La Lettre du Lundi

La période estivale est propice à la prise de recul dans la réflexion, en attendant une rentrée politique qui sera, sans nul doute, particulièrement chargée.

Dans cette optique, François Roddier, astrophysicien, auteur de Le pain, le levain et les gènes, un essai sur l’évolution, Parole éditions, 2009, a accepté de rédiger pour La Lettre du Lundi une série de trois articles qui explorent les rapports entre physique - et notamment thermodynamique - et évolution des civilisations. Une hauteur de vue bien nécessaire, afin d’éviter que l’accessoire ne l’emporte sur l’essentiel.

Le présent billet est le deuxième d’une série de trois. Le premier a été publié le 27 juin (voir Bientôt la fin de l’espèce humaine ?), le suivant paraîtra le 12 juillet.

Les deux lois classiques

Jusqu’à une date récente, la thermodynamique se résumait à deux lois fondamentales souvent appelées principes. La première loi nous enseigne que l’énergie se conserve. C’est une grandeur invariante que l’on peut donc suivre comme un fil d’Ariane tout le long de l’évolution. La seconde loi affirme que l’énergie se dissipe, c’est-à-dire qu’elle a tendance à se transformer irréversiblement en chaleur. C’est la flèche du temps qui nous indique dans quel sens se dirige l’évolution.

Les systèmes fermés tendent vers l’équilibre

Si l’on considère un système fermé, c’est-à-dire une partie de l’Univers isolée de tout ce qui l’entoure, de sorte que rien ne puisse y entrer ou en sortir, alors l’énergie interne au système va rester constante, mais sa nature va changer. Elle va se dissiper jusqu’à ce qu’il ne soit plus possible d’obtenir le moindre travail mécanique. À ce moment là, la température du système devient uniforme. On dit qu’on a atteint l’équilibre thermodynamique.

L’univers est-il fermé ?

Pendant longtemps les physiciens ont pris comme exemple de système fermé l’Univers tout entier, ce qui conduit à un paradoxe. Si l’Univers était un système fermé, alors il devrait tendre vers l’équilibre thermodynamique. Sa température devrait s’uniformiser et tout mouvement devrait cesser. Or, c’est exactement le contraire que l’on observe : les étoiles ne cessent de se former et, sur Terre, la vie n’a pas cessé de se développer.

Le paradoxe a été résolu en 1998 avec la découverte de l’accélération de l’expansion de l’Univers. On sait que l’Univers observable est limité par l’horizon cosmique. Au-delà de celui-ci, la vitesse de récession dépasse la vitesse de la lumière et l’Univers devient inobservable. L’expansion de l’Univers s’accélérant, des galaxies actuellement visibles vont voir leur vitesse de récession dépasser celle de la lumière. Elles vont donc disparaître derrière l’horizon cosmique.

Ainsi l’Univers observable perd constamment de la matière et de l’énergie. C’est bien un système ouvert. Il peut donc se refroidir, ce qui permet à la matière de se condenser en galaxies et aux galaxies de se condenser en étoiles comme le Soleil, sans lequel nous ne saurions exister. On voit que notre existence est intimement liée à ce qui se passe aux confins de l’Univers.


Les systèmes ouverts

Si les lois fondamentales de la thermodynamique énoncées plus haut permettent de prévoir l’évolution d’un système fermé, elles ne déterminent pas l’évolution d’un système ouvert. On doit au physico-chimiste Prigogine (Prix Nobel de chimie 1977) les premiers pas dans la compréhension des systèmes ouverts. Prigogine a montré que leur évolution est à l’opposé de celle des systèmes fermés.

Tandis que les systèmes fermés tendent vers le repos, c’est-à-dire l’équilibre thermodynamique, les systèmes ouverts sont en déséquilibre thermodynamique. La matière y est constamment en mouvement. Les systèmes ouverts s’auto-organisent pour dissiper l’énergie. Au contraire les systèmes fermés tendent à s’uniformiser, toute différence tend à s’estomper.

Si l’on verse de l’eau chaude dans un récipient isolé contenant de l’eau froide, l’agitation de l’eau va progressivement cesser et sa température va s’uniformiser. C’est un système fermé. Si on met ce récipient sur le feu, une différence de température apparaît entre le haut et le bas du récipient et l’eau va se mettre en mouvement. Des courants dits de convection s’auto-organisent. Le système est traversé par un flux d’énergie. C’est un système ouvert.


Les structures dissipatives de Prigogine

Prigogine appelle « structure dissipative » toute structure auto-organisée qui se maintient semblable à elle-même grâce à un flux permanent d’énergie. L’Univers apparaît comme un vaste assemblage de structures dissipatives. Galaxies, étoiles, planètes se sont auto-organisées pour dissiper l’énergie. Ce sont donc des structures dissipatives. Tous les êtres vivants sont des structures dissipatives. Sans un apport constant d’énergie sous forme de nourriture, ils meurent. L’humanité elle-même est une structure dissipative. Y a-t-il une loi générale dictant l’évolution des structures dissipatives ? Si une telle loi existe, elle devrait permettre de mieux comprendre l’évolution de l’humanité.

Depuis quelques dizaines d’années, une telle loi est soupçonnée. Elle porte le nom savant de « loi de production maximale d’entropie »^[i]. En français courant cela se traduit par « loi de dissipation maximale d’énergie ». En janvier 2003, un physicien écossais, Roderick Dewar, a montré que cette loi était une conséquence de la structure atomique de la matière. Dewar étudie les écosystèmes au centre de Bordeaux de l’INRA^[ii]. Cela montre l’importance potentielle de cette loi en biologie.


La troisième loi : l’énergie se dissipe de plus en plus vite

Que dit cette loi ? Elle énonce qu’une structure dissipative dissipe l’énergie le plus vite possible. L’énergie dissipée se mesure en Watts, comme la puissance d’un appareil électrique. L’astronome américain Eric Chaisson a évalué l’efficacité avec laquelle les constituants de l’Univers dissipaient l’énergie en Watts par unité de masse. Ceux-ci dissipent d’autant plus d’énergie qu’ils sont apparus plus tardivement. En se condensant, les galaxies dissipent moins d’énergie que les étoiles apparues ensuite. Une étoile comme le Soleil dissipe de l’ordre du mW/kg (milliWatts par kilogramme de matière).

Les planètes dissipent l’énergie rayonnée par l’étoile centrale. La Terre dissipe environ 10 mW/kg. Les météorologues ont montré que l’atmosphère terrestre est dans un état de dissipation d’énergie maximale. Celle de Titan et de Mars également. Une bactérie dissipe 100 mW/kg. Un animal, quelques Watts par kg. Un être humain dissipe en moyenne 5 W/kg soit environ 400 Watts par individu. À masse égale, il dissipe dix mille fois la puissance du soleil.

Il y a quelques siècles une société humaine ne dissipait guère plus que l’ensemble de ses membres. Depuis la révolution industrielle, nos sociétés dissipent de plus en plus d’énergie sous une forme « exosomatique » (en dehors de nous-mêmes). C’est le cas de l’industrie et des transports (avions, automobiles). Actuellement, l’humanité dissipe en moyenne 2 kW par individu. Un Français moyen dissipe 7 kW, un Américain moyen 11 kW. Ces nombres croissent chaque jour.

Ainsi l’Univers s’auto-organise de façon à dissiper l’énergie de plus en plus vite. L’homme n’y échappe pas. Il forme des sociétés de plus en plus complexes qui dissipent de plus en plus d’énergie. Sans le savoir, il est soumis aux lois implacables de la thermodynamique. Ces lois générales expliquent-elles l’évolution darwinienne^[iii] des espèces, fondement de la biologie ? Un nombre croissant de physiciens en sont convaincus.

La troisième loi et la biologie

En 1922, l’américain Alfred Lotka écrivait^[iv] : « la sélection naturelle maximise le flux d’énergie qui traverse une structure organique […]. Elle fonctionne comme une troisième loi de la thermodynamique. » Cette troisième loi est aujourd’hui pratiquement établie. C’est la loi de « production maximale d’entropie » citée plus haut. Pour Darwin, la sélection naturelle maximise les chances de survie et le taux de reproduction des individus. Pour les physiciens, la sélection naturelle maximise le taux de dissipation d’énergie. Elle agit non seulement sur des individus mais aussi sur toutes les structures dissipatives.

L’eau contenue dans un récipient sur le feu peut dissiper l’énergie soit par conduction^[v], soit par convection. Suivant que le feu est vif ou non, la sélection naturelle choisit le mécanisme qui dissipe l’énergie le plus efficacement. La sélection naturelle agit tout aussi bien sur les sociétés humaines. Pendant la guerre froide, les États-Unis et l’URSS sont entrés en compétition pour la domination du monde. Les États-Unis dissipaient 10 kW par individu. L’URSS ne dissipait que 7 kW. L’URSS s’est effondrée.

Les lois de la thermodynamique expliquent-elles l’effondrement des sociétés humaines ou l’extinction des espèces ? Dans le prochain article (parution le 12 juillet), je montre qu’elles expliquent les deux par un même mécanisme.


François Roddier, © 2010, pour La Lettre du Lundi

^[i] Le lecteur physicien pourra consulter avec intérêt l’ouvrage collectif Non-equilibrium Thermodynamics and the Production of Entropy: Life, Earth, and Beyond, Springer, 2004.

^[ii] INRA : Institut National de la Recherche Agronomique.

^[iii] L’anglais Charles Darwin a établi les bases de la théorie de l’évolution des espèces par sélection naturelle en 1859.

^[iv] Dans deux articles intitulés Contribution to the Energetics of Evolution et Natural Selection as a Physical Principle, PNAS 8, 147 et 151, 1922.

^[v] L’eau, même immobile, conduit la chaleur. C’est le phénomène de conduction thermique.

This entry was posted on Dimanche, juillet 4th, 2010 at 20:03 and is filed under Billet hebdomadaire. You can follow any responses to this entry through the RSS 2.0 feed. You can leave a response, or trackback from your own site.