Vous avez reçu le prix Vigener de la Faculté des sciences et de médecine pour votre thèse en physique théorique. Quelle recherche avez-vous menée pendant votre thèse?
Mon domaine d’étude s’est porté sur la physique des fluides, en mécanique classique. L’idée est de comprendre et prédire des phénomènes divers allant de la forme que prend une interface liquide/gaz à l’évolution dans le temps d’un système de particules en suspension dans un liquide, que l’on nomme colloïde, et soumis à des perturbations (par ex. sous la forme d’un potentiel externe périodique). Le système peut être infini (sans bord) ou confiné. Dans mon cas, je me suis surtout intéressée à des systèmes en trois dimensions, mais il est bien sûr possible d’étudier des systèmes à deux ou même une seule dimension, ce qui n’est pas forcément plus simple.

Qu’est-ce qui vous a mené à vous intéresser à étudier la physique?
Quand j’étais au collège, j’avais un enseignant de physique qui comparait souvent les mathématiques au solfège et la physique à la musique. Cette image a piqué ma curiosité et j’ai voulu en savoir plus en allant étudier à l’université.

Ce que j’aime le plus avec la recherche en physique théorique, ce sont les trésors de créativité qu’il faut déployer pour résoudre un problème donné. Comment traduire ma question en langage mathématique ? Comment implémenter numériquement mon équation pour la résoudre le plus précisément possible compte tenu de contraintes allant de la taille de la mémoire de mon ordinateur aux inconnues intrinsèques au problème, et donc aux approximations nécessaires, quand on traite un système avec grand nombre de particules ? Pour surmonter ces difficultés, il est ainsi impératif de combiner compréhension physique (quel est le potentiel d’interactions ?), géométrique (y a-t-il la présence de symétries ou non ?), mathématique (comment traiter les dérivées fonctionnelles ?) et savoir-faire informatique (comment appréhender la parallélisation ?), sans oublier la nécessité de bonnes performances linguistiques et esthétiques lors de présentations de résultats (par ex. pour écrire un article ou préparer un talk). La combinaison de ces différents domaines de compétence rend la cherche passionnante !

Vous avez récemment publié  sur votre recherche. Pouvez-vous nous en dire plus?
On sait que théoriquement, il devrait être possible de déterminer la valeur de la viscosité d’un liquide à partir du potentiel d’interaction des particules qui le composent, mais la question de comment s’y prendre exactement reste ouverte. Notre dernière publication essaie d’y apporter une réponse à l’aide d’outils avancés de mécanique statistique classique en partie élaborés dans ma thèse.
La spécificité de cet article est qu’il permet pour la première fois de faire un pont entre deux domaines distincts de la physique, soit la Classical Density Functional Theory et la rhéologie expérimentale.

Et quels sont vos projets pour la suite ? Allez-vous continuer en recherche académique?
Pour l’instant, je poursuis ma lancée avec un postdoc dans le même groupe de recherche que celui où j’ai fait mon doctorat.
Ma thèse a contribué à de multiples avancées dans notre communauté scientifique, en incluant les fonctions de corrélations à deux corps dans le domaine de la Classical Density Functional Theory.  Cependant, comme l’implémentation informatique de ses différentes méthodes est assez lourde et complexe, seule une infime partie de la communauté s’y risque pour le moment, alors que tous s’accordent à reconnaître leurs excellentes performances. L’un de mes prochains objectifs est donc de co-organiser un workshop/séminaire ici à l’université de Fribourg dans l’optique de faciliter la démocratisation de ces méthodes.

Materialien sind undurchsichtig, wenn sie auftreffendes Licht absorbieren, wie die meisten Materialien, und durchsichtig, wenn sie das Licht passieren lassen, wie Glas oder Wasser. Um das besser zu verstehen, muss man Folgendes wissen:

Licht besteht aus vielen wellenartigen Strahlen. Wellen kennen wir am besten von Flüssigkeiten, zum Beispiel Wasserwellen, die am Meer gegen das Ufer rollen. Die Stellen, an denen das Wasser am höchsten ist, nennt man Wellenberge und der Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenbergen ist die Wellenlänge. Bei Lichtstrahlen ist das genauso, aber die Wellenlängen von Lichtstrahlen sind sehr viel kleiner. Die Farbe des Lichts hängt von seiner Wellenlänge ab: violettes Licht hat die kürzesten, rotes Licht die längsten Wellen. Weisses Licht besteht aus ganz vielen Wellen, die verschiedene Wellenlängen haben. Ein Regenbogen oder ein Prisma können diese verschiedenen Wellen trennen und nach Farbe sortieren.

Die akkurate Skizze von Lena

Zurück zu den Materialien
Verschiedene Materialien bestehen aus verschiedenen Atomen – das sind die Bausteine, aus denen Stoffe bestehen. Die Atome bestehen wiederum aus Kernen, um welche Elektronen kreisen. Zwischen den Elektronen gibt es etwas Platz, durch den sich auftreffende Lichtwellen schlängeln wollen. Bei vielen Materialien klappt das nicht: der Platz zwischen den Elektronen ist zu klein, die Lichtwellen treffen deshalb auf die Elektronen und diese stoppen die Wellen. Die Energie der Lichtwellen geht dabei auf die Elektronen über und wird dann in Wärme umgewandelt. Deshalb ist ein schwarzer Strassenbelag undurchsichtig und wird in der Sonne heiss: er absorbiert Licht aller Wellenlängen und wandelt die Energie in Wärme um.

Bei Glas ist das anders
Glas besteht aus Atomen, die es zulassen, dass sich die Lichtstrahlen um die Elektronen schlängeln. Deshalb ist Glas für sichtbares Licht durchlässig.  Ausser man gibt absichtlich bestimmte Atomsorten ins Glas, die Wellen einer bestimmten Farbe absorbieren. So macht man farbiges Glas, zum Beispiel für Flaschen. Diese lassen viele, aber nicht alle Lichtwellen durch.

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Frank Missonnier-Piera

Point de vue de l’économiste
Pour Frank Missonnier-Piera, il est incontestable que l’IA affecte déjà la vie des entreprises: «Elle permet d’agréger très rapidement une masse considérable de données comptables pour savoir, par exemple, quels biens ou quels services il faudrait fournir en priorité aux client·e·s. Du côté des fournisseurs·euses, l’IA peut aider à mieux gérer le stockage des marchandises de sorte à éviter des ruptures de flux.» Selon le titulaire de la Chaire Comptabilité et Analyse financière, l’IA va en particulier impacter les métiers comptables, en facilitant notamment la préparation des états financiers de l’entreprise. «Un logiciel peut non seulement aider à repérer des erreurs ou des anomalies, par exemple une facture erronée, mais aussi aider à se conformer à des normes complexes, environnementales ou juridiques, qui varient d’un pays à l’autre.»
Au niveau micro-économiques, l’IA permet donc de dégager du temps et des ressources pour des activités à forte valeur ajoutée. En revanche, elle représente un risque majeur au niveau financier car, en anticipant les tendances de marché, les algorithmes peuvent générer des effets boule de neige catastrophiques. «Si tous les agent·e·s économiques vendent en même temps, alertés par l’IA d’une tendance baissière imminente, les cours peuvent chuter de manière précipitée et provoquer un crash éclair. Il faut donc maîtriser ces outils!»

Michel Heinzmann

Point de vue du juriste
Rebondissant autant sur les propos de Frank Missonnier-Piera que sur l’actualité, Michel Heinzmann, titulaire de la Chaire de procédure civile, entame sa présentation en se demandant si, dans le fond, le crash du Crédit suisse ne serait pas lui-même dû à un algorithme. «L’impact juridique a été immédiat, poursuit-il, puisque le week-end même le Conseil fédéral produisait une ordonnance forçant UBS à racheter le Crédit suisse». Pour Michel Heinzmann, les spécialistes du droit disposent déjà d’une certaine forme d’IA, bien qu’encore rudimentaire. «Des moteurs de recherche nous permettent, par exemple, d’avoir accès aux arrêts du Tribunal fédéral, la plus haute instance juridique du pays. Cela facilite l’accès aux données avec, revers de la médaille, le risque de se voir noyé·e sous un flot d’informations.» A cela s’ajoute, selon lui, le risque d’atteintes à la personnalité. «En croisant les données, l’IA pourrait permettre de lever le secret et désanonymiser les données. Cela requiert une règlementation !» D’aucun·e·s craignent également un ralentissement de l’évolution du droit et sa déconnexion de l’évolution sociétale, puisque l’IA se nourrit d’un corpus de données existantes. Les mêmes causes produisant les mêmes effets, il est à craindre que l’IA n’affecte la justice prédictive. «On peut imaginer que les personnes appartenant à des minorités ethniques, les plus représentées dans le monde carcéral, soient victimes de biais reproduits par l’AI». Et Michel Heinzmann de conclure, avec des accents missonniens, que «l’IA va nous aider à libérer des ressources en automatisant les tâches simples, mais elle ne remplacera jamais l’humain dans l’exercice de la justice».

Ivo Wallimann-Helmer

Point de vue de l’éthicien
Avec plusieurs collègues, Ivo Wallimann-Helmer, professeur au Département des géosciences, a développé un modèle servant à évaluer la durabilité des algorithmes. «Nous en sommes encore aux balbutiements, admet-il, mais notre but serait, par exemple, de pouvoir évaluer la durabilité économique et sociale des algorithmes utilisés par une banque.» Selon lui, il convient en effet de définir un cadre permettant une numérisation de la société qui soit à la fois durable et éthique. Pour y parvenir, il faudrait s’accorder sur des normes légales, éthiques et environnementales afin de savoir ce qui «est ok ou ce qui pose problème». En somme, il convient d’adopter «une approche intégrée de l’éthique numérique». Parfois considérée comme le pétrole du XXIe siècle, la digitalisation en a aussi les inconvénients: «Les serveurs consomment une énergie folle!»

Gianfranco Soldati

Point de vue du philosophe
La question fondamentale que Gianfranco Soldati se pose est la suivante: «Est-ce que l’IA constitue un danger pour nous, les humain·e·s? Va-t-elle prendre des décisions à notre place, notamment sur des aspects fondamentaux de notre vie?» Ces questions, selon le philosophe, laissent entendre qu’il y aurait une substitution progressive de l’humain par l’IA. Gianfranco Soldati, dans un exercice d’origine cartésienne, essaie de faire réfléchir l’auditoire à l’origine de cette crainte. Pour lancer la discussion, il avance l’hypothèse selon laquelle cette peur provient d’une conception fausse que nous nous sommes faites de nous-mêmes en tant qu’humain·e. «Sous l’influence des sciences humaines, qui nous réduisent à une sorte de mécanisme, nous avons développé une image de nous-mêmes qui ressemble beaucoup à l’IA…. D’où notre crainte que l’IA puisse nous dépasser.»

L’Unifr, au cœur de l’IA
Si l’IA a au moins un mérite, c’est celui d’échauffer les circonvolutions de nos petits cerveaux, car cette technologie soulève d’innombrables questions et éveille des craintes légitimes. Il n’empêche, l’Université de Fribourg, avec ses cinq facultés, est l’endroit idéal pour appréhender la problématique de manière aussi holistique que possible. Il ne reste plus qu’à espérer une saine émulation entre chercheuses et chercheurs de tous horizons. Et même s’il n’en a pas été question durant le workshop, il est bon de rappeler que l’Université de Fribourg est l’une des chevilles-ouvrières du (SCAI), le centre de compétence national pour le développement et l’implémentation de l’intelligence augmentée.

• Programme Quali+

Die experimentellen Daten, die noch vor der Pandemie am Large Hadron Collider am CERN mit dem LHCb-Detektor und auch am Myonenspeicherring am Fermilab von der Myon g-2-Kollaboration gemessen worden waren, wurden sorgfältig analysiert. Dabei wurden alle erdenklichen systematischen Effekte der Messapparatur, die eine Auswirkung auf die Messresultate haben können, in grösstmöglicher Detailtiefe untersucht und mit einbezogen. Es hat sich herausgestellt, dass die so gewonnenen Resultate zwar gut, aber doch nicht ganz perfekt mit den erwarteten Werten übereinstimmen. In der Tat sind es oft winzige Effekte, bei denen ein hochpräzises theoretisches Verständnis und hochpräzise experimentelle Daten in Diskrepanz zueinander geraten, genau die Effekte, mit denen bahnbrechende Entdeckungen gemacht werden können. Deshalb, zurecht, die Aufregung in Fachzeitschriften und Tagesmedien.

Winzige Diskrepanzen führen zu grossen Fragen
Das LHCb-Ergebnis stellt die Lepton-Universalität zwischen Elektronen und Myonen infrage. Bei B-Mesonen wird dabei die Zerfallsrate  mit der von Zerfällen verglichen und diese weichen tatsächlich mit einer Signifikanz von 3.1-Sigma voneinander ab. Auch das Ergebnis der Myon g-2-Kollaboration kratzt daran. Bei der Messung des anomalen magnetischen Moments, g-2, des Myons wird eine Diskrepanz mit einer Signifikanz von 4.2-Sigma von seinem theoretisch vorhergesagten Wert gemessen. Misst man dagegen das anomale magnetische Moment von Elektronen und vergleicht dieses mit seinem theoretischen vorhergesagten Wert, erhält man das am besten getestete Resultat der Grundlagenphysik überhaupt, bei dem die Theorieberechnungen mit dem experimentell gemessenen Wert auf mehr als zehn signifikante Stellen übereinstimmen. Dieses grundlegende, tiefe Verständnis basiert auf dem Standardmodell der Teilchenphysik, welches die Quantenelektrodynamik mit beinhaltet. Dass ein so präzises Verständnis überhaupt möglich ist, ist an sich schon erstaunlich, aber offenbar dann nicht, wenn Myonen anstelle von Elektronen vermessen werden.

Beide Diskrepanzen deuten darauf hin, dass sich Myonen und Elektronen auf unerwartete Weise unterschiedlich verhalten. Beide Diskrepanzen sind zudem extrem winzig und es erfordert einen enormen Aufwand, diese überhaupt messen zu können. Beide Diskrepanzen werden zudem zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht als Beobachtungen einer Diskrepanz deklariert. Statistische Fluktuationen oder ein vergessener systematischer Effekt könnten diese vorläufigen Ergebnisse wieder umwerfen. Weitere Mess-Serien und deren detaillierten Analysen sind notwendig und werden erst in ein paar Jahren zu einer endgültigen Aussage führen.

Dennoch, wenn beide Ergebnisse bestätigt werden könnten, müssten entweder neue Teilchen zu den bekannten Quarks, Leptonen und Bosonen hinzugefügt werden – wobei Leptoquarks oder supersymmetrische Teilchen zu den vielversprechendsten Kandidaten gehören über die spekuliert wird– oder das Standardmodell der Teilchenphysik muss möglicherweise auf einer grundlegenderen Ebene überarbeitet werden, was zu einem Paradigmenwechsel in unserem Verständnis dessen führen könnte, was Teilchen sind und wie sie wechselwirken. Aber dies ist zum heutigen Zeitpunkt reine Spekulation.

Parallelen in der Vergangenheit?
Wechselt man von der Teilchenphysik zur Gravitationsphysik und begibt sich zurück in die Mitte des 19. Jahrhunderts, hat ein weiterer extrem winziger Effekt Geschichte geschrieben, der gut in den aktuellen Kontext passt. Auch damals wurde eine winzige, fast unbemerkbare Diskrepanz gemessen, die sich als relevant herausgestellt hatte und wegbereitend war, das damalige Verständnis der Gravitation grundlegend neu zu überdenken.

Im 18. und 19. Jahrhundert wurde mit grosser Sorgfalt und über viele Jahrzehnte hinweg das Perihel des Merkurs gemessen und dabei wurde eine jährliche Verschiebung festgestellt, die so nicht erklärbar war. Eine Diskrepanz von gerade mal 43 Bogensekunden pro Jahrhundert zwischen der Messung und der theoretischen Vorhersage, die auf Basis der Newton’schen Gravitation und unter Berücksichtigung der Anziehungskraft der Sonne und der bekannten Planeten berechnet wurde, erzeugte Verwirrung.

‘A plan or map of the solar system projected for schools & academies by Hall Colby, Rochester NY, 1846’ Aus der Library of Congress: https://www.loc.gov/resource/g3180.ct003790 Für die Menschen im 19. Jahrhundert war Vulkan real. Er hatte theoretische Glaubwürdigkeit und es wurden auch Beobachtungen von ihm proklamiert, die aber nie bestätigt werden konnten. Neptun fehlt hier, da diese Karte vor seiner Entdeckung entstand. An die Existenz von Vulkan wurde jedoch fest geglaubt.

Einstein sei Dank
Es dauerte fast 70 Jahre bis dieses Rätsel gelöst werden konnte, als Einstein 1916 seine allgemeine Relativitätstheorie vorstellte. Das Verständnis zur Gravitation entwickelte sich dabei in einem Paradigmenwechsel drastisch. Konzeptionelle Mängel der sonst so erfolgreichen Newton’schen Beschreibung der Schwerkraft konnten beseitigt werden und die Periheldrehung des Merkurs wurde nun auch ohne den hypothetischen Planeten Vulkan exakt verstanden. Als Folge ist Gravitation nicht mehr eine mysteriöse, fernwirkende Kraft, sondern sie entsteht aus Eigenschaften der Raumzeit selbst. Deren Eigenschaft sich zu krümmen führt in eine rein geometrische Beschreibung der Gravitation, die auch nicht mehr instantan wirkt, sondern sich mit Lichtgeschwindigkeit mit der Raumzeit selbst ausbreitet. Dennoch wird auch heute noch die Newton’sche Gravitation für fast alle Berechnungen im Alltag verwendet. Wir tun dies in vollem Vertrauen, weil wir im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie wissen, warum die Newton’sche Gravitation so gut funktioniert und auch bis zu welchen extremen Bedingungen sie immer noch brauchbare Ergebnisse liefert. Die Newton’sche Gravitation ist so gesehen vollständig verstanden, weil wir nun auch ihre Grenzen genau kennen.

Wiederholt sich die Geschichte?
Wir wissen heute noch nicht, was die neuen Resultate der LHCb-Kollaboration und der Myon g-2-Kollaboration uns sagen und wohin uns diese führen werden. Vielleicht werden die hypothetischen Leptoquarks das gleiche Schicksal haben wie der hypothetische Planet Vulkan, der nicht mehr gebraucht wurde, nachdem ein tieferes Verständnis erlangt wurde. Damals dauerte es 70 Jahre und nur die Zukunft wird zeigen, wie lange es jetzt dauern wird. Was aber schon heute klar ist, ist, dass das Standardmodell der Teilchenphysik extrem gut funktioniert und auch weiterhin extrem gut funktionieren wird, aber wir wissen heute noch nicht, bis zu welchen Extrembedingungen dies weiterhin der Fall sein wird. Die aktuellen Resultate der LHCb und der Myon g-2-Kollaborationen könnten diejenigen sein, die den Weg dafür bereiten.

Epilog
Beide vorhergesagten Planeten, Vulkan und Neptun, manifestierten sich als Dunkle Materie. Beide waren optisch nicht sichtbar und beide wurden nur aus gravitativen Wechselwirkungen im Sonnensystem und wie diese damals verstanden wurde, deduziert. Neptun erwies sich als ein echtes Objekt, während Vulkan aus der Physik verschwand und heute nur noch eine Anekdote in der Geschichte der Wissenschaft ist. Vulkan verschwand als Einstein eine neue und tiefere Einsicht in das Verständnis der Gravitation erlangte, die allgemeine Relativitätstheorie. Die Dunkle Materie, die uns heute Rätsel aufgibt, kann mit neuen postulierten Teilchen erklärt werden, oder sie kann auch verschwinden, so wie es Vulkan erging, falls ein tiefergreifendes Verständnis der Gravitation und/oder der Teilchenphysik diese postulierten Teilchen als unnötig erweist. Es liegt harte Arbeit vor uns und neue Erkenntnisse werden sich daraus ergeben, aber nur wenn mit Nachdruck daran geforscht wird. Es gibt noch viel zu tun.

Ich habe ein Zitat aus dem gerade veröffentlichten Buch «Ein Leben auf unserem Planeten» von David Attenborough ausgesucht. Er ist der wohl bekannteste Tierfilmer und Naturforscher der Welt. Mit 94 Jahren zieht er die Bilanz und verdeutlicht, welchen Verlust die Natur innerhalb eines Lebens erlitten hat. Das Buch zeigt aber auch auf, wie wir Menschen unsere unglaublich vielfältige Welt vor der endgültigen Katastrophe retten können. Für uns Biologen kommen im Buch nur wenige neue Aspekte hinzu… für jeden, der/die sich bisher keine Gedanken um Biodiversitätsverlust gemacht hat, ist das Buch genau richtig.

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• Video: Christian Doninelli –

Herr Graefe, mit weniger als zehn Millionen Franken verteilt auf vier Jahre und zehn Universitäten war das Budget des Sustainable-Development-Projekts eher bescheiden. Konnte damit überhaupt etwas bewirkt werden?
Absolut. Es ging auch nicht um kostspielige Forschung. Ziel des Projekts war erstens, jene Leute zusammenzubringen, die sich bereits für Nachhaltigkeit einsetzen. Zweitens wollten wir zeigen, was in dem Bereich schon alles geleistet wird. Und drittens ging es uns darum, die Nachhaltigkeit überhaupt auf die Agenda der Universitäten zu setzen. Das ist uns gelungen.

An der Universität Freiburg beispielsweise hat die neue Universitätsleitung die Bemühungen im Nachhaltigkeitsbereich spürbar verstärkt.

Was wurde denn an der Universität Freiburg konkret gemacht?
Besonders engagiert war die Gruppe NEUF (Nachhaltige Entwicklung Universität Freiburg). Sie hat den Wettbewerb Bike2University kreiert. Dabei wurden Teams gebildet, die im spielerischen Wettbewerb auf ihrem Weg zur Arbeit Fahrradkilometer sammelten.

Ich denke nicht, dass deshalb wesentlich mehr Fahrrad gefahren wurde, aber darum ging es auch gar nicht. Es ging darum, aus vielen idealistischen Einzelkämpfern eine Gemeinschaft zu machen. Ausserdem wurde durch die Berichterstattung der Medien, aber auch mit Hilfe von Unicom, die Aufmerksamkeit auf die Leute gelenkt die, sich bereits jetzt im Alltag nachhaltig verhalten.

Ein anderes Projekt war der Aufbau der Website swiss-sdr.ch, an dem ich persönlich beteiligt war (sdr steht für ‘sustainable development researchers’). Auf dieser Plattform können sich Forschende und Interessierte im Bereich Nachhaltigkeit vernetzen, sich über laufende Projekt informieren und über aktuelle Fragen austauschen. Nachhaltigkeit ist ein sehr weites Feld: vom praktischen Abfallmanagement in Burundi bis zur Grundlagenforschung für die Verbesserung der Energieeffizienz an einer Schweizer Hochschule. Darum ist es nötig, die verschiedenen Akteure zu vernetzen, so wie das beispielsweise auch anlässlich von Workshops im SDU-Programm gemacht wurde.

Schön wäre es, wenn es in Zukunft noch besser gelänge, die ganze Breite der Mitarbeitenden und Studierenden der Universität für Nachhaltigkeitsprojekte zu aktivieren.

A propos Zukunft: Das Programm geht nun nach vier Jahren zu Ende. Projekte in Lehre und Forschung werden künftig nicht mehr unterstützt.
Ja, aber der Start ist gemacht. Das Thema Nachhaltigkeit ist in der Agenda der Universitäten verankert, und die Leute, die sich für Nachhaltigkeit engagieren, sind zu einer Bewegung geworden. Das wird nicht einfach so verschwinden. Ausserdem werden Projekte von Studierenden ja weiterhin unterstützt. Das zeigt sich auch bei uns an der Universität Freiburg: Die Gruppe NEUF hat das SDU-Programm sehr gut als Sprungbrett genutzt. Inzwischen ist NEUF eine etablierte Kraft an unserer Universität. Ich hoffe, dass sie auch weiterhin kreative Aktionen anzetteln, um auf das Thema Nachhaltigkeit aufmerksam zu machen.

PS. Studierende, die sich für Nachhaltigkeit engagieren oder eigene Projekte starten möchten, können sich gerne an oder Professor wenden.

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• der Akademien der Wissenschaften