De nombreux systèmes dans la nature – et dans la société – peuvent soudainement changer leurs propriétés: l'eau gèle à une pression normale à 32 ° F, une réseau électrique s'effondre lorsqu'un sous-station central échoue, ou une société se divise en factions adverses après un événement majeur. Tous ces processus sont des exemples de transitions dits de phase – des points d'intention où un système se déplace brusquement dans un nouvel état.
« Souvent, nous pouvons prédire ces transitions facilement. Nous savons à quelle température l'eau gèle. Mais parfois, il est extrêmement difficile de prévoir quand et comment ces changements se produiront », explique le chercheur de CSH, Jan Korbel, l'un des auteurs de l'étude, qui a été publié dans Communications de la nature.
Modifications microscopiques cachées
Une classe particulière de transitions, appelée transitions d'ordre mixte, a reçu peu d'attention jusqu'à présent et est particulièrement difficile à prévoir.
« Dans ce type de transition, un changement macroscopique est déclenché par une cascade de changements microscopiques qui ne sont pas facilement détectables », explique l'auteur Stefan Thurner de CSH. Une fois que suffisamment de petits changements s'accumulent, le système devient vulnérable à de nouveaux changements – et un événement apparemment insignifiant peut soudainement déclencher une transformation majeure.
« Notre étude montre que ces transitions brusques d'ordre mixte sont motivées par des cascades à long terme au sein du réseau d'interaction », explique Korbel.
« Cela est très surprenant parce que nous connaissons ces transitions brusques depuis plus de cent ans, mais leur origine est restée inconnue. Nous sommes les premiers à montrer que les mécanismes microscopiques spontanés de la campagne du système, en tant que cascades, ces transitions brusques », ajoute le membre du corps professoral externe CSH Shlomo Havlin. « Et je crois que ce mécanisme explique la plupart – sinon tous – des transitions soutenues qui apparaissent dans la nature, et même dans la vraie vie. »
« Nous avons pu démontrer que même lorsque ces systèmes présentent un comportement macroscopique similaire, les détails microscopiques de la transition dépendent fortement de la structure précise du système », explique Thurner. À mesure que le système s'approche du point de basculement – également connu sous le nom de point critique – le temps requis pour la transition vers la nouvelle phase augmente considérablement.
Pour illustrer ceci: quand on étire un élastique, au départ, il ne se passe pas grand-chose. À l'approche de son point de rupture, cependant, il peut prendre beaucoup de temps avant qu'il ne s'enclenche enfin – et le moment exact de rupture est difficile à prévoir.
Les guerres éclatent rarement soudainement
« Contrairement à l'élastique, ce qui rend les transitions de phase d'ordre mixte unique, c'est que même lorsqu'un système dépasse le point de basculement, il faut souvent beaucoup de temps avant le passage à la nouvelle phase – et il n'y a pas d'indicateurs fiables exactement quand cela se produira », explique Korbel.
Retour à l'exemple de l'eau: dans un lac, les molécules d'eau influencent principalement leurs voisins immédiats, et non sur les molécules du côté opposé du lac. Dans des conditions normales, les cristaux de glace se forment progressivement à mesure que les températures baissent. Cependant, si le gel des lacs était une transition de phase d'ordre mixte, l'eau apparaîtrait inchangée pendant longtemps, même si la température tombait en dessous du point de congélation. Puis, soudainement et de façon inattendue, tout le lac gèle à la fois en même temps.
« Un principe similaire s'applique aux processus sociaux. Une guerre peut sembler éclater soudainement, mais elle est souvent précédée de nombreux petits développements initialement discrets – des tensions politiques, des crises économiques ou des incidents diplomatiques. Les réseaux sous-jacents changent.
«La recherche sur les transitions d'ordre mixte pourrait nous aider à mieux comprendre les changements brusques dans l'économie, la société et la nature – et peut-être même développer des méthodes pour prédire de telles transitions», explique Korbel.
Modèles de systèmes simples
Pour leur analyse, les chercheurs ont utilisé des simulations théoriques de modèles de spin dans des systèmes physiques réels. Dans ces systèmes, les spins représentent de minuscules moments magnétiques qui peuvent assumer deux états.
« Les tours interagissent généralement avec les particules voisines et ont tendance à s'aligner dans une configuration énergétiquement favorable », explique Korbel.
Dans les simulations, les chercheurs ont modifié le rotation des particules individuelles. Si ce changement a abaissé l'énergie totale du système, le nouvel État était susceptible de persister, car les systèmes recherchent généralement l'état énergétique le plus bas possible.
« Cependant, si l'énergie augmentait, il serait théoriquement défavorable de maintenir le nouvel état », explique Thurnner. Pourtant, les fluctuations permettent au système d'occuper temporairement des états d'énergie plus élevée. Près du point de basculement, de nombreux niveaux d'énergie concurrents émergent, conduisant à des fluctuations prolongées avant que le système ne s'installe finalement dans une phase stable.
Peu étudié mais très pertinent
La plupart des études sur le terrain se concentrent sur les transitions de premier ordre, qui se produisent brusquement mais manquent de cascades microscopiques à long terme – EG, gel d'eau ou transitions de second ordre, qui ne sont pas abruptes mais progressivement – EG, la perte de l'aimantation dans un ferromagnet.
« Ce qui m'a le plus surpris dans ce travail, c'est que ce type de transition a reçu si peu d'attention en physique malgré sa présence dans de nombreux systèmes naturels et socio-économiques et son importance potentielle pour de nombreuses applications », explique Korbel.
À ce stade, la recherche repose uniquement sur les données de simulation des simulations de Monte Carlo.
« L'intégration des données du monde réel pourrait être une avenue extrêmement excitante pour nos futures recherches », explique Korbel.
