Découvrir la recherche liée aux sciences fondamentales

Les avancées en sciences fondamentales sont cruciales pour l'invention de nouvelles technologies puisqu'elles font progresser notre compréhension du fonctionnement de l'Univers, des phénomènes naturels et des règles qui le régissent. Par exemple, les découvertes en physique théorique élucident des lois de la nature qui nous échappaient, ce qui donne naissance à des technologies de plus en plus puissantes, dont le laser. Les problèmes que tentent de résoudre certains de nos mathématiciens, qu'ils s'intéressent à l'analyse mathématique ou à la théorie spectrale, font progresser le calcul différentiel et intégral ou encore le calcul informatique de haute performance. En génomique, nos chercheurs s'attellent entre autres à découvrir les premières lignées d'algues vertes et, en géophysique, à documenter et modéliser la disparition progressive du pergélisol. En fait, peu importe leur domaine, nos chercheurs en sciences fondamentales participent à l'aventure intellectuelle de la découverte. 

Les visages de la recherche en sciences fondamentales

Voici le résumé des principaux sujets de recherche abordés par nos chercheurs en biologie, chimie, géologie, physique et mathématiques dans l'axe des sciences fondamentales ainsi qu'un bref portrait des travaux menés par l'un d'entre eux pour chacun de ces sujets.

Théorie spectrale et analyse complexe

En sciences naturelles, en génie, en économique, en informatique et en communication, on trouve des systèmes avec des données d'entrée et de sortie pour lesquels la superposition de 2 entrées a l'effet de superposer les sorties correspondantes. Pour analyser ces systèmes, on se sert de l'analyse complexe et de la théorie spectrale, la branche des mathématiques qui étudie les matrices et leurs valeurs propres, ainsi que leurs homologues en dimension infinie, les opérateurs et les spectres. Cette théorie a donné lieu à plusieurs applications en technologie tels les systèmes de contrôle, la compression de données et l'algorithme PageRank de Google.

Thomas Ransford, professeur au Département de mathématiques et de statistique

Thomas Ransford, professeur titulaire, Département de mathématiques et de statistique

Titulaire de la Chaire de recherche du Canada en théorie spectrale et en analyse complexe

Le professeur Ransford est fasciné par les problèmes fondamentaux de la théorie spectrale, une branche des mathématiques pures. Il exploite des idées de la théorie des fonctions, une extension de grande portée du calcul différentiel et intégral, afin d'établir de nouveaux théorèmes sur les matrices et les opérateurs. Ces théorèmes ont des applications possibles dans plusieurs domaines, notamment en algèbre linéaire numérique, la théorie qui est à la base du calcul informatique de haute performance.

Analyse mathématique

L'analyse est le domaine des mathématiques qui s'intéresse aux phénomènes continus. Au départ, il s'agit donc de développer et d'étudier les notions de limite et de convergence de suites et de fonctions, puis celles de dérivée et d'intégrale. La recherche en analyse est répartie en plusieurs domaines dont les principaux sont l'analyse complexe, l'analyse harmonique et l'analyse fonctionnelle ainsi que la théorie des équations aux dérivées partielles. L'analyse est omniprésente en mathématiques, car plusieurs autres branches reposent sur elle (systèmes dynamiques, géométrie différentielle, etc.). L'analyse est aussi très importante pour le développement des autres sciences, par exemple les équations aux dérivées partielles, qui sont le langage principal permettant d'énoncer les lois et modèles décrivant la nature.

Alexandre Girouard, professeur au Département de mathématiques et de statistique

Alexandre Girouard, professeur agrégé, Département de mathématiques et de statistique

Membre régulier du Centre de recherches mathématiques (CRM)

Alexandre Girouard est un spécialiste de la géométrie spectrale, une branche de l'analyse mathématique, qui se situe à la frontière de la géométrie différentielle et de l'analyse des équations aux dérivées partielles. On y étudie les liens entre la géométrie d'un espace et les valeurs propres (niveaux d'énergie) d'un opérateur agissant sur ses fonctions. Au cours de ses recherches, le professeur Girouard s'intéresse tout particulièrement à l'opérateur Dirichlet-Neumann, qui sert entre autres de modèle pour le problème de la tomographie par impédance électrique. Ses travaux portent sur des inégalités de type isopérimétrique (maximisation sous contrainte géométrique) ainsi que sur l'étude du comportement spectral asymptotique et ses applications à des problèmes inverses.

Astrophysique

En astrophysique, les thématiques abondent puisqu'il reste tant à explorer. Certains chercheurs se penchent sur la formation, la structure et l'évolution des étoiles qui passent de naines blanches à étoiles à neutrons puis à trous noirs stellaires. D'autres s'intéressent à la physique solaire, soit au cycle d'activité magnétique du Soleil et aux mécanismes physiques qui sont à l'origine des fluctuations importantes de son amplitude et de sa durée. Certains astronomes se passionnent pour les exoplanètes et les naines brunes qu'ils observent à l'aide de nouveaux instruments astronomiques dans le domaine infrarouge. La structure stellaire et gazeuse ainsi que la dynamique et l'évolution des galaxies tiennent également occupés bien d'autres astronomes, qui tentent notamment de mieux comprendre la matière sombre.

Laurent Drissen, professeur au Département de physique, de génie physique et d'optique

Laurent Drissen, professeur titulaire, Département de physique, de génie physique et d'optique

Membre régulier du Centre de recherche en astrophysique du Québec (CRAQ)

Spécialiste des étoiles massives, Laurent Drissen s'intéresse plus particulièrement aux nébuleuses de gaz ionisé de la Voie lactée, aux galaxies spirales proches et aux lointains amas de galaxies. Pour mieux observer ces objets célestes très étendus, il a mis au point avec son équipe un instrument de mesure installé sur le Télescope Canada-France-Hawaï appelé SITELLE. Cet outil, qui a exigé 10 ans de travail, est un spectromètre imageur à transformée de Fourier pour l'étude en long et en large de raies d'émission. 

Chimie quantique

La chimie quantique est une branche de la chimie théorique qui applique la La mécanique quantique est la théorie mathématique et physique qui décrit l'évolution dans le temps et l'espace des phénomènes physiques à l'échelle de l'atome et en deçà. aux systèmes moléculaires pour étudier les processus et les propriétés chimiques. Le comportement électronique et nucléaire des molécules responsables des propriétés chimiques peut être décrit adéquatement à l'aide du mouvement quantique et des autres postulats fondamentaux de la mécanique quantique. Cette dernière a permis l'élaboration de concepts et de méthodes de calculs numériques qui ont fait progresser la chimie moderne, tant en ce qui concerne la compréhension des phénomènes que les applications (Wikipédia).

Paul A. Johnson, professeur au Département de chimie

Le professeur Johnson se spécialise en chimie théorique et computationnelle. Un des objectifs principaux de la chimie quantique est de résoudre l’équation de Schrödinger pour décrire les propriétés électroniques des atomes et molécules. Bien que les méthodes courantes soient assez fiables pour les systèmes simples, il est présentement impossible de prédire avec précision les propriétés chimiques et électroniques des molécules et des matériaux complexes avec une capacité de calcul raisonnable. Les travaux du professeur Johnson consistent essentiellement à trouver des méthodes de calcul qui réduiraient l’effort de calcul sans compromettre l'exactitude des résultats. Il tente entre autres de mettre au point des méthodes permettant de modéliser des électrons fortement corrélés.

Éducation mathématique

Le caractère fondamental des mathématiques, à la fois comme champ du savoir et comme langage et outil dans de nombreux domaines d’application, a suscité une longue tradition de réflexion et de recherche sur leur enseignement et leur apprentissage. Plusieurs mathématiciens de premier plan y ont contribué, tels Felix Klein, George Pólya ou Hans Freudenthal, favorisant ainsi l’émergence de travaux sur les difficultés pédagogiques propres au savoir mathématique et à son acquisition. Un volet important de cette recherche porte sur la formation mathématique des enseignants, notamment du primaire et du secondaire.

Bernard R. Hodgson, professeur au Département de mathématiques et de statistique

Le professeur Hodgson est un spécialiste de la formation des maîtres en mathématiques, du primaire jusqu'au cégep, de l'influence de l'informatique en enseignement et de l'histoire des mathématiques en lien avec leur enseignement. Un des volets majeurs de ses recherches consiste à élaborer des contenus mathématiques propres aux futurs enseignants du primaire et du secondaire. Vivement intéressé par les besoins généraux de la formation des enseignants, M. Hodgson est convaincu de la spécificité de l’apport des mathématiciens aux questions d’éducation en général et à la formation des maîtres du primaire et du secondaire en particulier.

Écologie comportementale

L'écologie comportementale consiste en l'étude du comportement animal en milieu naturel. Ceux qui l'étudient utilisent entre autres l'échantillonnage, l'analyse comparative et l'observation sur le terrain pour étudier les fonctions vitales des animaux comme la recherche de nourriture, l'accouplement, la vie de groupe pour assurer le succès reproducteur des individus et l'établissement sur un territoire.

Gilles Gauthier, professeur au Département de biologie

Gilles Gauthier, professeur titulaire, Département de biologie

Directeur scientifique du Centre d'études nordiques

Le professeur Gauthier est un biologiste spécialisé en conservation des populations d'oiseaux et de mammifères vivant dans les écosystèmes nordiques en contexte de changements climatiques. Il se penche notamment sur les effets de la dynamique des fluctuations de lemmings sur les interactions entre prédateurs et proies, soit les oiseaux, les rapaces et les renards à l'île Bylot, au Nunavut. Il s'intéresse également aux stratégies de reproduction, à la démographie et à la migration ainsi qu'au bilan énergétique de la grande oie des neiges.

Les étoiles ne sont pas qu'un magnifique spectacle lumineux présenté chaque nuit, elles sont également d'excellents sujets d'étude. Dans le cadre de mon projet, nous tentons de comprendre la fin de vie des étoiles massives qui sont des dizaines de fois plus massives que le Soleil.

Marcel Sévigny, étudiant au doctorat en physique sous la supervision du professeur Laurent Drissen

Génomique

La génomique est la science qui étudie le génome d'une espèce, soit l'ensemble de son matériel génétique codé dans son ADN. Les séquences codantes que contient le génome dictent aux cellules leur fonctionnement biologique, et leur étude permet de mieux comprendre, notamment, le rôle de l'environnement, des habitudes de vie et du bagage génétique dans le développement des maladies chroniques. Les biologistes se servent entre autres de la génomique pour estimer l'abondance d'une espèce dans un lac, gérer une population naturelle ou encore sélectionner les espèces les plus résistantes aux maladies ou qui croissent plus rapidement. En science fondamentale, la génomique permet de comprendre et de documenter l'origine des espèces et la formation de nouvelles.

Monique Turmel, professeure au Département de biochimie, de microbiologie et de bio-informatique

Monique Turmel, professeure titulaire, Département de biochimie, de microbiologie et de bio-informatique

Membre de l'Institut de biologie intégrative et des systèmes (IBIS)

Monique Turmel s'intéresse à l'évolution moléculaire des plantes. Elle emploie l'approche de génomique comparative pour comprendre et élucider l'ordre d'embranchement des principales lignées évolutives d'algues vertes. Elle se penche notamment sur le génome Les chloroplastes sont les structures responsables de la photosynthèse chez les plantes., car les mutations décelées dans ces gènes permettent de reconstituer la généalogie dans un groupe de plantes ainsi que son ordre d'apparition au cours de l'évolution.

Géochimie

La géochimie utilise les concepts et outils de la chimie pour étudier la Terre et les sédiments. Ce domaine d'études permet entre autres d'identifier et de caractériser des processus chimiques, mécaniques ou minéralogiques qui modifient la composition chimique des matériaux ou, à plus grande échelle, de déterminer la composition des enveloppes terrestres allant de l'atmosphère au noyau terrestre. Il sert également à déterminer l'âge de roches ou d'événements qui ont affecté la Terre à l'aide de la géochronologie.

Marc Constantin, professeur au Département de géologie et de génie géologique

Marc Constantin, professeur titulaire, Département de géologie et de génie géologique

Membre régulier du Centre de recherche sur la géologie et l'ingénierie des ressources minérales (E4M)

Le professeur Constantin est un spécialiste de la géochimie analytique, de la La pétrologie est l'étude des mécanismes physiques, chimiques et biologiques qui sont à l'origine de la formation et de la transformation des roches. et de la géochimie ignée ainsi que de la séquestration minérale du carbone dans les Les roches ultramafiques sont des roches magmatiques et métamagmatiques qui sont très pauvres en silice.. Parmi les projets de recherche auxquels il participe, mentionnons la caractérisation de gîtes de terres rares d'intrusions alcalines. Ce projet vise à identifier et à modéliser les processus métallogéniques qui participent à l'enrichissement local des terres rares dans les magmas hyperalcalins. Il vise également à comparer et à évaluer les caractéristiques géologiques, minéralogiques et géochronologiques de différents gîtes miniers.

Géophysique

La géophysique est la science appliquant les méthodes de la physique à l'étude de la Terre, de son enveloppe gazeuse et de ses champs magnétique et gravitationnel (Grand Dictionnaire terminologique). Elle se trouve à l'intersection de la géologie, de la physique, des mathématiques et de l'informatique. On distingue la La géophysique interne comprend la gravimétrie, le géomagnétisme, la sismologie et la géodynamique. de la La géophysique des couches limites inclut l'océanographie, la météorologie, la climatologie et la glaciologie. et de la La géophysique externe traite des variations du champ géomagnétique, de la haute atmosphère, du rayonnement cosmique et de la pression atmosphérique.

Richard Fortier, professeur au Département de géologie et de génie géologique

Richard Fortier, professeur titulaire, Département de géologie et de génie géologique

Directeur du Centre d'études nordiques

Le professeur Fortier est un spécialiste de la cryohydrogéophysique, de la géotechnique des régions froides et de la géostatistique. Il a mis au point un système de poussée linéaire unique grâce auquel il réalise des essais qui lui permettent d'ausculter la dégradation du pergélisol. Il utilise d'autres méthodes géophysiques non destructives pour étudier et comprendre les processus physiques en cause dans la disparition progressive du pergélisol: tomographie de polarisation provoquée, géoradar et sondage électromagnétique. À l'aide des données recueillies, il met au point des modèles géocryologiques dont il se sert pour simuler le régime thermique du pergélisol.

Physique théorique

Le but de la physique est de comprendre de quoi l'Univers est constitué à l'aide des meilleurs instruments scientifiques possible. Pour ce faire, les physiciens tentent de déceler les lois de la nature expliquant les relations de cause à effet au moyen de théories exprimées en langage mathématique, comme la théorie de la gravitation de Newton, celle de la relativité générale établie par Einstein, ou, plus récemment, celle du modèle standard confirmé par la découverte du Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence, postulée par 6 chercheurs en 1964, permet d'expliquer pourquoi certaines particules ont une masse et d'autres non.. La physique des particules élémentaires est d'ailleurs un des projets les plus audacieux en physique théorique puisqu'on y étudie la nature dans ses constituants et interactions les plus fondamentaux.

Luc Marleau, professeur au Département de physique, de génie physique et d'optique

Luc Marleau, professeur titulaire, Département de physique, de génie physique et d'optique

Membre du Groupe de physique théorique

Le professeur Marleau est un spécialiste de la physique théorique des particules élémentaires et de la théorie quantique des champs. Il travaille notamment sur les extensions au modèle standard des particules dont la plupart supposent l'existence de nouvelles particules qui transforment notre compréhension de l'Univers aussi bien pour des distances subatomiques qu'à l'échelle cosmologique. Luc Marleau fait partie du Groupe de physique théorique de l'Université Laval qui se penche sur la théorie quantique des champs, la physique au-delà du modèle standard, la physique statistique et les réseaux complexes.

Algèbre et théorie des nombres

La théorie des nombres est un champ particulièrement actif de l'étude des structures algébriques. Son étude porte sur les nombres entiers et ses outils sont issus de l'algèbre et sont créés pour résoudre des problèmes élaborés de théorie des nombres.

Antonio Lei, professeur au Département de mathématiques et de statistique

Antonio Lei, professeur agrégé, Département de mathématiques et de statistique

Membre régulier du Centre interuniversitaire en calcul mathématique algébrique (CICMA)

Spécialiste de la théorie algébrique des nombres, Antonio Lei étudie des problèmes liés à la théorie d'Iwasawa, soit l'étude des comportements des objets mathématiques dans une série de structures algébriques. Il s'intéresse également à la théorie d'Hodge p-adique grâce à laquelle on peut étudier les comportements des représentations sur des Une extension cyclotomique est une structure algébrique définie par des racines d'unité. en un nombre premier fixé en utilisant des techniques d'algèbre linéaire. Cette théorie est très utile pour résoudre des problèmes complexes au moyen de calculs éclairants.