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Carte des Sciences : vers une géographie de la connaissance

La première « carte mondiale des sciences » vient d'être dévoilée. Derrière cette constellation multicolore se cachent des enjeux cruciaux pour l'avenir de disciplines scientifiques. Explications et analyse critique.

Entre détectives et cartographes

La carte mondiale des sciences Chaque nœud représente une publication ou un thème et chaque trait les liens les plus importants entre les journaux (via les clics des lecteurs). Par souci de simplification, les auteurs ont indiqué simplement les domaines. Le rayon de chaque nœud est lié au nombre de consultations du journal et la place des nœuds est déterminée par un modèle mathématique selon leur affinité. Les journaux qui ont le plus de liens entre eux sont regroupés en amas. Code couleur : rose = physique, bleu = chimie, vert = biologie, rouge = médecine, jaune = sciences sociales, blanc et gris = lettres. © PLoS One, mars 2009

Les chercheurs du laboratoire national de Los Alamos et de l'Institut de Santa Fe (Etats-Unis) viennent de présenter la première carte mondiale des sciences¹. Selon eux, elle permet de visualiser la structure de l'activité scientifique du monde entier de façon détaillée. Parmi la myriade de petits points, on discerne presque tous les domaines des sciences dites dures, des sciences sociales et même des lettres, étroitement interconnectés.

Pour arriver à cette représentation graphique multicolore, les chercheurs se sont d'abord mués en Sherlock Holmes. Entre 2006 et 2007, ils ont collecté un milliard de « traces virtuelles » semées par les scientifiques lors de leurs recherches documentaires sur Internet. Ces traces ne sont pas de celles qui se voient à la loupe. Il s'agit de données de connexion et de navigation sur les portails web des grands éditeurs comme Thomson Scientific et Elsevier qui hébergent notamment les publications Nature et Science. De sa connexion à sa déconnection, le scientifique est traqué numériquement. Quel journaux consulte-t-il et dans quel ordre ? Quels articles lit-il ? Bref, on enregistre absolument tous ses clics. Nos détectives ne gardent ensuite que ceux représentatifs d'un intérêt (liens vers les citations, téléchargement…) en éliminant par exemple les clics vers les pages suivantes.

Une autre version Sur cette autre version de la même carte, les auteurs ont coloré en bleu les sciences dites dures et en jaune les sciences sociales et les lettres. La biologie (en bas à droite) et la psychologie (sur la gauche) sont des domaines où on retrouve les deux couleurs. © PLoS one, mars 2009

Après ce premier tri, les chercheurs se sont retrouvés à la tête de « seulement » 346 millions de traces. La suite est un travail mathématique : repérer l'ordre de consultation des articles, mettre en relation les articles et les journaux deux par deux puis établir des modèles grâce à la méthode des matrices. Après les calculs vient la visualisation grâce à la théorie des graphes. Voici enfin notre carte : une collection de nœuds et de liens représentatifs de l'activité scientifique mondiale entre 2006 et 2007 c'est-à-dire presque en temps réel, selon les auteurs.

1. J. Bollen et al., PLoS one, mars 2009.

Théorie des graphes et matrices

La théorie des graphes est une branche commune à l'informatique et aux mathématiques qui permet d'étudier les propriétés des réseaux. Il existe de nombreuses représentations de graphes dont celles en « nœud-lien » où les nœuds (cercles) représentent des entités et les arcs (segments ou flèches) les relations entre ces entités.

L'enchevêtrement des liens et le placement des nœuds sont les principaux problèmes de ce type de représentation. L'utilisateur a du mal à explorer le graphe et à interagir avec ses éléments, quand la taille du graphe augmente.

Pour contourner ce problème, les techniques de représentations matricielles sont des solutions intéressantes. Une matrice est un tableau rectangulaire de m lignes et n colonnes, qui possède « m fois n » nombres, rangés ligne par ligne.

D'après le blog de Christophe Tricot sur la cartographie sémantique.

Vers une « géographie des sciences »

Tels les grands explorateurs espagnols et portugais des XVe et XVIe siècles¹, ces cartographes d'un nouveau genre délimitent les frontières entre les différents domaines scientifiques, pointent les endroits où les disciplines se chevauchent et « tentent de découvrir une Terra incognita scientifique pour la coloniser», explique Franck Ghitalla, maître de conférences en Sciences de l'information et de la communication à l'Université de technologie de Compiègne.

Détails de la carte De gauche à droite et de haut en bas : liens entre industrie et physique, recherche pharmaceutique et biotechnologie, géographie et génétique des plantes, architecture et écologie. © PLoS one, mars 2009

Les auteurs de cette carte soulignent la position centrale des sciences humaines et leur rôle de « connecteur » entre les disciplines comme la physique ou la médecine. Mais comme toute carte, ce n'est qu'affaire de point de vue. Les auteurs ont représenté des liens entre industrie et physique, recherche pharmaceutique et biotechnologie, géographie et génétique des plantes, et même entre architecture et écologie.

Si ce résultat est enthousiasmant, « il ne fait que confirmer ce que l'on sait déjà, nuance Franck Ghitalla. Des disciplines apparaissent comme les sciences cognitives, l'écologie, les sciences des réseaux, tandis que d'autres faiblissent comme la physique et la chimie».

Néanmoins, ce type de cartes (basée sur des «clics») a un avantage sur celles utilisées jusqu'ici et basées sur les citations : la quasi-instantanéité. Au lieu de montrer un aperçu de la science quelques années en arrière (le temps de latence nécessaire à une publication pour être citées dans d'autres), cette nouvelle carte offre une vision beaucoup plus réactive de l'activité scientifique.

1. Exposition virtuelle « Histoire de la cartographie » sur le site de la Bibliothèque nationale de France.

À chacun sa carte

Selon Jean-Paul Bord, géographe et professeur à l'Université de Montpellier, il existe deux grands types de cartes aujourd'hui : celles qui « géoréférencent¹ » l'espace (cartes topographiques, cartes des Systèmes d'information géographique) et les cartes « non géoréférencées » (cartes thématiques, schémas, croquis, cartes mentales…) « qui donnent à comprendre un phénomène ». Les cartes par anamorphose en font partie, sur lesquelles le territoire n'est pas défini par sa superficie mais par un autre critère (comme la population ou le revenu par habitant).

Les utilisateurs de cartes piochent dans l'un ou l'autre groupe suivant l'usage qu'il veulent en faire : se déplacer, aménager un territoire… Le professeur montpelliérain estime que « les cartes du savoir appartiennent au second groupe, plutôt des cartes thématiques car les notions de distance et de localisation disparaissent au profit de l'humain ou des sociétés : la déterritorialisation y est dominante ».

Dans tous les cas, la carte n'est jamais objective et ne représente qu'une part infime de la réalité. Les informations sont tellement nombreuses que beaucoup sont mises de côté, « y compris les plus inattendues comme les odeurs, une brise passagère… même si certaines commencent déjà à être intégrées (le bruit, par exemple) ».

1. Géoréférencement : opération qui consiste à attribuer à un ensemble de phénomènes les coordonnées géographiques permettant de définir leur position exacte, par rapport à un système de référence géodésique.

Le scientifique et son réseau

Les sciences vues par Nature 800 000 publications scientifiques apparaissent sur cette carte des sciences, dans le magazine Nature en décembre 2006. Les cercles sont des regroupements d'articles qui se citent les uns les autres. Les longues lignes sont en réalité des phrases tirées des publications. La chimie est située à droite, la médecine en bas à gauche et la physique tout en haut. © Nature, 21 décembre 2006

Autre avantage : la mise à jour des dynamiques, des flux, des relations ; bref, de la science en action. À peine esquissées, les frontières se brouillent déjà tant les informations circulent vite, tant les citations, annotations et commentaires se multiplient. Au plan humain, on peut observer (espionner ?) un scientifique. Dans quels journaux trouve-t-il son inspiration ? quels laboratoires contacte-t-il ? quel est son réseau et la structure de « son monde » ? Autant d'indices (d'indiscrétions ?) invisibles jusqu'ici. « Il est facile de créer l'empreinte d'un chercheur sur une carte : on le fait apparaître en rouge puis on suit au cours du temps ses publications et ses relations avec ses collègues et ses connaissances », indique Franck Ghitalla.

Une autre représentation des sciences Cette carte, composée 88 noeuds et 3 000 liens, a été produite grâce à 6 400 000 citations provenant de plus de 6 000 journaux. © PNAS, janvier 2008

Avec ces cartes, rien ne nous échappe, pas même les querelles. Ainsi, le projet Macospol¹, créé par le sociologue des sciences Bruno Latour, cartographie les controverses scientifiques, pour « aider les étudiants et les futurs citoyens à la navigation dans l'univers incertain des controverses ».

L'informatique est la clé pour visualiser de tels réseaux dynamiques, contrairement au papier, figé par définition. « En géographie, nous allons de plus en plus vers un développement de ce genre de cartographie, basée sur la visualisation, la simulation et la modélisation, remarque Jean-Paul Bord, géographe et professeur à l'Université de Montpellier. Il n'écarte pourtant pas le papier « toujours incontournable» et pour lequel « nous avons encore une relation affective ».

1. Mapping Controversies on Science for Politics : projet créé à l'Ecole des Mines puis développé à Science-Po, au Massachusetts Institute of Technology (Etats-Unis) et dans plusieurs écoles d'ingénieurs.

Un code pour comprendre en un clin d'oeil

« Un texte ou une base de données sont faits pour être lus alors qu'une carte doit être vue », affirme Jean-Paul Bord. Ainsi, les cartes de géographie ont toutes plus ou moins les mêmes codes qui doivent être compréhensibles immédiatement. « La carte doit apporter une information à un niveau supérieur. L'observateur doit voir les oppositions, mémoriser rapidement quelques éléments et idées clé. »

S'ils veulent copier les cartes géographiques, les « cartographes du savoir » vont devoir se pencher sur ce problème crucial et « travailler la sémiologie graphique¹ comme le fait l'Institut géographique national (IGN) ». Un gros travail en perspective sur les titres, le respect des règles de toponymie², les légendes… À terme, des signes conventionnels partagés par tous ces nouveaux cartographes devraient voir le jour. « Le premier qui arrivera à les imposer gagnera le jackpot », sourit Franck Ghitalla.

1. La sémiologie est la science des signes. La sémiologie graphique est utilisée en géographie pour étudier la pertinence des représentations de l'espace et des groupes sociaux qui le peuplent.
2. Science qui étudie les noms de lieux (signification, étymologie, transformations au fil du temps) : lieux habités (villes…) ou non habités (lieux-dits), liés au relief, aux rivières ou aux voies de communication (routes, rues).

Visualiser, c’est prévoir

Qui dit modélisation dit prévision. De telles « cartes-mémoire » des sciences permettent de retourner dans le temps et d'observer les changements qui ont eu lieu, pour ensuite se projeter dans le futur. Avec une carte chaque année, les scientifiques seraient à même de « dévoiler les tendances, les émergences de nouveaux thèmes, l'évolution future des disciplines exactement comme les modèles climatiques tentent de le faire avec le climat, précise Franck Ghitalla, avec en toile de fond des enjeux industriels et politiques ». En intégrant en temps réel la moindre modification, « ces cartes seraient des repères pour les investisseurs et les décideurs » qui pourraient simuler les conséquences de diverses décisions.

Une carte des controverses A partir de huit controverses analysées par des étudiants de Sciences-Po, Webatlas a constitué cette carte de mots qui montre l'espace des controverses. Elle a été exposée en novembre 2008 à la «Ville européenne des sciences » à Paris, sous la forme d'une impression de 40 m² sur laquelle les visiteurs pouvaient marcher. © Webatlas

Voilà pourquoi des laboratoires et des start-up se lancent dans une véritable course à la carte. Ainsi en 2003, la publication scientifique PNAS a consacré un numéro entier à ce sujet¹. Le chercheur américain Richard Klavans, au sein de son projet Map of Science, vend depuis 1991 des cartes aux grandes institutions américaines (entre autres l'Institut du Cancer, l'Institut des Geosciences, la NASA). En France, Franck Ghitalla et cinq ingénieurs ont lancé Webatlas, un projet qui tente de dévoiler la géographie de la science française et européenne, en collaboration avec l'Institut de l'information scientifique et technique du CNRS, une base de données d'environ 17 millions d'articles scientifiques.

Du côté du grand public, des expositions ont déjà commencé le travail de vulgarisation, comme Places and Spaces aux Etats-Unis et en Allemagne depuis 2005 ou encore celle organisée par Webatlas et Macospol à Paris en novembre 2008, sur la place des controverses dans les sciences. Ainsi, les cartes de la connaissance commencent à suivre l'exemple de leurs cousines géographiques que tous les enfants apprennent à décrypter à l'école.

1. Magazine PNAS du 6 avril 2004 consacré au colloque «Mapping knowledge domains » tenu en mai 2003 à Irvine (Californie).

Les cartes de savoir dans l'histoire

De tous temps, les cartes, en plus de la topographie, indiquent des savoirs spécifiques comme les déplacements des armées romaines (table de Peutinger) ou les voies maritimes (les cartes-portulans du XIVe siècle italien). En revanche, les cartes du savoir, qui permettent aux philosophes et savants d'explorer les territoires abstraits, n'apparaissent réellement qu'au Moyen-Age. Ainsi, la mappemonde d'Ebstorf est une tentative d'unification du savoir géographique et des connaissances historiques et scientifiques.

En 1769, Chrétien Frédéric Guillaume Roth propose un « Essai de distribution des arts et des sciences ». Ces représentations voient leur apogée avec les énormes globes de Coronelli (4 mètres de diamètre) offerts par le cardinal d'Estrées à Louis XIV. Réalisés en 1683 par le cosmographe Vincenzo Coronelli, ils offrent une représentation synthétique des connaissances de l'époque.

Dans les années 1960, Derek J. de Solla Price, le « père » de la scientométrie¹, émet l'idée de cartographier la science à partir des publications scientifiques. Son projet sera développé dans la première moitié des années 1970, à l'Institut de l'information scientifique de Philadelphie (Etats-Unis).

« Il s'agit de méthodes de bibliométrie² basées sur le relevé de citations, notes, mots-clé, qui aboutissent à un graphe», explique Franck Ghitalla. Depuis l'ère Internet, « nous sommes passés à l'échelle supérieure grâce à la numérisation des documents, la taille importante des bases de données et la multiplicité des sources ». Les grands éditeurs veulent utiliser ces cartes pour mettre en valeur leurs fonds (des millions de données) et faciliter la recherche de leurs utilisateurs.

« Les cartes qui seront produites dans cinquante ans ne ressembleront pas aux nôtres, affirme Jean-Paul Bord, il y a une évolution en fonction des techniques et des connaissances de l'époque ».

1. Application des techniques de la bibliométrie à l'étude de la science et de la technologie, en comptabilisant les publications scientifiques.
2. Application des mathématiques et des méthodes statistiques aux livres, articles et autres moyens de communication.

Attention aux dérives

Malgré cet engouement, certains risques de dérives méritent d'être relevés. Rien de plus facile de faire l'amalgame, sur une carte, entre les publications d'un chercheur, les articles de son blog personnel et ses convictions politiques par exemple. De plus, « ces cartes sont des critères d'évaluation sans pitié, sur le travail d'un laboratoire, d'une université ou même d'une institution scientifique, autant de groupes mis en concurrence, constate Franck Ghitalla. Si les résultats ne conviennent pas, les travaux sont réorientés et les groupes remaniés ».

À ce sujet, Ghislaine Filliatreau, directrice de l'Observatoire des sciences et des techniques (OST), se méfie des « effets de mode, qui peuvent être dévastateurs s'ils servent à prendre des décisions avant d'être bien maîtrisés ». Pas hostile à ces cartes, elle pense néanmoins « qu'elles méritent d'être étudiées et testées, notamment auprès des utilisateurs qui doivent se les approprier ». En effet, « une carte n'est pas une photo mais une mise en forme de l'information, comme peut l'être un tableau de chiffres ».

Dans tous les cas, il semble important d'informer la communauté des chercheurs et au-delà le grand public en diffusant librement ces cartes et les outils qui ont servi à les construire, pour se prévenir d'éventuels monopoles. Dernière précaution et non des moindres : multiplier les cartes pour avoir des points de vue différents et complémentaires, comme en médecine avec une radio, un scanner et une IRM. Autant de tentatives qui viendraient enrichir un «Atlas universel des Sciences» en évolution permanente.

Le web, « eldorado de la carto »

Ces travaux de cartographie dite sémantique¹ dépassent déjà largement la communauté scientifique pour se répandre sur Internet, le « réseau des réseaux ». Le rêve des grands moteurs de recherche comme Google ? Une carte où figureraient tous leurs contenus indexés et leurs mots-clés les plus utilisés. Mais « les documents sont bien plus nombreux et changeants que dans les bases de données d'éditeurs scientifiques », observe Franck Ghitalla. De leur côté, les sites marchands comme Amazon pensent pouvoir établir des profils d'achat par régions ou par pays. Sans parler des sites de réseaux sociaux, comme Facebook.

1. La sémantique est une branche de la linguistique qui étudie les concepts. On peut construire la carte d'un espace d'informations (base de données, Internet) grâce à sa sémantique (mots-clés…).

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