Matière et Révolution

La contradiction entre les forces productives et les rapports sociaux de production

Robert Paris — 2025-01-21T23:26:00Z

La contradiction entre les forces productives et les rapports sociaux de production

L'existence d'une contradiction entre le mode capitaliste de répartition du travail et les forces de travail, c'est à dire une contradiction entre la subordination de l'individu à la division du travail et les forces de production a été découverte par Karl Marx et exposée dans le Capital Livre 1. La suppression de cette contradiction n'est rien d'autre que la lutte pour le socialisme car elle est permanente et inhérente au système capitaliste.

La conscience et le comportement des hommes sont déterminés à la fois par la société du passé et la conscience de l'avenir n'est produite qu'au cours de la transformation elle-même, de la lutte révolutionnaire, qui est provoquée par les contradictions entre les forces productives et les rapports de production. L'idéologie d'une époque dépend bien sûr de son niveau scientifique et technologique, c'est-à-dire du niveau des forces productives, mais plus encore de l'organisation sociale, de l'état des rapports entre hommes, c'est-à-dire fondamentalement des rapports de production et de la structure sociale qui en découle.

Les forces productives sont toutes les forces (humaines ou matérielles) qui concourent à la production de biens matériels. Les rapports de production sont les rapports sociaux entre les hommes qui sont rendus nécessaires par l'organisation de la production à une époque donnée et à un stade donné du développement économique et social.

Karl Marx écrit :

« Dans la production sociale de leur vie, les hommes se trouvent liés par certains rapports indispensables, indépendants de leur volonté, par des rapports de production, qui correspondent à un degré déterminé de l'évolution de leurs forces productives matérielles. L'ensemble de ces rapports de production constitue la structure économique de la société, le fondement réel sur lequel s'élève la superstructure juridique et politique. »

« A un certain degré de leur développement, les forces productives matérielles de la société entrent en collision avec les rapports de production existants, ou avec les rapports de propriété au sein desquels elles s'étaient mues jusqu'alors ... Alors commence une ère de révolution sociale. »

« Hier encore formes de développement des forces productives ces conditions se changent en de lourdes entraves. »

« Les forces productives dont elle dispose ne favorisent plus le régime de la propriété bourgeoise ; au contraire, elles sont devenues trop puissantes pour ce régime qui alors leur fait obstacle ; et toutes les fois que les forces productives sociales triomphent de cet obstacle, elles précipitent dans le désordre la société bourgeoise tout entière et menacent l'existence de la propriété bourgeoise. Le système bourgeois est devenu trop étroit pour contenir les richesses créées dans son sein. »

« Au-delà d'un certain point, le développement des forces productives devient une barrière pour le capital ; en d'autres termes, le système capitaliste devient un obstacle pour l'expansion des forces productives du travail. Arrivé à ce point, le capital, ou plus exactement le travail salarié, entre dans le même rapport avec le développement de la richesse sociale et des forces productives que le système des corporations, le servage, l'esclavage, et il est nécessairement rejeté comme une entrave… Le travail salarié et le capital sont, à leur tour, niés par les conditions matérielles et spirituelles issues de leur propre processus de production. C'est par des conflits aigus, des crises, des convulsions que se traduit l'incompatibilité croissante entre le développement créateur de la société et les rapports de production établis. L'anéantissement violent du capital par des forces venues non pas de l'extérieur, mais jaillies du dedans, de sa propre volonté d'autoconservation, voilà de quelle manière frappant avis lui sera donné de déguerpir pour faire place nette à une phase supérieure de la production sociale. »

« La limite du capital apparaît dans le fait que tout ce développement se déroule de manière antagonique et que l'éclosion des forces productives, de la richesse générale, du savoir etc., se manifeste de telle façon que les travailleurs s'aliène lui-même… Mais cette forme antagonique est elle-même transitoire et produit les conditions de sa propre abolition… Parvenu à un certain niveau, le développement des forces productives matérielles – qui implique celui des forces de la classe laborieuse – entraîne l'abolition du capital lui-même. »

« Il y a un fait éclatant qui est caractéristique pour notre siècle, un fait qu'aucun parti politique n'oserait contester. D'un côté nous avons vu naître des forces industrielles et scientifiques qu'on n'aurait pu imaginer à aucune époque antérieure de l'histoire humaine. De l'autre, on aperçoit les symptômes d'une débâcle telle qu'elle éclipsera même les horreurs de la fin de l'Empire romain. De nos jours, chaque chose paraît grosse de son contraire. La machine qui possède le merveilleux pouvoir d'abréger le travail de l'homme et de le rendre plus productif entraîne la faim et l'excès de fatigue. Par un étrange caprice du destin, les nouvelles sources de richesse se transforment en sources de misère. On dirait que chaque victoire de la technique se paie par une déchéance de l'individu. A mesure que l'homme se rend maître de la nature, il semble se laisser dominer par ses semblables ou par sa propre infamie. La pure lumière de la science elle-même semble avoir besoin, pour resplendir, des ténèbres de l'ignorance. (…) Les forces nouvelles de la société réclament des hommes nouveaux, les ouvriers. Ils sont le produit des temps nouveaux, au même titre que les machines elles-mêmes. Aux signes qui déconcertent la bourgeoisie, l'aristocratie et les pauvres annonciateurs du déclin, nous reconnaissons la vieille taupe qui sait si vite travailler sous la terre, le digne pionnier – la révolution. »

« Pour opprimer une classe, il faut pouvoir lui garantir des conditions d'existence qui, au moins, lui permettent de vivre dans la servitude. (...) Il est donc manifeste que la bourgeoisie est incapable de remplir plus longtemps son rôle de classe dirigeante et d'imposer, à la société, comme loi régulatrice, les conditions d'existence de sa classe. Elle ne peut plus régner, parce qu'elle est incapable d'assurer l'existence de son esclave dans le cadre de son esclavage, parce qu'elle est obligée de le laisser déchoir au point de devoir le nourrir au lieu de se faire nourrir par lui. La société ne peut plus vivre sous sa domination, ce qui revient à dire que l'existence de la bourgeoisie n'est plus compatible avec celle de la société. »

« La véritable barrière de la production capitaliste, c'est le capital lui-même : le capital et sa mise en valeur par lui-même apparaissent comme point de départ et point final, moteur et fin de la production ; la production n'est qu'une production pour le capital et non l'inverse : les moyens de production ne sont pas de simples moyens de donner forme, en l'élargissant sans cesse, au processus de la vie au bénéfice de la société des producteurs. Les limites qui servent de cadre infranchissable à la conservation et la mise en valeur de la valeur-capital reposent sur l'expropriation et l'appauvrissement de la grande masse des producteurs ; elles entrent donc sans cesse en contradiction avec les méthodes de production que le capital doit employer nécessairement pour sa propre fin, et qui tendent à promouvoir un accroissement illimité de la production, un développement inconditionné des forces productives sociales du travail, à faire de la production une fin en soi. Le moyen développement inconditionné de la productivité sociale entre perpétuellement en conflit avec la fin limitée : mise en valeur du capital existant. Si donc le mode de production capitaliste est un moyen historique de développer la force productive matérielle et de créer le marché mondial correspondant, il représente en même temps une contradiction permanente entre cette tâche historique et les rapports de production sociaux qui lui correspondent. »

« Voici les résultats qui découlent, entre autres, de la conception de l'histoire, telle que nous l'avons développée : 1- A un certain degré de développement des forces productives, surgissent des forces de production et des moyens de communication tels que, dans les conditions existantes, ils ne font que provoquer des catastrophes. Ce ne sont plus alors des forces de production mais des forces de destruction (la machine et l'argent)… »

« Lors d'une prospérité générale, au cours de laquelle les forces productives de la société bourgeoise se développent avec toute la luxuriance possible dans les rapports sociaux bourgeois, il ne peut être question de véritable révolution. Celle-ci n'est possible qu'aux périodes où deux facteurs, les forces productives modernes et les formes bourgeoises de production, entrent en conflit les unes avec les autres… Une nouvelle révolution ne sera possible qu'à la suite d'une nouvelle crise : l'une est aussi certaine que l'autre. »

« Le capitalisme ne sera jamais aussi vulnérable que quand il atteindra son apogée. »

« La production du capitalisme engendre, tel une loi de la nature inexorable, sa propre négation. »

« Le résultat général auquel je parvins, et qui, une fois acquis, servit de fil conducteur à mes études, peut être brièvement formulé ainsi : dans la production sociale de leur vie, les hommes entrent dans des rapports déterminés, nécessaires et indépendants de leur volonté, rapports de production qui correspondent à un stade de développement de leurs forces productives matérielles. L'ensemble de ces rapports de production constitue la structure économique de la société, la base réelle sur laquelle s'élève une superstructure juridique et politique et à laquelle correspondent des formes de conscience sociales déterminées. Le mode de production de la vie matérielle conditionne le processus de vie social, politique et intellectuel en général. Ce n'est pas la conscience des hommes qui détermine leur être mais inversement leur être social qui détermine leur conscience. À un certain stade de leur développement, les forces productives matérielles de la société entrent en contradiction avec les rapports de production présents, ou ce qui n'en est qu'une expression juridique, les rapports de propriété, à l'intérieur desquels elles s'étaient mues jusque-là. De formes de développement des forces productives qu'ils étaient, ces rapports se changent en chaînes pour ces dernières. Alors s'ouvre une époque de révolution sociale. Avec la transformation de la base économique fondamentale se trouve bouleversée plus ou moins rapidement toute l'énorme superstructure. Quand on examine de tels bouleversements, il fout toujours distinguer le bouleversement matériel des conditions de production économiques, que l'on peut constater aussi rigoureusement que dans les sciences de la nature, des formes juridiques, politiques, religieuses, artistiques ou philosophiques, bref des formes idéologiques sous lesquelles les hommes prennent conscience de ce conflit et le mènent à terme. Pas plus qu'on ne peut juger de ce qu'est un individu d'après l'image qu'il a de lui-même, on ne peut juger d'une telle époque de bouleversement d'après sa conscience ; il faut bien plutôt expliquer cette conscience par les contradictions de la vie matérielle, par le conflit existant entre les forces productives sociales et les rapports de production. Une formation sociale ne disparaît jamais avant que ne soient développées toutes les forces productives qu'elle est assez large pour contenir, et jamais de nouveaux rapports de production supérieurs ne la remplacent avant que les conditions d'existence matérielles de ces rapports n'aient éclos au sein même de l'ancienne société. L'humanité ne s'assigne donc jamais que des tâches qu'elle peut résoudre car, à y regarder de plus près, il se trouvera toujours que la tâche ne naît elle-même que là où sont déjà présents soit les conditions matérielles de sa résolution, soit au moins le processus de leur devenir. À grands traits, on peut désigner comme époques progressives de la formation économique de la société les modes de production asiatique, antique, féodal et le mode de production bourgeois moderne. Les rapports de production bourgeois sont la dernière forme antagoniste du processus social de production, antagoniste non au sens d'un antagonisme individuel, mais au sens d'un antagonisme issu des conditions de vie sociales des individus ; cependant, les forces productives qui se développent au sein de la société civile bourgeoise créent en même temps les conditions matérielles de la résolution de cet antagonisme. Avec cette formation sociale, c'est la préhistoire de la société humaine qui s'achève. »

« Le résultat général auquel j'arrivai et qui, une fois acquis, servit de fil conducteur à mes études, peut brièvement se formuler ainsi : dans la production sociale de leur existence, les hommes entrent en des rapports déterminés, nécessaires, indépendants de leur volonté, rapports de production qui correspondent à un degré de développement déterminé de leurs forces productives matérielles. L'ensemble de ces rapports de production constitue la structure économique de la société, la base concrète sur laquelle s'élève une superstructure juridique et politique et à laquelle correspondent des formes de conscience sociale déterminées. Le mode de production de la vie matérielle conditionne le processus de vie sociale, politique et intellectuelle en général. Ce n'est pas la conscience des hommes qui détermine leur être ; c'est inversement leur être social qui détermine leur conscience. A un certain stade de leur développement, les forces productives matérielles de la société entrent en contradiction avec les rapports de production existants, ou, ce qui n'en est que l'expression juridique, avec les rapports de propriété au sein desquels elles étaient jusqu'alors. De formes de développement des forces productives qu'ils étaient ces rapports en deviennent des entraves. Alors s'ouvre une époque de révolution sociale. Le changement dans la base économique bouleverse plus ou moins rapidement toute l'énorme superstructure. Lorsqu'on considère de tels bouleversements, il faut toujours distinguer entre le bouleversement matériel — qu'on peut constater d'une manière scientifiquement rigoureuse — des conditions de production économiques et les formes juridiques, politiques religieuses, artistiques ou philosophiques, bref, les formes idéologiques sous lesquelles les hommes prennent conscience de ce conflit et le mènent jusqu'au bout. Pas plus qu'on ne juge un individu sur l'idée qu'il se fait de lui-même, on ne saurait juger une telle époque de bouleversement sur sa conscience de soi ; il faut, au contraire, expliquer cette conscience par les contradictions de la vie matérielle, par le conflit qui existe entre les forces productives sociales et les rapports de production. Une formation sociale ne disparaît jamais avant que soient développées toutes les forces productives qu'elle est assez large pour contenir, jamais des rapports de production nouveaux et supérieurs ne s'y substituent avant que les conditions d'existence matérielles de ces rapports soient écloses dans le sein même de la vieille société. C'est pourquoi l'humanité ne se pose jamais que des problèmes qu'elle peut résoudre, car, à y regarder de plus près, il se trouvera toujours que le problème lui-même ne surgit que là où les conditions matérielles pour le résoudre existent déjà ou du moins sont en voie de devenir. A grands traits, les modes de production asiatique, antique, féodal et bourgeois moderne peuvent être qualifiés d'époques progressives de la formation sociale économique. Les rapports de production bourgeois sont la dernière forme contradictoire du processus de production sociale, contradictoire non pas dans le sens d'une contradiction individuelle, mais d'une contradiction qui naît des conditions d'existence sociale des individus ; cependant les forces productives qui se développent au sein de la société bourgeoise créent en même temps les conditions matérielles pour résoudre cette contradiction. Avec cette formation sociale s'achève donc la préhistoire de la société humaine. »

« Il n'est pas nécessaire d'ajouter que les hommes ne sont pas libres arbitres de leurs forces productives - qui sont la base de toute leur histoire - car toute force productive est une force acquise, le produit d'une activité antérieure. Ainsi les forces productives sont le résultat de l'énergie pratique des hommes, mais cette énergie elle-même est circonscrite par les conditions dans lesquelles les hommes se trouvent placés, par les forces productives déjà acquises, par la forme sociale qui existe avant eux, qu'ils ne créent pas, qui est la production de la génération antérieure. (...) Les hommes ne renoncent jamais à ce qu'ils ont gagné, mais cela ne vient pas à dire qu'ils ne renoncent jamais à la forme sociale, dans laquelle ils ont acquis certaines forces productives. Tout au contraire. Pour ne pas être privé du résultat obtenu, pour ne pas perdre les fruits de la civilisation, les hommes sont forcés, du moment où le mode de leur commerce ne correspond plus aux forces productives acquises, de changer toutes leurs formes sociales traditionnelles. (...) Ainsi les formes économiques sous lesquelles les hommes produisent, consomment, échangent, sont transitoires et historiques. Avec de nouvelles facultés productives acquises, les hommes changent leur mode de production, et avec leur mode de production, ils changent tous les rapports économiques qui n'ont été que les relations nécessaires de ce mode de production déterminé. »

Chesnais

https://www.marxists.org/history/etol/writers/chesnais/01-chesnais.pdf

https://www.marxists.org/francais/chesnais/limites_infranchissables.pdf

Dangeville

Les causes du passage d'un mode de production à l'autre sont complexes et variables ; cependant Marx insiste sur le fait que le développement des forces productives (hommes, moyens de production, machines, techniques) entre à un moment donné en contradiction avec le maintien des rapports humains de production anciens. La superstucture, par exemple idéologique, subit « plus ou moins rapidement » les transitions et changements de mode de production. Engels précise en 1890 « Le facteur déterminant de l'histoire est en dernière instance la production et la reproduction de la vie réelle. Ni Marx, ni moi, n'avons affirmé davantage. Si ensuite quelqu'un triture cela jusqu'à dire que le facteur économique est le seul déterminant, il transforme cela en une phrase vide, abstraite, absurde ».

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article3478#forum25983

Trotsky :

« Pour Marx, le problème de la reconstruction de la société ne se posait pas en raison de ses préférences personnelles ; il surgissait, comme une néces¬sité historique inexorable, d'une part de la croissance des forces pro¬ductives jusqu'à leur pleine maturité, d'autre part de l'impossibilité de développer davantage ces forces productives sous l'empire de la loi de la valeur.
Les élucubrations de certains intellectuels, selon lesquelles, en dépit de l'enseignement de Marx, le socialisme ne serait pas inéluctable, mais seulement possible, sont absolument vides de sens. Il est évident que Marx n'a jamais voulu dire que le socialisme se réaliserait sans l'intervention de la volonté et de l'action de l'homme ; une telle idée est simplement absurde.
Marx a prédit que, pour sortir de la catastrophe économique où doit conduire inévitablement le développement du capitalisme – et cette catastrophe est devant nos yeux -, il ne peut y avoir d'autre issue que la socialisation des moyens de production. Les forces productives ont besoin d'un nouvel organisateur et d'un nouveau maître ; et, l'existence déterminant la conscience, Marx ne doutait pas que la classe ouvrière, au prix d'erreurs et de défaites, parviendrait à prendre conscience de la situation, et, tôt ou tard, tirerait les conclusions pratiques qui s'imposent.
Que la socialisation des moyens de production créés par le capitalisme offre un avantage économique énorme, c'est ce que l'on peut démontrer aujourd'hui, non seulement en théorie, mais aussi par l'expé¬rience de l'U.R.S.S., en dépit des limites de cette expérience. Il est vrai que les réactionnaires capitalistes, non sans artifice, se servent du régime de Staline comme d'un épouvantail contre les idées de socialisme. En fait, Marx n'a jamais dit que le socialisme pouvait se réaliser dans un seul pays, et, de plus, dans un pays arriéré. Les privations que les masses subissent toujours en U.R.S.S., l'omnipotence de la caste privilégiée qui s'est élevée au-dessus de la nation et de sa misère, l'arbitraire insolent des bureaucrates, ce ne sont pas là des conséquences des méthodes économiques du socialisme, mais de l'isolement et du retard historique de l'U.R.S.S., prise dans l'étau de l'encerclement capitaliste. L'étonnant, c'est que, dans des conditions aussi exceptionnellement défavorables, l'économie planifiée ait réussi à démontrer ses avantages indiscutables.
Tous les sauveurs du capitalisme, ceux de l'espèce démocratique aussi bien que ceux de l'espèce fasciste, s'efforcent de limiter ou, tout au moins, de camoufler la puissance des magnats du capital, afin de prévenir l'expropriation des expropriateurs. Ils reconnaissent tous, et certains d'entre eux l'admettent même ouvertement, que l'échec de leurs tentatives de réformes doit inévitablement conduire à la révolution socialiste. Ils ont tous réussi à démontrer que leurs méthodes pour sauver le capitalisme ne sont que charlatanisme réactionnaire et impuis¬sant. L'inéluctabilité du socialisme, prédite par Marx, est ainsi confirmée par l'absurde. »

https://www.matierevolution.fr/spip.php?article2369

Les contradictions dialectiques de l'individu et du groupe

Robert Paris — 2018-09-14T22:38:00Z

Les contradictions dialectiques de l'individu et du groupe

Individu et groupe signifient l'homme et la société, l'être vivant et l'espèce, la molécule et le fluide, la particule et la molécule, le grain de sable et le tas de sable, la faille et la croûte terrestre, etc. Le passage d'une échelle à l'autre est toujours une discontinuité, une rupture, avec des lois toutes nouvelles qui apparaissent.

Les lois qui existent au niveau des groupes comprenant un grand nombre d'individus n'existent pas au niveau individuel, ne découlent pas de lois qui existeraient à ce niveau, qu'il s'agisse de lois thermodynamiques, de lois de la dynamique des fluides, de lois des matériaux, de lois quantiques, de lois des fissions nucléaires, de lois des séismes, de lois d'évolution des espèces, de lois de la lutte des classes, etc.

Comment émergent les lois qui ont cours dans les grands groupes d'individus et tout particulièrement comment apparaissent dans ces groupes des ruptures brutales à grande échelle ?

Les grands groupes d'individus obéissent à des lois statistiques mais les individus ne suivent pas de telles lois. Comment peut-on concilier ces deux propositions contradictoires ? On ne le peut pas !!! C'est vrai en physique comme en chimie, en biologie comme en génétique, pour l'évolution des populations comme pour le développement de l'individu.

Ce qui est relatif à un grand groupe de gènes ne l'est pas pour un gène ou un petit nombre de gènes. Ce qui concerne les grands groupes de molécules ne concerne pas une ou un petit nombre de molécules.

Pourtant les groupes ne sont que des rassemblements d'individus ? !!! Pas tout à fait ! Il faut y rajouter leurs interactions… Les grands groupes supposent donc un grand nombre d'interactions et ne sont donc pas seulement une somme d'individus.

Qu'y a-t-il de différent entre un individu et un groupe ? Quelle propriété est vraie ici et fausse là ? Quel paramètre est valable à un niveau et pas à un autre. Oh, il y en a un très grand nombre. En fait, presque toutes !!!

Chacun croit connaître la notion de température d'un corps physique, mais ce concept n'a de sens que pour un grand nombre de molécules. Ce sont justement leurs interactions que cela mesure. Pour une seule molécule ou un petit nombre de molécules, la notion de température (ou la notion de pression) n'a pas de sens.

Pour les êtres humains sociaux, la notion d'appartenance de classe n'a qu'un caractère statistique. On ne peut pas parler du comportement social des possesseurs de capitaux, sans le considérer pour un nombre conséquent de gens, car un seul capitaliste peut tout à fait agir à rebours de ce que sa classe fait.

Si on examine le destinées cellulaires au sein d'un corps, il est parfaitement possible à une seule cellule vivante ou à un petit nombre d'elles d'agir a contrario de ce qui est le comportement général mais c'est impossible pour un grand nombre de cellules. Ainsi, une cellule de sang peut s'égarer au sein d'un muscle mais pas un très grand nombre de cellules : elles recevraient rapidement un message d'apoptose.

De même, dans la fabrication des macromolécules du vivant, il peut tout à fait y avoir des erreurs de construction et des petits désagréments par ci par là, mais pas à grande échelle parce que les molécules HSP ou autres moyens de surveillance sont là pour y veiller et détruire les intrus.

Certains diront que les lois statistiques ne sont rien d'autre que des moyennisations de lois existant aux échelles individuelles, mais ce n'est pas exact. Ce n'est pas en prenant les individus capitalistes (ou prolétaires) et en effectuant des moyens qu'on obtient les lois sociales. Ce n'est pas en prenant des lois des molécules individuelles qu'on trouve la température d'un corps ou la pression d'un gaz.

Il y a un saut entre les deux mondes : celui des individus et celui des grands nombres d'individus. Ces deux mondes sont à la fois contradictoires et évidemment imbriqués, tout à fait dialectiquement opposés…

Individu et dynamique collective émergente, voilà un thème connu en Histoire et en Economie et nous allons voir qu'il se développe aussi de plus en plus en Sciences physiques.

Peut-on expliquer les grandes crises économiques (les krachs) et politiques (les révolutions) par le comportement des individus ?

Pour arriver aux fondements de la révolution française ou de la crise de 1929, on suivrait le maximum d'individus impliqués et on verrait ce qu'ils font personnellement et cela donnerait plus de précision à l'analyse ? Il y a belle lurette qu'historiens comme économistes savent que cela ne marche pas, que l'on a affaire à un événement global dans lequel l'action collective n'est pas la somme des actions individuelles, considérées comme indépendantes, puisque c'est justement l'interaction de ces individus qui émerge et produit une situation totalement et radicalement nouvelle.

En Physique, ce type de situation a été retrouvé dans certaines situations appelées « critiques », lors de « changements de phase » ou d'états stationnaires de déséquilibre. Per Bak a donné à ces situations le paradigme du « tas de sable ». Ce caractère collectif correspond à tous les phénomènes physiques que l'on qualifie de probabiliste et où l'ordre provient d'un désordre sous-jacent, des fluides à la physique quantique. Elle concerne tous les phénomènes dits « émergents » où l'ordre est brutalement apparu à un certain niveau d'interaction d'un grand nombre d'individus et que cet ordre n'avait pas d'origine visible dans chacun de ces individus.

En Biologie et en Evolution des espèces, c'est l' « équilibre ponctué » de Stephen Jay Gould.

Lors des épisodes critiques, les comportements individuels convergent étonnamment et donnent des effets bien supérieurs au niveau individuel, des effets collectifs radicaux.

Le parallèle entre la situation critique, dans des domaines aussi différents des sciences, a souvent été relevé par tous les scientifiques de chaque domaine, de S.J. Gould à Per Bak, en passant par Laughlin.

On la trouve en Physique aussi bien dans la théorie des situations critique, dans la théorie de l'auto-organisation de la matière, dans la théorie des transitions de phase, dans la théorie du chaos déterministe, dans la théorie des fluides.

Dans tous ces cas, on retrouve des états particuliers où l'action des individus, de désordonnée, devient source d'un désordre qui crée un nouvel ordre.

Per Bak, dans « Quand la nature s'organise » :

« Lorsqu'ils ne savent pas calculer directement comment des phénomènes complexes surgissent à un niveau, en se fondant sur les mécanismes physiques œuvrant à un niveau plus profond, les scientifiques baissent les bras et les nomment « émergents ». Ces phénomènes apparaissent tout simplement de nulle part… En fait, la qualité, d'une certaine manière, émerge de la quantité. Toute la question est de savoir comment…

Les physiciens étaient déjà un peu accoutumés à traiter de vastes systèmes contenant un « grand nombre de corps », en particulier lorsque ces systèmes sont dans une situation d'équilibre stable. Un gaz d'atomes ou le sable d'une plage plate sont des exemples de grands systèmes à l'équilibre. Si l'on perturbe légèrement un système à l'équilibre, par exemple en poussant un grain de sable quelque part, rien d'important ne se produit. En général, les systèmes en équilibre ne présentent aucun des comportements intéressants auxquels nous nous sommes attachés plus haut, c'est-à-dire des catastrophes importantes, du bruit en 1/f ou des structures fractales.

Il nous faut cependant émettre une certaine réserve. Un système fermé en équilibre peut faire montre de comportements complexes caractérisés par des lois de puissance, mais uniquement dans des circonstances très spéciales. De spectaculaires progrès ont été accomplis dans notre compréhension des systèmes lors d'une transition de phase, c'est-à-dire à un moment où le système passe d'un état désordonné à un état ordonné, comme c'est le cas, par exemple, quand on fait varier la température. A ce point critique précis qui sépare exactement les deux phases, on peut observer des comportements complexes caractérisés par de l'invariance d'échelle et par l'existence de domaines de toutes tailles. Mais il faut ajuster la température très précisément pour pouvoir atteindre ce point critique et obtenir ces comportements complexes. Comme, en dehors du laboratoire, personne n'est là pour ajuster les paramètres à leurs valeurs en ce point critique très spécial, cette hypothèse n'éclaire en rien la fréquence des apparitions de la complexité dans la nature.

Il était plus ou moins tacitement admis autrefois que les grands systèmes, tels que ceux que l'on rencontre en biologie ou en économie, étaient en équilibre stable, tout comme les grains de sable d'une plage plane. La théorie économique qui a prévalu jusqu'alors, la théorie de l'équilibre général, suppose que des marchés parfaits, une rationalité parfaite, et ainsi de suite, conduisent les systèmes économiques vers des équilibres de Nash, dans lesquels aucun des agents ne peut améliorer sa situation par quelque action que ce soit. Dans cet état d'équilibre, de petites perturbations ou des chocs ne peuvent provoquer que des altérations mineures, ne modifiant que très légèrement l'état d'équilibre du système. La réponse du système est proportionnelle à la taille de l'impact : les systèmes en équilibre sont dits « linéaires ». La contingence n'y a pas de place et des événements mineurs ne peuvent jamais avoir de conséquences dramatiques. De fait, il ne peut se produire de fluctuations importantes dans les systèmes en équilibre que si un grand nombre d'événements aléatoires « tirent » par accident dans la même direction, ce qui est extrêmement peu probable. Par conséquent, les théories à l'équilibre ne peuvent expliquer la plupart des phénomènes que l'on observe, comme par exemple les types de fluctuations des cours de Bourse.

Aucune théorie de l'équilibre général n'a jamais été explicitement formulée en biologie, mais l'image qui prévaut est aussi fréquemment celle d'une nature « en équilibre ». La nature est vue comme quelque chose qui peut, en principe, se conserver et cette idée inspire les écologistes et les partisans de la conservation de l'environnement. Cela n'a rien d'étonnant : étant donné que, au cours d'une vie humaine, le monde naturel change très peu, les concepts de l'équilibre semblent pouvoir s'y appliquer de manière tout à fait naturelle ou intuitive. Néanmoins, si la nature est en équilibre, comment en est-on arrivé là ? Comment peut-il y avoir évolution si toutes les choses sont en équilibre ? Les systèmes en équilibre ne vont, par définition, nulle part…. En fait, l'idée d'une nature en équilibre est implicitement liée à une image anthropocentrique du monde : notre monde naturel est le « bon ».

Comme l'ont fait remarquer Gould et Eldridge, un équilibre apparent n'est qu'un moment de tranquillité, une stase, entre deux poussées intermittentes d'activité et de changement pendant lesquelles de nombreuses espèces s'éteignent alors que d'autres émergent. Le taux d'évolution des espèces prises individuellement, que l'on peut mesurer, par exemple, par leur modification de taille, varie par poussées épisodiques. Ce phénomène est baptisé « équilibre ponctué ». Le concept d'équilibre ponctué semble être au cœur de la dynamique des systèmes complexes, car on ne rencontre jamais de poussées importantes et intermittentes dans les systèmes en équilibre alors qu'elles sont très fréquentes en histoire, en biologie et en économie.

On voit donc, d'une part, que l'on ne peut expliquer aucun des phénomènes décrits plus haut dans une vision à l'équilibre et que, d'autre part, il n'existe aucune théorie générale pour les systèmes hors d'équilibre…

Les grands événements catastrophiques découlent de la même dynamique qui produit les événements quotidiens ordinaires. Cette observation va à l'encontre de l'opinion courante qui, comme nous l'avons vue, recherche des raisons particulières aux grands cataclysmes (par exemple, la chute d'une météorite entraînant l'extinction des dinosaures). Et même s'il se produit beaucoup plus de petits événements que de grandes catastrophes, ce sont finalement ces dernières qui induisent la plupart des changements du système. En cela, la criticalité auto-organisée peut être vue comme la justification théorique du catastrophisme…

Il est difficile de trouver une dynamique plus différente de la dynamique tranquille d'une plage plane que celle de l'état critique hors d'équilibre…

Dans l'état stationnaire critique, un seul grain de sable peut provoquer une avalanche qui met en jeu le tas tout entier et une petite modification de la configuration peut transformer un événement insignifiant en catastrophe…

On ne peut comprendre de manière isolée les morceaux d'un système critique. La dynamique observée localement reflète l'appartenance de chaque morceau au tas de sable total. Si vous êtes assis sur une plage plane plutôt que sur un tas de sable, les règles qui régissent le mouvement des grains sont exactement les mêmes, elles obéissent aux mêmes lois de la physique, mais l'historique du système joue ici un rôle. Le sable est le même mais la dynamique est différente, car la propriété qu'a le sable de pouvoir évoluer lentement est liée à sa capacité à se souvenir de son histoire. Le sable peut conserver une mémoire : on peut écrire des lettres dans du sable qui seront lisibles longtemps après. Cela est impossible dans un système en équilibre telle qu'une assiette remplie d'eau.

Dans l'état critique, l'unité fonctionnelle est le tas de sable tout entier et non les grains individuels. Une approche réductionniste n'aurait donc aucun sens car les unités locales n'existent sous leur forme actuelle, caractérisées par exemple par la pente locale, que parce qu'elles sont parties intégrantes d'un tout. Etudier les grains individuels sous le microscope ne vous serait d'aucune utilité pour comprendre ce qui se passe dans le tas de sable complet. Rien dans les grains individuels n'évoque les propriétés émergentes du tas.

Le tas de sable évolue d'une configuration à l'autre non pas de manière graduelle, mais au moyen d'avalanches catastrophiques. La plupart des éboulements proviennent d'ailleurs des grandes avalanches à cause de la statistique en loi de puissance. Les petites avalanches, qui sont les plus fréquentes, n'y contribuent pas beaucoup. L'évolution du tas de sable s'effectue par le biais de révolutions, comme l'histoire dans la vision de Karl Marx. C'est précisément parce que ces systèmes dynamiques sont suspendus dans l'état critique que tout arrive à travers des révolutions et non graduellement. De fait, la criticalité auto-organisée est une méthode inventée par la nature pour effectuer des transformations énormes sur des échelles de temps très courtes…

La métaphore du tas de sable a eu des répercussions qui ont dépassé de loin la seule compréhension des phénomènes complexes et le monde de la physique car elle contient tout – comportement coopératif de nombreuses parties, équilibre intermittent, contingence, imprévisibilité, destin. C'est une nouvelle façon de voir le monde…

Les idées de Robert B. Laughlin : l'émergence contre le réductionnisme

« Le tout (un solide, un nuage, un organisme) mène sa vie de manière autonome. Les règles qui le régissent ne dépendent pas de celles qui régissent ses constituants. Elles traduisent un autre niveau d'organisation. Elles témoignent du phénomène le plus mystérieux et donc le plus fascinant de la nature : l'émergence". »

Robert B. Laughlin, La Recherche, 07/2005

« Nous pouvons prouver, dans des cas simples, que l'organisation peut acquérir un sens et une vie bien à elle, et commencer à transcender les éléments dont elle est faite. »

Robert Laughlin

Robert B. Laughlin, dans « Un univers différent » :

« La fiabilité des rapports de cause à effet dans le monde naturel nous apprend quelque chose sur nous-mêmes, car elle est due à des principes d'organisation, pas à des règles au niveau microscopique. Autrement dit, les lois de la nature qui sont importantes pour nous émergent par un processus collectif d'auto-organisation (…) Contrairement à ce que l'on pensait, ce n'est pas les lois qui produisent les principes d'organisation, mais l'inverse. Cela nécessite une réflexion sur les concepts, sur la philosophie. Mais c'est terrible : la science s'est éloignée du reste de la vie intellectuelle, alors qu'elle n'avait pas du tout commencé ainsi. (…) Nous pouvons prouver, dans des cas simples, que l'organisation peut acquérir un sens et une vie bien à elle, et commencer à transcender les éléments dont elle est faite. « Le tout n'est pas la somme de ses parties » n'est pas seulement une idée, mais aussi un phénomène physique : voilà le message que nous adresse la science physique. La nature n'est pas uniquement régie par une règle fondamentale microscopique, mais aussi par de puissants principes généraux d'organisation. Si certains de ces principes sont connus, l'immense majorité ne l'est pas. (…) Les éléments fondamentaux de ce message sont formulés dans les très nombreux écrits d'Ilya Prigogine, et avec plus d'originalité encore, dans un célèbre essai de P.W. Anderson publié il y a plus de trente ans sous le titre « Plus signifie différent ». (…) Je suis de plus en plus persuadé que TOUTES les lois physiques que nous connaissons sont d'origine collective. La distinction entre lois fondamentales et lois qui en découlent est un mythe, de même que l'idée de maîtriser l'univers par les seules mathématiques. La loi physique ne peut pas être anticipée par la pensée pure, il faut la découvrir expérimentalement, car on ne parvient à contrôler la nature que lorsque la nature le permet, à travers un principe d'organisation. On pourrait baptiser cette thèse « la fin du réductionnisme » (réductionnisme = divisons en composantes de plus en plus petites et nous finirons forcément par comprendre). (…) Pour défendre ma position, il me faudra avancer franchement quelques idées choquantes : la matérialité du vide de l'espace-temps, l'hypothèse selon laquelle la relativité n'est pas fondamentale, la nature collective de la possibilité même du calcul informatique, les barrières épistémologiques du savoir théorique, les entraves du même ordre à la falsification de l'expérience, et le caractère mythologique d'importantes composantes de la physique théorique moderne. (…) Le monde est riche en régularités complexes et en relations de causalité quantifiables, et c'est grâce à elles que nous pouvons comprendre les phénomènes et exploiter la nature à nos propres fins. Mais la découverte de ces relations est regrettablement inattendue. (…) La thèse selon laquelle toutes les lois de la nature sont connues n'est qu'une composante de ce bluff. (…) La solution de la contradiction, c'est le phénomène de l'émergence. (…) L'émergence, c'est un principe d'organisation. Il est clair que les sociétés humaines, par exemple, ont des règles d'organisation qui dépassent l'individu. Une compagnie automobile ne va pas cesser d'exister si l'un de ses ingénieurs est écrasé par un camion. Mais le monde inanimé aussi a des règles d'organisation, et elles aussi expliquent beaucoup de choses qui sont importantes pour nous, dont la plupart des lois physiques de macroniveau dont nous nous servons dans notre vie quotidienne. Des réalités banales comme la cohésion de l'eau ou la rigidité de l'acier sont des exemples simples, mais il y en a bien d'autres, innombrables. (...) De même, l'aptitude de certains métaux à expulser totalement les champs magnétiques quand on les refroidit à température ultrabasse nous intéresse vivement parce que les atomes dont ils sont constitués ne peuvent pas le faire. (...) Puisque les principes d'organisation - ou plus exactement leurs conséquences - peuvent être des lois, celles-ci peuvent elles-mêmes s'organiser en lois nouvelles, et ces dernières en lois encore plus neuves, etc. Les lois du mouvement des électrons engendrent les lois de la thermodynamique et de la chimie, qui engendrent les lois de la rigidité et de la plasticité, qui engendrent les lois des sciences de l'ingénieur. (...) Seule l'expérience peut trancher entre des phénomènes qu'on croyait universels et ceux qui ne le sont pas. (...) Le tout petit groupe d'expériences qui sont d'une extrême exactitude a en physique, pour cette raison, une importance considérablement supérieure à sa taille. (...) Ces expériences très spéciales, il y en a dix ou vingt selon la façon dont on les compte, la plupart ne sont familières qu'aux experts. Il y a la vitesse de la lumière dans le vide, que l'on connaît à présent à une précision supérieure à un dix millième de milliardième. Il y a la constante de Rydberg, le nombre qui définit la quantification des longueurs d'onde de la lumière émise par les gaz atomiques dilués et responsables de la fiabilité stupéfiante des horloges atomiques : on la connaît au cent millième de milliardième près. Autre exemple : la constante de Josephson, le nombre qui indique le rapport entre la tension qu'on applique à un type précis de "sandwich" métallique et la fréquence des ondes radio qu'il émet : on la connaît à un degré d'exactitude d'un cent millionième. Ou encore la résistance de Von Klitzing, le nombre qui indique le rapport entre le courant électrique qu'on fait passer à travers un semi-conducteur de conception spéciale et la tension induite perpendiculairement au moyen d'un aimant : on la connaît à un degré d'exactitude d'un dix milliardième. Paradoxalement, l'existence de ces expériences très reproductibles nous inspire deux points de vue incompatibles sur ce qui est fondamental. Selon le premier cette exactitude nous fait toucher du doigt certains des éléments primitifs les plus simples dont est fait notre monde complexe et incertain. Nous disons que la vitesse de la lumière est constante parce qu'elle l'est vraiment et parce que la lumière n'est pas constituée de composants plus élémentaires. Avec ce mode de pensée, nous réduisons ces expériences précises à une poignée de constantes dites "fondamentales". L'autre point de vue, c'est que l'exactitude est un effet collectif qui se produit en raison de l'existence d'un principe d'organisation. Par exemple : le rapport entre la pression, le volume et la température d'un gaz comme l'air. Le nombre universel qui définit la loi des gaz parfaits est connu à une exactitude d'un millionième, mais d'énormes erreurs apparaissent quand on le mesure dans de trop petits échantillons de gaz et il cesse complètement d'être mesurable au niveau de quelques atomes. La raison de cette sensibilité à la taille, c'est que la température est une propriété statistique. L'exactitude collective est un concept que les non-scientifiques ont souvent du mal à comprendre, mais il n'est pas si difficile. On a de nombreux exemples familiers dans la vie quotidienne. Comme le comportement d'un gaz parfait, l'heure de pointe est une certitude collective. L'engorgement du trafic est un phénomène simple, fiable, qui naît de décisions complexes prises par un grand nombre d'individus qui vivent leur vie. Il n'est pas nécessaire de savoir ce qu'ils ont mangé au petit déjeuner, où ils travaillent combien ils ont d'enfants, comment ils s'appellent, etc, pour prévoir qu'à huit heures et quart, ça va être l'enfer. Un bel exemple d'effet collectif déguisé en en effet réductionniste est la quantification des spectres atomiques. La lumière est émise par des gaz atomiques dilués, avec des longueurs d'onde spéciales si insensibles aux influences extérieures qu'on peut s'en servir pour fabriquer des horloges précises au cent millième de milliardième. Mais ces longueurs d'onde ont un décalage détectable au dix millionième qui n'aurait pas dû exister dans un monde idéal ne contenant rien d'autre que l'atome. (…) Autrement dit, l'espace apparemment vide ne l'est pas du tout, il est plein de « quelque chose ». Le mouvement sympathique de ce « quelque chose » quand la matière passe change légèrement les propriétés de celle-ci, exactement de la même façon que le mouvement sympathique des électrons et des atomes dans une vitre de fenêtre modifie les propriétés de la lumière qui la traverse, et provoque sa réfraction. (…) Donc, même la constance du spectre atomique a en réalité des origines collectives – le phénomène collectif, en l'occurrence, étant l'effet de l'univers entier. Autre cas de « collectivisme », bien plus immédiat et troublant : la détermination de a charge de l'électron et de la constante de Planck par des mesures macroscopiques. La charge de l'électron est l'unité indivisible de l'électricité. La constante de Planck est la relation universelle entre le moment et la longueur qui définit la nature ondulatoire de la matière. Il s'agit de deux concepts résolument réductionnistes et, pour déterminer leur valeur, on recourt traditionnellement à de gigantesques machines (...). Or, il s'avère que la valeur la plus précise ne vient pas de ces machines, mais simplement d'une combinaison des constantes de Josephson et de Van Klitzing, dont la mesure n'exige rien de plus compliqué qu'un cryoréfrigérateur et un voltmètre. Cette découverte a été une immense surprise, car les échantillons sur lesquels on mesure les effets Josephson et Von Klitzing sont extrêmement imparfaits : ils regorgent d'impuretés chimiques, d'atomes déplacés et de structures atomiques complexes comme les frontières de grains et les morphologies de surface, autant de facteurs qui auraient dû perturber les mesures au niveau d'exactitude rapporté. Le fait même qu'ils ne le font pas PROUVE que de puissants principes d'organisation sont à l'œuvre. L'une des raisons pour lesquelles les physiciens parlent si rarement de la nature collective des mesures des constantes fondamentales, c'est qu'elle a des implications vraiment troublantes. En effet, puisque notre connaissance du monde physique repose sur la certitude expérimentale, il est logique d'associer la vérité la plus forte à la mesure la plus sûre. Il faut donc en conclure qu'un effet collectif est plus vrai que les règles microscopiques dont il serait censé dépendre… Dans le cas de la température, quantité qui n'a jamais eu de définition réductionniste (une seule molécule, un seul atome, une seule particule ou un trop petit nombre d'entre eux ne définit aucune température), cette conclusion est facile à comprendre et à accepter. (…) Mais, pour la charge de l'électron, c'est une autre affaire. Nous avons pris l'habitude de la penser comme un élément de base, un « cube de construction » de la nature, qui n'exigerait aucun contexte collectif pour avoir un sens. Les expériences en question réfutent cette affirmation, assurément. Elles révèlent que la charge de l'électron n'a de sens qu'au sein d'un contexte collectif : soit le vide de l'espace qui modifie cette charge de la même façon qu'il modifie les longueurs d'onde des atomes, soit une matière dont les propres effets préviennent ceux du vide. Ce rôle préventif de la matière signifie nécessairement que les principes organisationnels à l'œuvre sont les mêmes dans son cas et dans celui du vide, sinon les effets tiendraient du miracle. L'énigme de la charge de l'électron, en fait, n'est pas unique. TOUTES les constantes fondamentales exigent un contexte environnemental pour faire sens. Dans la pratique, la distinction entre quantités réductionnistes et quantités « émergentistes » en physique n'existe pas. (…) La loi physique universelle est l'iceberg dont la constante physique est la pointe émergée. (…) Comme pour les mesures universelles exactes nous avons tendance à distinguer lois d'origine microscopique et lois d'origine collective, tout en les qualifiant de « fondamentales » dans les deux cas. Et, comme pour les constantes, la différence entre ces deux catégories s'évanouit lorsqu'on regarde les expériences de près. Au fil des ans, tandis que s'allongeaient la liste des succès des lois de Newton, on a commencé à en faire un usage spéculatif. (…) Exemple : la théorie cinétique des gaz postule que le gaz est composé d'atomes qui obéissent aux lois de Newton, avec des forces répulsives à faible portée qui les amènent à se caramboler les uns les autres comme des boules de billard. Elle calcule alors que ces atomes mythiques ont une forte tendance à être enchevêtrés par leurs collisions dans des dispositions aléatoires. (…) Mais ce raisonnement a un vice évident : le comportement qui sert à mettre à l'épreuve l'hypothèse est peut-être un phénomène collectif universel. Si c'est le cas, la mesure est fondamentalement insensible aux suppositions microscopiques, telle l'existence des atomes, et ne peut donc absolument pas les vérifier. (…) Les lois de Newton, en fait, sont fausses à l'échelle des atomes. Au début du vingtième siècle, on a découvert que les atomes, les molécules et les particules subatomiques sont décrits par les lois de la mécanique quantique – règles si différentes de celles de Newton que les scientifiques ont dû faire de gros efforts pour trouver les mots susceptibles de les formuler convenablement. (…) Donc il s'avère que les légendaires lois de Newton sont émergentes. Elles n'ont rien de fondamental, mais résultent de l'agrégation de la matière quantique en fluides et en solides macroscopiques – un phénomène organisationnel collectif. (…) J'ai été éclairé pour la première fois sur la nature émergente des lois de Newton en lisant le célèbre article de P.W. Anderson « More is different » (Plus, c'est autre chose). Anderson avait compris (…) que le comportement supraconducteur nous révèle, par son exactitude, que la réalité quotidienne est un phénomène d'organisation collective. Les états de la matière – dont les plus connus sont le liquide, le gazeux et le solide – dont des phénomènes organisationnels. Beaucoup sont surpris de l'apprendre puisqu'ils paraissent si fondamentaux et familiers, mais c'est la pure vérité. (…) Si l'organisation d'un solide cristallin – l'arrangement ordonné des atomes en réseau – faisait faux bond, la rigidité s'évanouirait, car sous cette structure il n'y a aucun actif physique. (…) Paradoxalement, l'extrême fiabilité des phénomènes liés aux états de la matière fait d'eux le pire cauchemar des réductionnistes (…). Un phénomène exact tel que la rigidité ne peut pas du tout dépendre des détails. De plus, si certains aspects des états de la matière sont universels, donc faciles à prévoir, d'autres, comme l'état que l'on a dans telles ou telles conditions, ne le sont pas. L'eau est un cas particulièrement embarrassant. La glace de l'eau ordinaire présente, au dernier décompte (le nombre continue d'augmenter avec les nouvelles découvertes), onze états cristallins distincts, dont aucun n'a été correctement prédit à partir des principes premiers. (…) Les états sont un cas d'émergence élémentaire et bien étudié, qui démontre de façon convaincante que la nature a des murs d'échelle : les règles microscopiques peuvent être parfaitement vraies mais sans aucune pertinence pour les phénomènes macroscopiques car ce que nous mesurons leur est insensible ou au contraire trop sensible. Bizarrement, c'est parfois les deux à la fois. Par exemple, il est actuellement trop difficile de calculer à partir de rien quel état cristallin de la glace va se former à une température et sous une pression données, mais il n'y a aucun besoin de calculer les propriétés macroscopiques d'un état donné, parce qu'elle sont entièrement génériques. (…) Il y a quantité d'autres exemples quotidiens de l'exactitude créée par les états. (…) L'exemple le plus simple d'exactitude émergente est la régularité des réseaux cristallins, l'effet qui, en dernière analyse, assure la rigidité des solides. L'ordre atomique des cristaux peut être parfait à des échelles d'une longueur époustouflante - dans de très bons échantillons, jusqu'à cent millions d'espacement interatomiques. (…) L'aspect le plus stupéfiant du réseau cristallin, c'est qu'il reste exact quand la température monte. (…) Même dans de bons cristaux, chaque atome est toujours en train de bouger , donc toujours légèrement décalé par rapport à son emplacement idéal dans le réseau à quelque moment qu'on l'observe – c'est la signification physique de la chaleur. La preuve que ce mouvement existe, c'est qu'une fraction des rayons X diffusés sur un échantillon est renvoyée avec un léger changement de longueur d'onde (…). Mais, surprise, cet effet ne brouille pas les angles de déviation précis des rayons X. (…) C'est que la localisation d'un atome continue de prédire la localisation d'un autre – avec un peu d'incertitude – arbitrairement loin dans la structure. Les erreurs de position ne s'accumulent pas. (…) Les positions de réseau d'un solide ont manifestement un sens exact même quand les atomes ne s'y trouvent pas exactement. L'exactitude du « registre » du réseau sur longue distance explique la soudaineté de la fonte. L'aptitude d'un atome à prédire la position d'un autre arbitrairement loin ne peut pas être partielle, pas plus qu'une femme ne peut être partiellement enceinte. Quand cette prédictibilité est là, la simple logique nous dit que les autres propriétés qu'on associé normalement aux solides, telles la forme et l'élasticité, doivent l'être aussi. Elles ne peuvent donc être perdues que sur le mode de la « catastrophe ». Il y a malheureusement, des malentendus constants quant à l'importance de cette exactitude dans la nature de l'état solide. La plupart des substances ne sont pas parfaitement régulières – même les métaux réels, qui doivent à des imperfections structurelles et chimiques nombre de leurs propriétés utiles à l'ingénieur. (…) Une fois que l'on sait ce qu'il faut chercher, il devient facile de démontrer la nature organisationnelle d'états autres que le solide. On repère sans ambiguïté un état collectif de la matière lorsqu'un ou plusieurs comportements sont exacts dans un vaste agrégat mais inexacts, ou inexistants, dans un petit. Puisque le comportement est exact, il ne peut pas changer progressivement lorsqu'on fait varier des conditions extérieures comme la pression ou la température : il ne peut changer qu'abruptement, dans une transition d'état. Une signature claire et nette du phénomène organisationnel, c'est donc une transition d'état brutale. Mais la transition elle-même n'est qu'un symptôme. L'important n'est pas la transition, c'est l'exactitude émergente qui la nécessite. Les transitions de la glace, fonte et sublimation, signalent la destruction de l'ordre cristallin et son remplacement par un autre ensemble de comportements exacts collectivement baptisé « hydrodynamique ». (…) Comme les lois de la rigidité dans les solides, celles de l'hydrodynamique deviennent toujours plus exactes quand on les mesure à une plus grande échelle de longueur et de temps, et s'évanouissent à la limite opposée.Un examen attentif révèle que le nombre d'atomes est nécessairement trop grand, car le dispositif ne fonctionnerait pas s'il était petit. Détecter la désintégration radioactive d'un atome au moyen d'un autre atome, par exemple, n'a pas de sens, puisque cela reviendrait à substituer un minuscule objet non mesurable à un autre. (…) Il y a quelque chose dans le concept humain de mesure qui exige que l'appareil soit grand. (…) Tous les détecteurs quantiques sont faits de solides, donc tous exploitent cette caractéristique de l'état solide qu'est la brisure de symétrie, effet qui ne se produit que dans la limite de la grande dimension. Une observation, pour se qualifier comme telle selon la définition humaine traditionnelle, ne doit pas modifiée par l'acte d'observer. (…) Von Klitzing a découvert quelque chose qui n'aurait pas dû exister – ce qui nous rappelle brutalement que notre compréhension du monde st limitée, que nos préjugés ne sont pas des lois (…) – une mesure qui devenait anormalement stable sur toute une gamme d'intensités du champ magnétique. (…) La découverte de cette constance inattendue, personne ne l'avait prédite. (…) Lorsqu'on approche un aimant d'un fil électrique où passe un courant, une tension perpendiculaire à la direction du courant apparaît. Elle fait parce que les électrons qui passent dans le conducteur sont déviés par l'aimant, exactement comme ils le seraient à l'air libre. Ils s'accumulent donc d'un seul côté du fil, jusqu'au moment où la tension de réaction qu'ils génèrent équilibre exactement la déviation magnétique. On appelle ce phénomène l'effet Hall. (…) Aux températures ordinaires, (…) le rapport entre la résistance de Hall et la densité est en ligne droite. Mais à des températures très basses, ce n'est plus une ligne droite mais une ligne qui frétille. Dans le cas du type particulier de semi-conducteurs qu'étudiait Von Klitzing – des transistors à effet de champ, ces frétillements se muent en un escalier aux marches extrêmement aplaties quand on baisse la température. (…) Von Klitzing a pris conscience du fait que la valeur de la résistance de Hall était une combinaison de constantes fondamentales – la valeur indivisible de la charge électrique e, la constante de Planck h et la vitesse de la lumière c, autant d'éléments que nous concevons comme les composantes de base de l'univers. (…) Nous savions tous que les échantillons de Von Klitzing étaient imparfaits, donc nous nous attendions à des variations. Lorsqu'on fabrique des semi-conducteurs, il y a toujours des différences incontrôlables – défauts structurels du réseau cristallin, dopants incorporés de façon aléatoire, oxydes amorphes à la surface, bords irréguliers laissés par la lithographie optique, petits bouts de métal éparpillés sur la surface par des fers à souder déficients quand on fixe les fils électriques, etc. (…) L'effet Hall quantique, en fait, est un magnifique exemple de perfection émergeant de l'imperfection. L'indice crucial qui le montre, c'est que l'exactitude de la quantification – c'est-à-dire l'effet lui-même – disparaît si l'échantillon est trop réduit. Les phénomènes collectifs sont courants dans la nature et occupent aussi une place centrale dans la physique moderne, donc, de ce point de vue, ce qui se passe ici n'est ni sans précédent ni difficile à comprendre. Mais l'exactitude extrême de l'effet de von Klitzing rend sa nature collective incontestable, et son importance particulière est là. (…) Si l'effet Hall quantique a levé le rideau sur l'ère de l'émergence, la découverte de l'effet Hall quantique fractionnaire a été l'ouverture de l'opéra. (…) Dan Tsui et Horst Strömer l'ont découvert par accident en cherchant des preuves de cristallisation de l'électron. (…) L'effet Hall quantique fractionnaire révèle que des quanta apparemment invisibles – en l'occurrence la charge de l'électron e – peuvent être fragmentés dans le cadre de l'auto-organisation d'états. Autrement dit, les éléments fondamentaux ne sont pas nécessairement fondamentaux. (…) L'observation des plateaux très précisément quantifiés de l'effet Hall quantique fractionnaire prouvait l'existence de nouveaux états de la matière où des excitations élémentaires – des particules – étaient porteuses d'une fraction exacte de e. (…) La grande question que pose implicitement la découvert de Von Klitzing n'est pas : « La loi physique existe-t-elle ? » mais « Qu'est-ce que la loi physique, d'où vient-elle et quels sont ses effets ? » Du point de vue réductionniste, la loi physique est l'impulsion causale de l'univers, elle vient de nulle part et tout est son effet. Du point de vue émergentiste, la loi physique est une règle de comportement collectif, elle est une conséquence de règles de comportement plus primitives à l'étage en dessous (…). La vraie physique est toujours inductive, aucun phénomène organisationnel collectif – même aussi élémentaire que la cristallisation et le magnétisme – n'a jamais été déduit (…). La constance des effets Meissner et Josephson en est une preuve expérimentale : un principe d'organisation est à l'œuvre dans les supraconducteurs, celui que nous assimilons aujourd'hui à la multiplicité de Schrieffer et que nous appelons la « brisure de symétrie du superfluide ». (…) Le combat sur la théorie de la supraconductivité a été l'un des plus longs et des plus âpres de l'histoire de la science, essentiellement parce que le problème central était conceptuel. (…) C'est triste à dire, mais la machinerie de la science n'est pas conçue pour traiter les concepts, mais seulement les faits et les technologies. »

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L'auto-organisation ou l'ordre spontanément issu du désordre

L'équilibre ponctué de révolutions, dans le domaine de l'évolution des espèces

Révolutions du vivant

La dialectique des transitions de phase

Robert Paris — 2018-05-29T22:23:00Z

La dialectique des transitions de phase

Qu'est-ce qu'une transition de phase ?

Qu'est-ce que la dialectique ?

Un lecteur nous écrit :

« Pourtant, la matière n'est pas si dialectique que cela : par exemple, elle se divise en état solide, état liquide et état gazeux et on peut dire qu'elle est ou solide ou (exclusif) liquide ou (exclusif) gazeux, alors que, pour la dialectique, il n'y a pas de « ou exclusif ». On ne peut pas, en conception dialectique hégélienne, répondre « par oui ou par non » à la question est-ce un état ou un autre, mais on le peut pour l'état de la matière. L'univers est fondé sur la matière et la lumière et, là encore, il ne semble pas que la dialectique fonctionne puisqu'on a soit de la matière (fermions) soit de la lumière (bosons) et que les deux obéissent à des lois opposées. Est-on, là aussi, dans du diamétral ou dans du dialectique ? »

Certes, il existe un état solide, avec un saut sans étape intermédiaire pour le passage au liquide et inversement, mais déjà les états liquide et gazeux ne se sont pas révélés aussi séparés et opposés qu'on le pensait autrefois.

Même pour le solide et le liquide, la séparation et l'opposition ne sont pas aussi diamétrales qu'on pourrait le croire. Et cela pour de multiples raisons.

Pour commencer, on peut donner de nombreux exemples de situations où on serait bien en peine de répondre par oui ou par non : est-ce un solide ou (exclusif) est-ce un liquide ?

Commençons par mélanger suffisamment un solide et un liquide, par exemple en prenant un solide en poudre capable de former une pâte avec le liquide, par exemple en prenant de la poudre de noisette (une méthode classique en pâtisserie !). La pâte est à la fois liquide et solide, suivant les propriétés que l'on examine, et, en fait, ni liquide ni solide (un peu comme pour la dualité onde/corpuscule pour laquelle on ne peut pas non plus répondre par un « ou exclusif » à une « question par oui ou par non »).

On peut prendre un autre exemple : la mayonnaise ou n'importe quelle sorte d'émulsion. Elle non plus ne permet pas de répondre par oui ou par non sur la question : solide ou liquide ?

Prenons maintenant la transition à la surface de la mer, entre le liquide-eau et l'atmosphère chargée en eau. Sommes-nous, à la séparation, dans un liquide ou dans un gaz ? Impossible d'y répondre en supprimant l'une des réponses. On est dans les deux et dans aucun des deux ! C'est bel et bien dialectique !

Prenons un liquide dans un état où il est plein de petites bulles. Est-il liquide ou gazeux ?

Prenons maintenant un état de la glace de la zone polaire dans laquelle la mer est pleine de petits glaçons mélangés d'eau. Avons-nous là un solide (la glace) ou un liquide (la mer) ? Les deux et, en même temps, aucun des deux !

Certes, nous sommes accoutumés aux transitions brutales de l'eau qui passe d'un coup de l'état solide à l'état liquide, et d'un autre saut de l'état liquide à l'état gazeux, et inversement. Cependant, dans certaines conditions de températures et de pression et pour certains matériaux, ces transitions brutales n'existent pas et on ne peut pas définir nettement la transition. Et, en mêlant certains matériaux, l'eau elle-même peut se retrouver un solide au-delà de sa température de fusion et est alors dans un état qui avoisine le solide et le liquide.

Et ce n'est pas encore fini : il existe des états intermédiaires entre solide et liquide, comme les plasmas, les fluides supercritiques, les états amorphes, les cristaux liquides, les polyphasiques (comme les émulsions), les verres, les pâtes, les gels, et on en passe…

Même pour l'opposition entre fermions et bosons (disons entre grains de matière et grains de lumière), elle n'est nullement diamétrale. Tout d'abord, les grains de matière sont constamment environnés de grains de lumière et ils en émettent ou en absorbent sans cesse. L'opposition est donc loin d'être diamétrale entre matière et lumière qui sont interdépendants et interconnectés. Sans les grains de lumière, il n'y aurait même pas d'interaction matière-matière puisque les matières (fermions) ont la propriété de ne pas entrer en contact (n'ayant pas le droit d'avoir un même état dans une même position). La matière ne pourrait pas exister sans émettre et absorber de la lumière. Et la lumière ne pourrait pas exister sans être émise par la matière. D'autre part, matière et lumière peuvent parfaitement s'échanger l'un en l'autre. On a donc une opposition qui n'est pas diamétrale et est de type dialectique. Quant à la question de toujours pouvoir répondre par oui ou par non à la question : ou (exclusif) un fermion ou (exclusif) un boson, ce n'est pas possible dans un grand nombre de situations. Par exemple, quand il y a choc très énergétique de deux grains de matière, on ne peut pas dire d'avance ce qui va en sortir : des grains de matière ou des grains de lumière !

Le nuage lui-même, élément fondamental du climat atmosphérique, est déjà une structure dynamique émergente et contradictoire. Il est fondé sur l'eau vapeur et sur l'eau liquide. Les deux sont des phases opposées des états de l'eau. Normalement les deux s'opposent : ou l'eau est sous forme vapeur ou elle est sous forme liquide, sans parler des cas encore opposés où elle est sous forme de cristaux solides. Mais cette opposition directe apparente cache l'interaction permanente, les changements d'états, permanents aussi. C'est d'ailleurs ce qui explique qu'une telle masse d'eau tienne dans l'air en recevant l'énergie du rayonnement solaire. Normalement une telle masse d'eau devrait chuter instantanément du fait de la gravitation. Les gouttes d'eau tombent effectivement mais en tombant elles se réchauffent et vaporisent, remontent et ainsi de suite forment un mouvement collectif qui donne cette impression d'un nuage fixe et stable alors que c'est une structure émergente issue de phénomènes contradictoires se combattant sans cesse : changements d'état, échanges d'énergie, échanges électriques, etc... Ensuite, il y a le lien entre les mers et océans et les nuages. Plus le soleil réchauffe la surface des mers, plus se forment des nuages par vaporisation puis condensation, puis, à nouveau, au sein du nuage des condensations et vaporisations opposées et successives. Mais les nuages, qui sont un produit du réchauffement solaire, ont surtout un effet de refroidissement puisqu'ils bloquent les rayons solaires et les empêchent d'arriver à la surface terrestre. Mais, là aussi, ce phénomène contient en lui-même sa propre contradiction puisque les nuages sont aussi la principale cause du fameux effet de serre et donc de réchauffement car les rayons solaires reçus par la surface terrestre ne sont en partie réémis qu'à un autre niveau d'énergie qui, lui, ne passe pas la barrière des nuages et cette énergie reste donc dans l'atmosphère terrestre. Mais c'est un terrible contresens de faire de cet effet de serre un phénomène sans contradiction interne.

Il n'est plus si courant de dresser un parallèle entre philosophie dialectique (celle de Hegel ou de Marx) et physique de la matière. A l'époque de ces deux grands dialecticiens, l'exemple dialectique qui crevait les yeux était celui des changements d'état de l'eau, en transition entre ses phases solide (la glace ou la neige), liquide et gazeuse (la vapeur d'eau). Les dialecticiens l'avaient pris en exemple parce qu'on y trouvait des changements brutaux et spontanés, dans des expériences accessibles à tous et permettant le raisonnement philosophique sur le mode du changement. On a tous vu un glaçon dans de l'eau liquide, tous vu de la vapeur d'eau s'échappant d'une casserole, tous vu l'eau bouillir et l'eau geler. C'est à la fois courant et étonnant. Car on peut réfléchir sur le caractère à la fois apparemment continu (l'évolution de température) et discontinu (le changement brutal de structure lors de la transition).

On peut alors poser la question : les oppositions entre phases (et leurs propriétés) des états de la matière sont-elles dialectiques (les contraires étant intégrés dans la même structure) ou diamétrales (propres à des dichotomies qui séparent les opposés) ? Le changement est-il intérieur ou produit de l'extérieur ? Cela revient à demander si la nature suit une philosophie du tiers exclus, « ou bien… ou bien… », ou une philosophie dans laquelle les contraires coexistent, se lient entre eux, se transforment sans cesse l'un dans l'autre, sont inséparables…

Cela revient à poser la question : est-ce une action extérieure qui change une phase en son contraire, ou bien est-ce une transformation interne de la structure de la matière sans changement du contenu de la matière elle-même ?

Bien sûr, au premier abord, si on raisonne sur des définitions abstraites au lieu de raisonner sur la dynamique qui les produit, on pourrait dire que le solide s'oppose au liquide ou au gaz par des propriétés différentes qualitativement. Un gaz, ce n'est pas un solide !

Mais la physique nous apprend que la matière, dans son contenu, est restée inchangée. Ce sont exactement les mêmes molécules, les mêmes atomes, sans aucun changement d'aucune sorte de leur contenu, de leurs propriétés, de leurs paramètres internes. La même matière propose donc plusieurs structures possibles et est capable spontanément de sauter d'une structure à une autre. La chaleur ne change que les liaisons entre molécules et pas le contenu des molécules ou leurs propriétés. C'est l'énergie des interactions entre molécules qui est modifiée et qui, à un seuil, transforme la forme de la structure stable des interactions. Non seulement, les molécules peuvent aussi bien se retrouver sous forme solide que liquide ou gazeuse, et elles n'ont pas changé elles-mêmes, mais le changement se réalise spontanément sans apport extérieur. Ainsi, la molécule d'eau (mais ce n'est qu'un exemple) contient aussi bien la potentialité d'être un solide, un liquide ou un gaz. Et on peut même avouer dès maintenant qu'il contient plusieurs structures solides, et plusieurs autres structures que les trois précédentes, des structures « intermédiaires » comme l'état surfondu. Et cependant, il ne faut surtout pas croire qu'un changement d'état passerait continûment par une série d'états intermédiaires. Ce n'est absolument pas le cas : c'est au contraire un exemple typique d'un phénomène décrit par un paramètre apparemment continu d'apport énergétique et de température externe (en interne, la molécule et l'atome ne permettent pas de définir une température !) qui entraîne un changement tout à fait discontinu et même brutal… Tout au plus peut-on trouver finalement un peu plus de continuité dans le changement liquide-gaz (ce sont tous deux des fluides) que dans la transition solide-liquide (changement qualitatif indiscutable, discontinu et brutal). La question, on le notera, est loin de concerner seulement ce type de changements d'état entre solide, liquide et gaz. Les transitions de phase sont un mode de transformation général à la matière. Il concerne non seulement des structures macroscopiques (à notre échelle) comme les états de l'eau, mais aussi les structures microscopiques, quantiques. Il concerne jusqu'à l'astrophysique et à la cosmologie. Le paradigme de la transition de phase concerne toute la physique des changements d'états. Définir le mode de pensée qui guide sa compréhension est donc un objectif scientifique d'importance.

Et ce n'est pas le seul point remarquable : il faut aussi noter que le changement n'est pas un changement unique et univoque. La plupart du temps, les phases coexistent et elles se transforment de manière dynamique l'une dans l'autre en permanence. On peut seulement distinguer s'il y a plus de probabilité de transformations dans un sens que dans l'autre. Par exemple, un glaçon baigne dans de l'eau liquide. Il y a sans cesse de la glace qui fond et de l'eau liquide qui se solidifie. Et les deux se produisent simultanément et concurremment.

Oui, peut-on discuter, mais il finira par y avoir un équilibre stable qui sera soit de la glace soit du liquide, c'est-à-dire qu'on retrouvera l'opposition diamétrale, la dichotomie que l'on prétendait disparue. Ce n'est pas nécessairement vrai : la coexistence des phases peut tout à fait rester durable et même permanente. L'équilibre peut ne jamais être atteint parce que les changements ont lieu dans les deux sens. Les contraires ne se détruisent donc pas de manière inéluctable.

Le plus remarquable est encore le fait qu'à leur niveau, la molécule et l'atome soient incapables de distinguer s'il appartient à un liquide, à un solide ou à un gaz. Cela signifie que la structure n'émerge des interactions qu'à une certaine échelle sans laisser de traces aux échelons inférieurs de la structure hiérarchique de la matière.

Les phases sont donc des modes d'organisation émergeants, bâtis sur la même matière, dans le même état fondamental et possédant les mêmes propriétés, mode d'organisation capable de sauter brutalement d'un état à un autre, en contradiction radicale avec le précédent.

Il n'y a aucun caractère « solide » (matériel) à la structuration des solides sous forme cristalline. Ce n'est rien d'autre qu'un mode d'organisation, une forme !!! Si la forme d'organisation saute, le changement qualitatif se produit immédiatement et on saute du solide au liquide.

Le pire, c'est qu'il existe des situations, rares mais réelles, où on ne peut pas dire clairement si c'est un solide ou un liquide, un liquide ou un gaz, ou encore deux autres types d'états car rien ne les distingue alors ! Cela peut être le cas lors de la transition ou du point triple. Mais cela peut aussi être le cas dans toute une zone de températures et de pressions où l'état n'est plus distinct !!!

On ne peut donc trouver aucune opposition diamétrale entre les états de la matière… Et pourtant, ils s'opposent !!! Leurs propriétés sont très clairement distinctes !!! Il s'agit donc bel et bien d'une opposition de type dialectique, celle où les contraires sont intégrés au sein de la même structure, coexistent et même sont indispensables les uns aux autres.

Voici comment Robert B. Laughlin expose l'affaire dans « Un univers différent » :

« Les états de la matière – dont les plus connus sont le liquide, le gazeux et le solide – sont des phénomènes organisationnels. Beaucoup sont surpris de l'apprendre puisqu'ils paraissent si fondamentaux et familiers, mais c'est la pure vérité… Si l'organisation d'un solide cristallin – l'arrangement ordonné des atomes en réseau – fait faux bond, la rigidité s'évanouit, car sous cette structure-là il n'y a aucun actif physique. La propriété que nous valorisons, c'est l'ordre. Nous préférons, pour la plupart, ne pas penser que nous confions notre vie à un mode d'organisation, mais nous le faisons tous les jours. Les économies, par exemple, sont des phénomènes purement organisationnels…

De plus, si certains aspects des états de la matière sont universels, donc faciles à prévoir, d'autres, comme l'état que l'on a dans telles ou telles conditions, ne le sont pas – l'eau étant un cas particulièrement embarrassant. La glace de l'eau ordinaire présente, au dernier décompte (le chiffre continue d'augmenter avec les dernières découvertes), onze états cristallins distincts, dont aucun n'a été correctement prédit à partir des principes premiers. Le diagramme des phases de l'eau n'est pas encore complètement connu, même expérimentalement. Les controverses sont exposées par Lobban, Finney et Kuhs dans « Nature » (1998) et Franks dans « Water : A Matrix of Life » (2000). Citons : http://www.sbu.ac.uk/water/phase.html et http://www.cmmp.ac.uk/people/finney/soi.html

(…)

Les états sont un cas d'émergence élémentaire et bien étudié, qui démontre de façon convaincante que la nature a des murs d'échelle : les règles microscopiques peuvent être parfaitement vraies mais sans aucune pertinence pour les phénomènes macroscopiques, car ce que nous mesurons leur est insensible ou au contraire trop sensible. Bizarrement, c'est parfois les deux à la fois. Par exemple, il est actuellement trop difficile de calculer à partir de rien quel état cristallin de la glace va se former à une température et sous une pression données, mais il n'y a aucun besoin de calculer les propriétés macroscopiques d'un état donné, parce qu'elles sont entièrement génériques.

On peut mesurer la gravité de ce problème à la difficulté d'expliquer clairement comment on sait que les états sont d'ordre organisationnel. Les preuves se révèlent toujours complexes, indirectes et regrettablement entrelardées de théories – un peu comme celles de la supériorité du produit dans une publicité pour une savonnette ou une voiture. La raison profonde est la même dans les deux cas : le lien logique qui va des réalités de base à la conclusion n'est pas très substantiel. Ce dont nous sommes certains, c'est que les solides cristallins sont des réseaux d'atomes ordonnés – comme le révèle leur tendance à dévier les rayons X à des angles précis -, alors que les liquides et les gaz ne le sont pas. Nous savons aussi que les systèmes composés de petits nombres d'atomes sont régis par des lois du mouvement simples et déterministes et par rien d'autre. Nous savons également que les tentatives pour découvrir à quelle échelle ces lois cessent de fonctionner ou sont supplantées par d'autres lois ont échoué. Enfin, nous savons que les lois élémentaires ont en principe la capacité d'engendrer des états et des transitions d'états en tant que phénomènes organisationnels…

Il y a quantité d'exemples quotidiens de l'exactitude créée par les états. Les liquides, par exemple, ne vont tolérer aucune différence de pression entre un point et un autre, sauf pour celle que cause la gravité. C'est une propriété générale de l'état liquide, quelle que soit la composition du liquide dont il s'agit… L'état liquide a une version électronique, l'état métallique, qui ne tolère aucune différence de tension. L'exactitude de cette propriété des métaux est le principe qui permet la conduction de l'électricité par des fils métalliques… Les états liquide et métallique ont tous deux des versions spéciales à basse température, le superfluide et le supraconducteur, qui ont des comportements exacts encore plus impressionnants.

Mais l'exemple le plus simple d'exactitude émergente est la régularité des réseaux cristallins, l'effet qui, en dernière analyse, assure la rigidité des solides. L'ordre atomique des cristaux peut être parfait à des échelles d'une longueur époustouflante – dans de très bons échantillons, jusqu'à cent millions d'espacements interatomiques…

L'aspect le plus stupéfiant de l'ordre cristallin, c'est qu'il reste exact quand la température monte… Les propriétés qu'on associe normalement aux solides, telles que la forme et l'élasticité, se conservent et ne peuvent être perdues que sur le mode de la « catastrophe »…

Les transitions de la glace, fonte et sublimation, signalent la destruction de l'ordre cristallin et son remplacement par un autre ensemble de comportements exacts collectivement baptisé « hydrodynamique ». Les lois de l'hydrodynamique constituent une codification mathématique précise de tout ce que nous associons intuitivement à l'état fluide, par exemple l'importance de la pression hydrostatique, la tendance à l'écoulement régulier en réaction aux différences de pression, et les règles de la viscosité. Personne n'a jamais réussi à déduire ces lois de principes premiers, bien qu'il soit possible d'avancer des raisonnements très plausibles dans de nombreux cas. Comme pour la plupart des réalités émergentes, nous y croyons parce que nous les observons…

L'émergence de la loi hydrodynamique aux longueurs d'onde élevées explique pourquoi l'onde de compression du son se propage universellement dans les fluides, et pourquoi la force de cisaillement d'un fluide est toujours très exactement de zéro…

Les fluides isotropes ne sont pas le « contraire » des solides, ils constituent l'un des nombreux états possibles autres que le solide… Il y a d'autres états possibles, plus rares : cristal liquide, état hexatique, état incompressible, état supersolide... Ces états bizarres sont rares, mais leur existence est importante, parce qu'elle démontre que les états solide, liquide et gazeux qui nous sont familiers sont des cas particuliers d'une phénomène plus général.

La propriété exacte qui distingue l'eau liquide de la vapeur d'eau est quelque chose d'infiniment plus subtil : leur interface. L'eau et la vapeur paraissent si différentes qu'on imagine mal que les distinguer puisse poser problème, mais parfois c'est difficile. Lorsqu'on augmente la pression de la vapeur au-dessus d'une marmite en train de bouillir (ce qui a pour effet secondaire d'élever la température d'ébullition), la surface tourbillonnante devient de plus en plus difficile à voir et, à une pression critique, elle disparaît. A cette pression-là, le liquide et la vapeur ont perdu leurs identités séparées et on fusionné en un seul état, le fluide, si bien qu'il n'y a pas de surface…

Le phénomène émergent qui distingue les états liquide et gazeux n'est donc pas le développement de l'ordre, mais le développement d'une surface. Comme le réseau d'un solide cristallin ou les lois de l'hydrodynamique dans le fluide, cette surface et les règles de son mouvement deviennent de mieux en mieux définies aux grandes échelles de distance et de temps mais perdent leur signification à la limite opposée. C'est l'effet auquel nous devons les nuages, la pluie et la magnifique violence de la mer. (voir B.J. Mason, « The Physics of Clouds »)

Le fait le plus important, et de loin, de l'organisation d'état est de faire exister les objets. C'est un point délicat qu'il est facile de négliger, puisque nous sommes habitués à penser la solidification en termes d'agglomération de sphères newtoniennes. Mais les atomes ne sont pas des sphères newtoniennes, ce sont des entités quantiques éthérées auxquelles manque la plus centrale de toutes les propriétés d'un objet : une position identifiable. C'est pourquoi les tentatives pour décrire les atomes libres en termes newtoniens ont toujours abouti à des absurdités – on doit conclure, par exemple, qu'ils ne sont ni ici ni là mais simultanément partout. C'est leur agglomération en grands objets qui donne un sens à une description newtonienne des atomes, et non l'inverse… Dans la brisure de symétrie, la matière acquiert collectivement et spontanément une propriété et une préférence qui n'existait pas dans les règles antérieures. Par exemple, lorsque des atomes s'ordonnent en cristal, ils acquièrent des positions privilégiées, mais ces positions n'avaient rien de privilégié avant la constitution du cristal. »

Lucien Sève écrit dans « Sciences et dialectiques de la nature » :

« Qu'entre qualité et quantité il y ait passage conceptuel susceptible de reproduire des passages réels est chose si peu hypothétique qu'existe une discipline scientifique dont c'est tout l'objet, la physique des transitions de phase. (…) L'étude des transitions de phase nous dispense bien des leçons (de dialectique). Etablissant que « la distinction entre liquide et gaz n'est pas absolue » et devient même indécidable dans cet entre-deux de l'ordre et du chaos qu'est le phénomène critique, elle illustre de saisissante façon la pertinence d'une attitude dialectiquement critique envers les dichotomies tranchées de l'entendement, fût-ce celui de la physique classique. Sans doute faut-il préciser que si la dualité du liquide et du gaz recouvre une simple différence de degré dans la rubrique générale des fluides, il en va autrement de la différence qualitative entre liquide et solide. Mais cette distinction ne peut être prise pour absolue, puisqu'existent entre ces deux phases nombre d'états semi-organisés – cristaux liquides, quasi-cristaux, états nématiques et smectiques… -, « matière molle » pour laquelle « le passage du solide au liquide s'effectue sur une plage de températures assez étendues », comme l'écrit de Gennes… Comme l'écrit Hegel, le qualitativement nouveau « n'est pas venu au jour à partir du précédent » mais immédiatement à partir de lui-même. Idée hardie et profonde, qui bouscule la pusillanimité à penser la nouveauté essentielle du nouveau par rapport à ses conditions préalables, et préfigure certains usages contemporains du concept d'émergence. Or, cette question, la science des transitions de phase se l'est posée à son tour dans les termes de la physique. Peut-on expliquer les discontinuités qui s'observent à l'échelle macroscopique par exemple dans la vaporisation d'un liquide à partir de sa structure microscopique ? Se produirait-il une « modification brutale » à la température de transition « dans les interactions entre atomes » dont le changement de phase serait le reflet ? La question, indique Roger Balian dans « Le temps macroscopique », a été définitivement tranchée : « Rien à l'échelle atomique ne distingue l'eau de sa vapeur ou de la glace ; leurs transformations mutuelles ne traduisent qu'un changement d'organisation de l'édifice global, contrôlé seulement par deux paramètres macroscopiques, la température et la pression. »

L'inexistence de contraires diamétraux poussent à voir de la dialectique dans la physique des changements de phase de la matière !

Boukharine écrit ainsi dans « La théorie du matérialisme historique » :

« Hegel parle du passage de la quantité à la qualité. Nous allons l'expliquer par un exemple très simple. Supposons que nous chauffions de l'eau. Aussi longtemps que la température reste inférieure à 100, elle ne bout pas et ne se transforme pas en vapeur. Ses parcelles s'agitent de plus en plus rapidement, mais elles ne surgissent pas à sa surface à l'état de vapeur. Nous n'observons ici qu'un changement de quantité, les parcelles s'agitent de plus en plus rapidement, la température monte, mais l'eau reste de l'eau, avec toutes ses qualités. La quantité change sans cesse, mais la qualité reste la même. Mais lorsque nous avons amené l'eau à la température de 100, c'est-à-dire jusqu'au point « d'ébullition », elle commence à bouillir tout à coup, comme si ses parcelles, qui tournaient avec une vitesse vertigineuse, avaient perdu la tête et sauté à la surface sous forme de billes de vapeur. L'eau cesse d'être eau : elle devient vapeur, gaz. C'est une matière nouvelle, ayant des qualités nouvelles. C'est ici que nous voyons deux particularités principales dans le processus de transformation.
Premièrement, à un certain degré du mouvement, les transformations quantitatives provoquent les changements qualitatifs (ou, comme on dit brièvement : « la quantité se change en qualité ») ; deuxièmement, ce passage de la quantité à la qualité se fait par un bond, la continuité et la « gradualité » étant tout d'un coup troublées. L'eau ne se transforme pas constamment et avec une sage progression d'abord en une « petite » vapeur qui est devenue ensuite « grande ». Elle n'a pas bouilli jusqu'à un certain moment, mais elle s'est mise à le faire aussitôt qu'elle est arrivée à un certain « point ». Et c'est cela qui s'appelle un bond.
La transformation de la quantité en qualité est une des lois essentielles du mouvement de la matière, qu'on peut suivre dans la nature et dans la société, littéralement pas à pas. Suspendez un poids à une ficelle et ajoutez-y peu à peu un poids supplémentaire par petites quantités. Jusqu'à une certaine limite, la ficelle « tient », mais aussitôt que vous aurez dépassé une certaine limite, elle casse instantanément (« par bond »). Condensez la vapeur dans une chaudière. Jusqu'à un certain moment, tout ira bien ; seule, l'aiguille du manomètre (instrument qui indique la pression Je la vapeur) marquera un changement quantitatif de la pression exercée par la vapeur sur les parois de la chaudière. Mais aussitôt que l'aiguille aura dépassé une certaine limite, la chaudière éclatera. La pression de la vapeur aura été un tout petit peu plus grande que la résistance des parois. Jusqu'à ce moment, les changements quantitatifs n'ont pas amené un « bond », un changement qualitatif, mais arrivée à un certain point, la chaudière a éclaté. Plusieurs hommes n'arrivent pas à soulever une pierre, un homme de plus se joint à eux, ils ne la soulèvent pas encore, une faible femme survient et tous ensemble soulèvent la pierre. On a eu besoin ici d'un tout petit supplément de force, et avec lui, on a pu soulever la pierre. Prenons encore un exemple dans le domaine des sentiments humains. Il existe un conte de Léon Tolstoï intitulé Trois pains et une brioche, dont voici le sujet : un homme avait faim et n'arrivait pas à se rassasier ; il mange un pain et a encore faim ; il en mange un autre et a toujours faim ; de même après le troisième ; mais lorsqu'il a mangé la brioche, il sent tout à coup qu'il n'a plus faim. Il se met alors à s'injurier pour ne pas avoir mangé d'abord la brioche : je n'aurais pas eu besoin, dit-il, de manger les trois pains. Cependant, il est clair que cet homme se trompe. Ici aussi, le changement qualitatif, le passage du sentiment de la faim à celui de la satiété, se produit plus ou moins par « bond » (après la brioche). Mais ce changement qualitatif a été, préparé par un changement quantitatif : s'il n'avait pas mangé les pains, la brioche ne l'aurait pas rassasié.
Nous voyons ainsi qu'il est absurde de nier les « bonds » et de parler seulement de la sage progression. En réalité, nous avons affaire aux bonds très souvent dans la nature et le dicton suivant lequel « la nature ne fait pas de bonds » n'est que l'expression d'une crainte des « bonds » dans la société, c'est-à-dire l'expression de la peur des révolutions. »

Lénine expose dans « Matérialisme et empiriocriticisme » la particularité fondamentale de la dialectique dans l'étude de la matière :

« Le matérialisme dialectique insiste sur (...) l'absence de lignes de démarcations absolues dans la nature, sur la transformation de la matière mouvante d'un état en un autre, celui-ci apparemment incompatible de notre point de vue avec celui-là, etc… Aussi singulière que paraisse du point de vue du « bon sens » la transformation de l'éther impondérable (vide) en matière pondérable (masse) et inversement, (...) tout cela ne fait que confirmer une fois de plus le matérialisme dialectique. (...) A notre époque, l'idée de développement, d'évolution, est presque totalement entrée dans la conscience sociale, mais par d'autres voies que celles de la philosophie de Hegel. Cependant cette idée, telle que l'ont formulée Marx et Engels, s'appuyant sur Hegel, est beaucoup plus complète, beaucoup plus riche, que l'idée courante d'évolution. Un développement qui semble reproduire des stades déjà franchis mais les reproduire autrement, sur une base plus élevée (« négation de la négation »), développement pour ainsi dire en spirale et non en ligne droite ; un développement par bonds, par catastrophes, par révolutions ; des « solutions de continuité » ; la transformation de la quantité en qualité ; des impulsions internes à se développer, provoquées par la contradiction, le heurt de forces et de tendances différentes agissant sur un corps donné ou dans les limites d'un phénomène donné ou à l'intérieur d'une société donnée ; une interdépendance et une liaison très étroite, indissoluble, de tous les aspects de chaque phénomène (ces aspects, l'histoire en fait apparaître sans cesse de nouveaux), liaison dont résulte le processus universel du mouvement (...) »

En fait, la dialectique des états de la matière est une dépendance de la dialectique ordre/désordre…

L'astrophysicien Michel Cassé souligne à ce propos dans « Du vide et de la création » que « Les transitions de phase marquent des réorganisations radicales de structure. (...) L'Univers épouse une succession d'états dynamiques. Il est emporté par le changement. (...) L'histoire du refroidissement de l'Univers sera scandé par les transitions fondamentales qui font apparaître sous une forme radicalement nouvelle la matière ou bien les forces qui gouverne son comportement, c'est-à-dire les brisures de symétrie. »

Ce sont des transitions de phase qui ont produit tous les éléments actuellement présent dans l'Univers. Gilles Cohen-Tannoudji l'explique dans "La Matière-espace-temps : « Des transitions de phase s'accompagnant de brisures de symétrie ont différencié les particules et leurs interactions, et produit le germe de toute la variété des structures actuellement présentes dans l'univers. »

« L'évolution de l'univers procède ainsi par brisures de symétrie successives qui se soldent par des transitions de phase, lesquelles bouleversent l'apparence globale du cosmos. »écrit Michel Cassé dans « Dictionnaire de l'ignorance ».

Michel Cassé souligne également dans « Du vide et de la création » que « Les transitions de phase marquent des réorganisations radicales de structure. (...) L'Univers épouse une succession d'états dynamiques. Il est emporté par le changement. (...) L'histoire du refroidissement de l'Univers sera scandé par les transitions fondamentales qui font apparaître sous une forme radicalement nouvelle la matière ou bien les forces qui gouverne son comportement, c'est-à-dire les brisures de symétrie. »

Stuart Kauffman dans « La complexité, vertiges et promesses » :

« Ce qui qualifie un phénomène émergent, c'est une propriété collective qui n'est présente dans aucune des molécules individuelles. Les lois qui gouvernent les systèmes émergents sont en relation avec les lois mathématiques des transition de phase survenant dans de tels systèmes, et plus généralement dans tout ce qui se passe à un niveau supérieur à celui des molécules individuelles. »

« Les physiciens ont été guidés par l'effet collectif par excellence en physico-chimie, la transition de phase. Qu'il s'agisse du simple phénomène de cristallisation de l'eau, de l'aimantation d'un ferro-aimant ou de la formation de paires d'électrons de Cooper responsables de la supraconductivité, le phénomène macroscopique intrinsèquement collectif que constitue ne transition de phase, a les propriétés recherchées. Dans tous les cas, elle se solde par la modification d'une symétrie. (...) La symétrie initiale n'est cependant pas détruite, seulement dissimulée (...) Dans tous ces cas, apparaît une nouvelle propriété macroscopique mesurable directement issue du caractère collectif de la réorganisation des degrés internes de liberté du système. Et enfin, dans tous les cas, la transition a lieu à un seuil critique de température qui est directement lié à une propriété thermodynamique : la tendance d'un système à adopter la configuration correspondant à la minimisation de l'énergie interne. » écrit Edgar Gunzig dans "Le vide".

Les transitions de phase sont maintenant légion dans tous les domaines de la physique (fusion, sublimation, ionisation, solidification, liquéfaction, vaporisation, transition ferromagnétique, hyperfluidité, supraconductivité, états du proton ou du neutrino, histoire du cosmos, passage du microscopique au macroscopique, effet tunnel, transition de phase de la matière nucléaire et de multiples autres ruptures spontanées de symétrie). Les changements brutaux et qualitatifs d'état n'étonnent plus en Physique et ils sont la règle. Les transitions de phase sont devenues une interprétation classique des transformations révolutionnaires de la matière. Elle n'est plus dès lors considérée seulement comme quantitative mais comme une structure qualitative, avec des sauts d'une structure à une autre, comme par exemple les sauts entre les diverses structures de la glace ou de la neige ou celles des cristaux. La matière inerte subit des sauts qualitatifs. On connaît bien les transitions de phase entre états de la matière (solide, liquide, gaz mais aussi plasma ou état granulaire, état superfluide, état ferromagnétique, etc…). Même si la température croît progressivement (par petits bonds), la matière, elle, change brutalement d'état, passant du solide au liquide et au gaz. Ce n'est pas la composition de la « chose » qui détermine l'état mais la structure des interactions. C'est la même molécule d'eau qui participe du liquide, du solide ou du gaz et, pourtant, dans ce passage les lois changent fondamentalement. Pour observer à l'œil nu des changements de structure, on peut suivre par exemple la transformation d'un flocon de neige que les spécialistes appellent une « métamorphose ». Même s'il n'existe pas deux flocons identiques, il y a des types structurels et des sauts de structure et non une évolution lente. Des transitions, la matière en connaît de multiples : transitions d'état électromagnétique d'un matériau, le ferromagnétisme par exemple, transitions d'état de la particule, transitions liées à un choc, etc… A grande échelle, on constate également des transitions d'état. La naissance d'une étoile doit ainsi être considérée comme une transition. Ce qui la caractérise est non seulement le saut mais le changement qualitatif, structurel. Un nuage de gaz et de poussières peut s'agglomérer, mais, lorsque le noyau atteint 12 millions de degrés, des réactions nucléaires en chaîne ont lieu. Les lois au sein d'une étoile ne ressemblent en rien à celles dans le nuage qui lui a donné naissance. Une étoile est née. C'est un nouvel ordre. Les lois de conservation de l'étole ne sont plus les mêmes que celles du nuage. D'autres transitions suivent, à d'autres niveaux seuils de la température, de la taille et de la composition de l'étoile, qui mènent l'étoile vers d'autres réactions nucléaires et d'autres chocs, la supernova finissant par faire exploser l'étoile et constituer des noyaux lourds des derniers éléments chimiques de la classification de Mendeleïev. L'étude des transitions de phase de la matière indique que la relation entre phases (gaz, liquide, solide) est dynamique et non statique. Aucune portion n'est en permanence en état de fluide ou de solide. Les phases s'échangent, se mêlent, échangent de la matière et de l'énergie, constituent entre elles des frontières dynamiques, passent brutalement d'un état à l'autre. Il n'y a entre elles aucune frontière fixe. Un état ne se maintient que par échange avec un autre. La conservation n'est compréhensible que comme produit de la transformation. La compréhension de la dynamique du mouvement et du changement doit intégrer les contradictions. Ce sont elles qui permettent que la dynamique mène à des structure entièrement nouvelles : émergentes.

Pourquoi parler à ce propos de la dialectique de Hegel ?

G.W.F Hegel écrit dans « La Grande Logique » :

« "La nature ne fait pas de sauts" dit-on ; et l'opinion ordinaire, quand il s'agit de comprendre l'avènement ou la disparition, s'imagine, comme nous l'avons vu, les comprendre en se les représentant comme un avènement ou une disparition graduels. Mais il s'est déjà manifesté que les changements de l'être ne sont pas le passage d'une quantité à une autre quantité, mais le passage du qualitatif au quantitatif et inversement, la transition en un autre qui est une interruption du graduel et un changement qualitatif par rapport à l'être déterminé antérieur. L'eau refroidie ne devient pas peu à peu dure, de façon à se gélifier et à durcir peu à peu jusqu'à la consistance de la glace, mais devient dure d'un seul coup ; ayant déjà atteint la température de la glace, elle peut encore conserver son état liquide si elle demeure immobile, mais à la moindre secousse elle passe alors à l'état solide. (...) De la même façon, des Etats, à cause de leur différence de grandeur, tout autre facteur étant égal, acquièrent un caractère qualitatif différent. Les lois et la constitution deviennent autres quand l'étendue de l'Etat et le nombre de citoyens s'agrandissent. Il y a une mesure quantitative de l'Etat au delà de laquelle il s'écroule intérieurement sous la même constitution qui, avant son extension, faisait son bonheur et sa force.. D'une part, la disparition apparaît comme inattendue quand on peut changer la quantité sans toucher à la qualité et à la mesure, - d'autre part, on croit la rendre intelligible par l'idée de gradualité. On se rabat avec tant de facilité sur cette catégorie pour représenter ou pour expliquer la disparition d'une qualité ou de quelque chose, parce que de cette façon la disparition semble s'accomplir devant vos yeux ; en effet, la quantité étant déterminée comme limite extérieure, la transformation purement quantitative se comprend d'elle-même. Mais en fait on n'explique rien ; la transformation est essentiellement le passage d'une qualité en une autre. (...) Ce qui est faux, c'est le comportement ... de notre conscience ordinaire qui considère une quantité comme une limite indifférente seulement... La ruse du concept consiste à saisir un être déterminé par le côté où sa qualité ne semble pas entrer en jeu. »

G.W.F Hegel écrit aussi dans « La Logique » :

« Quand on veut se représenter l'apparition ou la disparition de quelque chose, on se les représente ordinairement comme une apparition ou une disparition graduelles. Pourtant les transformations de l'être sont non seulement le passage d'une quantité à une autre, mais aussi le passage de la quantité à la qualité et inversement, passage qui, entraînant la substitution d'un phénomène à un autre, est une rupture de progressivité… A la base de la théorie de la progressivité se trouve l'idée que ce qui surgit existe déjà effectivement, et reste imperceptible uniquement à cause de sa petitesse. De même, quand on parle de disparition graduelle d'un phénomène, on se représente que cette disparition est un fait accompli, et que le phénomène qui prend la place du phénomène précédent existe déjà, mais qu'ils ne sont pas encore perceptibles ni l'un ni l'autre… Mais, de cette manière, on supprime en fait toute apparition et toute disparition… Expliquer l'apparition ou la disparition d'un phénomène donné par la progressivité de la transformation, c'est tout ramener à une tautologie fastidieuse, car c'est considérer comme prêt d'avance (c'est-à-dire comme déjà apparu ou disparu) ce qui est en train d'apparaître ou de disparaître. »

G.W.F Hegel écrit encore dans « La Science de la Logique » :

« Les modifications de l'être ne consistent pas seulement en ce qu'il y a passage d'une quantité à une autre quantité, mais aussi en ce qu'il y a passage de la qualité à la quantité et vice versa… Chacun des passages de cette dernière sorte constituant une rupture de la continuité et conférant au phénomène un aspect nouveau, qualitativement différent du précédent… C'est ainsi que l'eau que l'on refroidit se solidifie, non point progressivement… mais d'un coup ; refroidie jusqu'au point de congélation, elle demeure liquide si on la maintient en repos, et il suffit alors de la moindre impulsion pour qu'elle se solidifie instantanément… Dans le monde des phénomènes moraux… il se produit d'identiques passages du quantitatif au qualitatif, ou, autrement dit, les différences de qualité se fondent, là aussi, sur des différences quantitatives. C'est ainsi que l'un-peu-moins et l'un-peu-plus constituent la frontière au-delà de laquelle la légèreté cesse d'être légèreté pour se transformer en quelque chose d'absolument autre : en crime… »

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