepts se cristallisent dans l’esprit et que vous finissez par les utiliser de manière plus efficace », a déclaré Schumacher.

« Plus vous utilisez ces idées, plus ils deviennent comme de vieux amis. »

Les scanners cérébraux soutiennent également cette affirmation. Non seulement l’équipe a testé l’activité cérébrale des professeurs, mais elle a également examiné le cerveau des étudiants en physique.

« Chez les vieux physiciens qui le font depuis des années », a déclaré Schumacher, « c’est comme si le cerveau était plus efficace.

De plus, Just a noté que les professeurs « avaient plus d’activation de l’hémisphère droit, suggérant qu’ils avaient un plus grand nombre de sortes de concepts associés à distance ».

Alors qu’un étudiant en physique pourrait relier la vitesse à l’accélération, il semble que les professeurs reliaient la vitesse à des sujets beaucoup plus spécialisés activés par des endroits éloignés du cerveau. La vitesse d’expansion de l’univers, peut-être ?

S’adapter aux nouvelles idées n’est pas réservé qu’aux physiciens

Souligne simplement comment l’évolution du cerveau pour s’adapter à de nouvelles idées abstraites nous arrive à tous. Peut-être que seuls les physiciens théoriciens peuvent facilement comprendre la dualité ou un multivers, mais les personnes travaillant dans d’autres domaines, bien sûr, réfléchissent à leurs propres idées complexes.

Les chimistes, par exemple, doivent visualiser des structures orbitales invisibles d’atomes et des configurations de liaisons uniquement dessinées dans les manuels. Et le grand public, au fil du temps, s’est adapté aux inventions comme les iPhones et le cloud. Pensez-y. Nous pouvons comprendre le nuage, ce qui est assez bizarre.

Imaginez voyager dans le temps jusqu’aux années 1700 et expliquer à quelqu’un le fonctionnement d’une mine de stockage de données invisible. Ils ressentiraient probablement ce que nous ressentons lorsque nous imaginons le domaine quantique – nous serions les « physiciens » pour eux.

« Nous avons cette compréhension maintenant », a expliqué Schumacher. « Même si vous développez un nouveau concept scientifique, nous pouvons plus ou moins prédire ce que le cerveau va en faire. »

Par exemple, pendant l’exercice, lorsqu’on lui a demandé de réfléchir aux oscillations, Just a déclaré que le cerveau de certains sujets activait des sections relatives à l’activité rythmique. L’orgue avait essentiellement réaffecté des zones utilisées dans les temps anciens pour les rythmes généraux, comme peut-être la musique, pour permettre les concepts de physique moderne.

« L’idée des ondes sinusoïdales n’a que quelques centaines d’années », a déclaré Just. « Mais les gens regardent les ondulations sur un étang depuis toujours. »

Cela suggère également qu’il pourrait devenir possible d’aider activement le cerveau à se réorienter, en exploitant sa capacité d’adaptation. Si nous permettons aux enfants d’élargir leur esprit grâce à l’éducation en introduisant des concepts abstraits plus tôt et plus rigoureusement, dit-il, peut-être qu’un jour ils pourront facilement imaginer les choses comme le font les scientifiques.

Encore plus loin, il dit que les résultats pourraient éclairer les études sur la santé mentale – comment fonctionnent les capacités d’organisation et d’adaptation du cerveau en situation de détresse ?

« Je pense que c’est la question la plus fascinante au monde », a remarqué Just. « Quelle est l’essence du cerveau humain ? Comment pouvons-nous les rendre plus sains ? Penser mieux ? »

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