Matière et Révolution

Henri Poincaré et le temps

Robert Paris — 2021-01-14T23:05:00Z

Henri Poincaré et la notion de temps

par Eric Emery

Professeur invité à l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, mathématicien et musicien

Introduction

Dans son livre La Valeur de la Science de 1913 (1),
Henri Poincaré consacre un chapitre entier à la notion de
temps en ayant pour visée la mesure du temps. Il est clair
qu'en abordant ce problème, il se situe au sein d'une
lignée de penseurs et de savants qui ont médité sur ce
thème : Platon, Aristote, saint Augustin, etc.
L'apport de Poincaré est à considérer dans le prolongement des travaux de Newton, de Kant, de Wundt et de
Mach ; il est contemporain des contributions de Bergson,
de Husserl et d'Enriques.

Plutôt que de voir comment toutes ces approches
s'accordent ou s'opposent au sujet des recherches d'Einstein en théories de la relativité, il est sans doute plus
enrichissant de prendre connaissance des thèses formulées par Bachelard et par Gonseth. Poincaré dégageait
deux variantes temporelles, celle qui se manifeste dans le
domaine conscientiel et celle qui se prête à la mesure :
temps psychologique et temps physique. Chez Bachelard
et chez Gonseth, ce sont six variantes que l'on met en évidence : trois sur le versant de la subjectivité et trois sur le
versant de l'objectivité, ainsi que nous le montrerons. On
peut vérifier l'idonéité de cette manière d'appréhender les
dimensions temporelles en divers horizons : dans le langage quotidien, en recherche horlogère, en art musical,
en théorie de l'apprentissage et même dans la vie quotidienne. C'est donc l'occasion de dire que le travail raffiné
sur le concept temps permet à l'être humain de mieux se
connaître en sa temporalité.

Comment développer ce sujet sans tomber dans le
piège de la monotonie ? Nous concentrer sur la notion de
temps dans un langage de haute technicité ? Non ! Les
penseurs que nous citerons se sont toujours exprimés en
fonction de leurs options philosophiques ; nous devons le
mettre en clarté tout en étant bref.

Le temps en civilisation gréco-latine

Prenons d'abord Platon. Quand il écrit, dans le Timée
(2), que le temps est une imitation mobile de l'éternité,
il explicite sa thèse d'un monde sensible comme réplique
d'un monde intelligible (imitation et éternité). Ce sont les
astres errants au sein de l'univers qui ont pour mission de
définir les mesures du temps. Platon ajoute : « C'est ainsi
et pour ces motifs qu'ont été engendrés ceux des astres
qui parcourent le Ciel et qui ont des phases. Je veux dire,
afin que le Monde fût aussi semblable que possible au
Vivant parfait et intelligible et pour imiter la substance
éternelle » (39 d-e, pp. 153 et 154).

Que dit Aristote ? Sous certains angles, sa théorie du
temps ne paraît pas étrangère à l'esprit moderne ; mais
elle reste antique : la forme aristotélicienne est en fait
l'Idée considérée comme immanente aux choses et réalisée dans la matière ; les mondes sensible et intelligible
sont associés l'un à l'autre. C'est dans son ouvrage La
Physique (3) que la notion de temps est dégagée ; il l'examine en la mettant en rapport avec la notion de mouve-
ment. Il écrit en particulier ceci : « Le temps n'existe pas
sans le changement ; en effet, quand nous ne subissons
pas de changements dans notre pensée, ou que nous ne les
apercevons pas, il ne nous semble pas qu'il se soit passé
du temps » (p. 149). Et une page plus loin, il donne cette
définition : « Voici ce qu'est le temps : le nombre du mouvement selon l'antérieur-postérieur » (p. 150). On tient ici
l'approche classique qui a été reprise par de nombreux
penseurs.

On pourrait parler du concept temps en le situant au
sein de la pensée chrétienne des premiers siècles. Tournons-nous plutôt vers saint Augustin, vers le Onzième
livre des Confessions (4) si célèbre et souvent cité. C'est le
temps de la conscience qui est évoqué là : « Je cherche, ô
Père, je n'affirme pas » et il poursuit : « Qu'est-ce donc que
le temps ? Quand personne ne me le demande, je le sais ;
dès qu'il s'agit de l'exprimer, je ne le sais plus » (p. 308).
Saint Augustin montre alors les apories liées au passé, au
présent et au futur : le présent, par exemple, sitôt vécu
devient passé. Toutefois, faut-il dire, nous ne mesurons le
temps qu'au moment où il passe, lorsque nous le mesurons par la conscience que nous en avons... Tout le texte
de cette Onzième Confession pourrait être cité ; bien des
penseurs l'ont fait. Mais beaucoup omettent de restituer
la conclusion de saint Augustin ; elle leur paraît peut-être
anodine. Et pourtant, elle parle aux musiciens. Voici la
totalité du propos : « Je veux chanter un morceau que je
sais par coeur : avant de commencer, mon attente se tend
vers l'ensemble du morceau ; dès que j'ai commencé, tout
ce que j'en laisse tomber dans le passé vient tendre aussi
ma mémoire. Toute mon activité est donc tendue vers deux
directions : elle est mémoire par rapport à ce que j'ai dit ;
elle est attente par rapport à ce que je vais dire. Et pourtant
mon attention reste présente, elle par qui ce qui n'était pas
encore passe à ce qui déjà n'est plus... Et ce qui se produit pour l'ensemble du morceau chanté, se produit pour
chacune de ses parties, pour chacune de ses syllabes... ;
pareillement pour la vie entière de l'homme « (p. 324).
Oui, pour le musicien, l'image donnée fait mouche.
Ecoutons Caldara (5).
Peut-être devrions-nous prendre pour témoins certains
penseurs du Moyen Age : Avicenne, Maïmonide, saint
Thomas..

Il en est de même des porte-parole de l'époque dite
moderne : Descartes, Locke, Spinoza, Berkeley, Hume,
Leibniz et Condillac. Je ne retiens, parmi ceux-ci, que
l'approche proposée par Newton.

Newton : le temps vrai
et le temps vulgaire

Dans ses Principes mathématiques de la philosophie
naturelle (6), on voit le physicien anglais opposer radicalement deux notions de temps : « Le temps absolu, vrai et
mathématique, sans relation à rien d'extérieur, coule uni-
formément, et s'appelle la durée. Le temps relatif, apparent et vulgaire, est cette mesure sensible et externe d'une
partie de durée quelconque (égale ou inégale) prise du
mouvement : telles sont les mesures d'heures, de jours,
de mois, etc... dont on se sert ordinairement à la place du
temps vrai » (pp. 7 et 8). Ainsi sera fondé l'emploi que
font les mathématiciens et les physiciens du paramètre t.
Existe-t-il d'ailleurs un mouvement parfaitement uniforme
qui puisse servir de mesure fiable du temps ? Personne
ne peut l'affirmer, ni l'infirmer. On dira cependant - c'est
Newton qui s'exprime : « Le temps absolu doit toujours
couler de la même manière » (p. 10).

Kant, La Critique de la raison pure
et le temps

L'intervention de Kant, eu égard à H. Poincaré, est primordiale. Le philosophe allemand, dans la préface de La
Critique de la raison pure (7), explique son option philosophique : « On avait admis jusqu'ici que toutes nos con-
naissances devaient se régler sur les objets ; mais dans
cette hypothèse, tous nos efforts pour établir à l'égard de
ces objets quelque jugement à priori qui étendît notre connaissance, n'aboutissaient à rien. Que l'on cherche donc
une fois si nous ne serions pas plus heureux dans les problèmes de la métaphysique, en supposant que les objets
se règlent sur notre connaissance, ce qui s'accorde déjà
mieux avec ce que nous désirons expliquer, c'est-à-dire
avec la possibilité d'une connaissance à priori de ces
objets qui établisse quelque chose à leur égard avant même
qu'ils nous soient donnés. Il en est ici comme de l'idée
que conçut Copernic... » (p. 21). Oui, Kant pense que sa
réflexion philosophique et sa théorie de la connaissance
témoignent d'une véritable révolution copernicienne.
C'est dans la deuxième section de l'Esthétique transcendantale que Kant met en lumière son approche de la
notion de temps ; il écrit : « Le temps n'est pas un concept empirique ou qui dérive de quelque expérience. En
effet, la simultanéité et la succession ne tomberaient pas
elles-mêmes sous notre perception, si la représentation
du temps ne lui servait à priori de fondement.[...]. Le
temps est une représentation nécessaire qui sert de fondement à toutes les intuitions. [...] Sur cette nécessité
se fonde à priori la possibilité de principes apodictiques
concernant les rapports du temps, ou d'axiomes du temps
en général, comme ceux-ci : le temps n'a qu'une dimension ; des temps différents ne sont pas simultanés, mais
successifs... Le temps n'est pas un concept discursif, ou,
comme on dit, général, mais une forme pure de l'intuition sensible » (pp. 71 et 72). Cette manière de saisir
le temps semble propre à se soumettre avec succès à
l'épreuve des divers éléments de l'intuition au sein d'une
expérience possible.

Il semble clair que l'apport kantien doit être pris au
sérieux, même si l'on doit le rectifier aujourd'hui eu égard
aux avancées scientifiques du vingtième siècle.
Nous pourrions ici passer en revue, à la suite de Kant,
une véritable galerie de portraits en citant, Schopenhauer,
Hegel, Guyau.

Le temps chez Wundt et chez Mach

Je pense que les recherches de Wundt sur le temps
sont essentielles. On en prend connaissance dans son livre
de 1874 La Psychologie physiologique (8). C'est la première fois, dans l'histoire, que ce concept est placé dans
un contexte précisant. Le savant-penseur a mené pendant
une dizaine d'années un grand nombre d'observations
et d'études de tout genre, en particulier au sujet des
représentations temporelles, toujours liées au jeu des sen-
sations et imbriquées dans le système complet des représentations sensorielles diverses.

Ce sont les questions posées tant par l'origine et le
développement de la notion de temps chez l'être humain
que par la réalité et ses propriétés qui sont étudiées par
Wundt. En fait, nous aurions tendance à dire qu'avec les
travaux du savant allemand la notion de temps se spécifie
dans l'horizon de la psychophysiologie, comme elle s'était
spécifiée chez Newton dans l'horizon de la physique.
Qu'en est-il, selon Wundt, de l'origine et du développement de la notion de temps chez l'être humain ? On
est condamné à ne pas pouvoir répondre si l'on ne discerne pas que les représentations auditives sont associées
à l'éveil du temps, alors que les représentations visuelles
contribuent à la perception de l'espace ; le tactile et le
moteur concernent à la fois les deux concepts. Wundt
focalise sa pensée en ces termes : « L'intuition du temps,
à la vérité, est déjà ébauchée dans la représentation du
mouvement, mais son développement supérieur est absolument lié au sens de l'ouïe » (p. 39).

Et maintenant que dire de la réalité et de la nature du
temps ? Wundt, pour répondre, se penche avec soin sur
l'activité de la conscience et sur le cours des représenta-
tions dont celle-ci est le siège. Mais on demandera : comment définir la conscience ? Selon Wundt, elle consiste
en ceci que nous trouvons en nous des états et des processus dont nous disons que nous en prenons conscience ; il
n'est donc pas opportun de donner une définition explicite.
Dans cette perspective, Wundt parvient à dégager diverses mesures concernant le temps : le temps de la réception simple, celui de la perception, celui de l'aperception,
celui de l'acte volontaire, etc... Dès lors, Wundt précise en
particulier ceci : « Dès que nous ne percevons pas simultanément les impressions et qu'à cette occasion nous les réunissons pour en former une complexion, nous remarquons
toujours un temps intermédiaire plus court ou plus long
qui semble correspondre à l'abaissement d'une représentation et à l'ascension de l'autre représentation. En cela,
la nature psychologique de notre intuition de temps se
révèle, en qualité, de nature discrète » (p. 296).

Il est un autre aspect de la représentation temporelle
qui demande à être signalé, c'est celui que la conscience
prête à la durée lors des évaluations qu'elle en donne :
tendance à la surestimation des petits espaces de temps et
à la sous-estimation des grands ; 0,72 s est la durée pour
laquelle la justesse d'évaluation est la meilleure. Chose
étonnante, c'est la durée que la jambe emploie quand les
mouvements de la marche ne sont ni rapides, ni lents
(andante en musique). Quant aux évaluations des larges
tranches de l'existence, elles sont variées et manifestent
des effets de perspective : « L'heure que nous venons de
passer paraît plus longue qu'une heure du jour d'hier « (p.
323) En outre, le temps court vite pour qui se trouve en
activité prégnante et lentement lorsque plane l'oisiveté ;
la perspective s'inverse dans le souvenir.
Donnons maintenant la parole à Mach ; il entreprit la
critique du temps vrai de Newton et donne une approche
intéressante des sensations temporelles. Les deux ouvrages qu'il laisse à la postérité, sont : La Mécanique (9)
et L'Analyse des sensations (10). On connaît les options
positivistes de Mach ; il en témoigne dans son premier
livre en ces termes : « On y trouvera un travail d'explication critique animé d'un esprit anti-métaphysique » (p.
1). Sa critique du temps vrai est des plus nettes. Newton,
doit-on dire, est encore sous l'influence de la philosophie
du Moyen Age ; il a oublié que tous les phénomènes du
monde sont dans une dépendance réciproque et que l'être
humain lui-même n'est qu'une parcelle de la nature. Conséquence ? Mach l'exprime ainsi : « Nous sommes dans
l'impossibilité absolue de mesurer par le temps les variations des choses. Le temps est bien plutôt une abstraction
à laquelle nous arrivons par ces variations mêmes » (p.
217). Ainsi la notion de mouvement uniforme en soi n'a
aucune signification ; parler d'un temps absolu ou vrai est
dépourvu de sens.

Est-ce à dire que Mach, sous le signe de ses options
anti-métaphysiques, tend à réduire les faits physiologiques à des phénomènes physique ? Non ; il écrit : « Même
les phénomènes qui sont en apparence purement mécaniques sont toujours en même temps physiologiques et par
suite électriques, chimiques, etc. » (p. 478).
On comprend dès lors pourquoi le second ouvrage de
Mach s'intitule Analyse des sensations. Ce sont en effet
les sensations qui, selon lui, sont les véritables éléments
du monde, c'est-à-dire que les objets, la matière, ne sont
rien hors de leur relation avec ces éléments. Par suite, ce
sont les sensations spatiales et temporelles qu'il convient
d'étudier. Il ne fait aucun doute, en particulier, que les
sensations du temps existent, quoiqu'il soit difficile de les
cerner, plus que les sensations de l'espace ; elles sont en
réalité en rapport strict avec l'état de conscience et le travail de l'attention ; elles sont étroitement liées aux pro-
cessus périodiques et rythmiques.

Henri Poincaré et la mesure du temps

Venons-en à l'apport d'Henri Poincaré ; il aborde, lui
aussi, le problème du temps ; mais il le fait en mathématicien et physicien, voire en philosophe ; ce qui retient son
attention, c'est surtout la question de la mesure du temps.
Cette visée est, peut-être, à situer par rapport à la thèse
que défend Bergson : la qualité n'est pas réductible à la
quantité.

Quelques mots donc sur la notion de temps chez
Bergson. Dès son ouvrage intitulé : Essai sur les données immédiates de la conscience (11), qui date de 1889,
l'auteur s'applique à montrer qu'il y a un fossé entre le
quantitatif et le qualitatif ; il écrit par exemple : « Lorsque
nous parlons de temps, nous pensons le plus souvent à un
milieu homogène où nos faits de conscience s'alignent, se
juxtaposent comme dans l'espace » (p. 78). Mais on a tort
de céder ainsi à la pression de la spatialité. Dans un autre
ouvrage La pensée et le mouvant (12), il écrit : « Ecoutons
une mélodie, en nous laissant bercer par elle ; n'avons-
nous pas la perception nette d'un mouvement qui n'est
pas attaché à un mobile, d'un changement sans rien qui
change ? Ce changement se suffit, il est la chose même.
Et il a beau prendre du temps, il est indivisible » (p. 164).
Ecoutons le début de l'Adagio ma non troppo du Con-
certo de Mozart, KW 313 (13).

Continuité ? Là est la question qui fait problème.
Attendons Bachelard pour en parler en détail ; notons ici
que le musicien auditeur est actif ; il peut, certes se laisser
bercer ; mais généralement il construit les formes musicales, il s'approprie l'oeuvre.

Cela noté, allons à Poincaré. C'est dans son livre La
Valeur de la science (1), paru en 1913 qu'il traite du
temps ; il est question des propriétés métriques du temps
et des problèmes de fondement qui s'y rapportent.
Pour Poincaré, la préoccupation philosophique est primordiale : « La recherche de la vérité doit être le but de
notre activité ; c'est la seule fin qui soit digne d'elle » (p.
19). En fait, en parlant de vérité, il associe à la fois vérité
scientifique et vérité morale : « Toutes deux ne sont jamais
fixées : quand on croit les avoir atteintes, on voit qu'il faut
marcher encore, et celui qui les poursuit est condamné à
ne jamais connaître le repos » (p. 20). Elles sont l'objet
d'une quête incessante, pour laquelle l'être humain dispose d'une intelligence faite de logique et d'intuition.
C'est ainsi que le savant-penseur cherche à déchiffrer
les références spatio-temporelles de la nature et de la culture : « Ce n'est pas la nature qui nous les impose, précise
Poincaré, c'est nous qui les imposons à la nature » (p. 21).
Derrière cette affirmation, on voit que Poincaré choisit
Kant comme repère philosophique. Il ajoute une touche :
« C'est nous qui les imposons à la nature parce que nous
les trouvons commodes » (p. 22). On voit poindre ainsi ce
qu'on a appelé le conventionalisme.

Problème de la nature du temps ? Poincaré considère
d'abord cette notion comme un phénomène de conscience
et l'on pense au début de la Onzième Confession de Saint
Augustin quand il écrit : « Tant que l'on ne sort pas du
domaine de la conscience, la notion du temps est relativement claire » (p. 41). On est apte à distinguer la sensation
présente des souvenirs passés et de la prévision des sensations futures : succession et simultanéité sont à l'horizon.
Poincaré poursuit en notant que nous avons à chercher
la réalité. Qu'est-elle ? Il développe, en songeant éventuellement à Mach : « Les physiologistes nous apprennent que
les organismes sont formés de cellules ; les chimistes ajoutent que les cellules elles-mêmes sont formées d'atomes.
Cela veut-il dire que ces atomes ou que ces cellules constituent la réalité ou du moins la seule réalité ? » (p. 35).
Poser la question, c'est ouvrir l'horizon et, en fait, refuser
le positivisme. Poincaré défend en effet l'idée que l'ana-
lyse met, certes, à notre disposition un grand nombre de
procédés ; elle nous offre mille chemins où l'on peut s'en-
gager avec confiance. Mais, si l'on examine de près comment l'être humain mène son analyse, on constate qu'il y
a une faculté qui est nécessaire à l'exploration, à savoir
l'intuition. C'est elle qui donne une vue d'ensemble des
problèmes à résoudre : « elle est nécessaire à celui qui veut
réellement comprendre l'inventeur ; la logique peut-elle
nous la donner ? » (p. 37). Logique et intuition ont l'une et
l'autre leur rôle à jouer ; elles sont indispensables. Encore
faut-il préciser que le mot intuition ne doit pas être pris au
sens vulgaire du terme, mais au sens de Kant.
Revenons au temps ! Poincaré s'exprime en ces termes :
« Nous classons nos souvenirs dans le temps, mais nous
savons qu'il reste des cases vides. Comment cela se pourrait-il si le temps n'était une forme préexistante dans
notre esprit » (p. 42). Encore Kant ! Poincaré poursuit
en étendant l'idée d'une forme individuelle à une forme
dont les autres consciences peuvent aussi témoigner ; et il
ajoute : « Bien plus, nous voulons y faire rentrer les faits
physiques, ces je ne sais quoi dont nous peuplons l'espace et que nulle conscience ne voit directement » (p. 42).
En réalité Poincaré entrevoit deux difficultés pour introduire la mesure du temps : 1° Est-il possible de transfor-
mer un temps psychologique en un temps quantitatif ? 2°
Sommes-nous capables de réduire à une même mesure
des faits qui se passent dans des horizons différents ?
On surmonte la première difficulté en étant conscient
que l'on n'a pas l'intuition directe de deux intervalles
de temps ; on se servira toutefois du pendule en admettant que tous les battements de l'instrument sont d'égale
durée ; ce n'est qu'une première approximation ; ainsi les
meilleures horloges doivent être corrigées ; le jour sidéral
sera l'unité constante de temps. Et nous dirons avec Poincaré : « Des causes à peu près identiques mettent à peu
près le même temps pour produire à peu près les mêmes
effets » (p. 45). Ou mieux encore : « Le temps doit être
défini de telle façon que les équations de la mécanique
soient aussi simples que possible » (p. 46). En d'autres
termes, on choisit la mesure du temps en vue de satisfaire
à des exigences de commodité.

Pour surmonter la seconde difficulté, Poincaré propose un itinéraire d'explications assez subtil, mais long.
Soyons bref : l'astronome admettra que la lumière se propage à une vitesse constante dans toutes les directions.
Et surtout : « On adopte pour la vitesse de la lumière une
valeur telle que les lois astronomiques compatibles avec
cette valeur soient aussi simples que possible » (p. 53).
Dès lors, Poincaré fait le constat suivant : les physiciens
sont amenés à ne point dissocier le problème qualitatif de
la simultanéité du problème quantitatif de la mesure de
temps ; s'ils pensent disposer d'une intuition directe de la
simultanéité et de l'égalité de deux durées, ils s'illusionnent. En fait, on doit suppléer à l'aide d'un certain nombre
de règles qu'on applique sans s'en rendre compte ; mais,
pas de règle générale ! Au reste, voici la conclusion exprimée par Poincaré : « La simultanéité de deux événements,
ou l'ordre de leur succession, l'égalité de deux durées,
doivent être définies de telle sorte que l'énoncé des lois
naturelles soit aussi simple que possible » (p. 54).
Faut-il attribuer au savant-penseur français un scepticisme désespéré, voire un conventionalisme radical ? Il
s'en défend. Voici ce qu'il écrit au terme d'un chapitre
de son livre qu'il consacre à la physique mathématique
et à ses problèmes : « Voilà bien des raisons d'être sceptiques ; devons-nous pousser le scepticisme jusqu'au bout
ou nous arrêter en chemin ? » (p. 151). Poincaré répond
en rejetant l'outrance et il refuse d'affirmer que la science
n'est faite que de conventions. Certains chercheurs, dit-il,
sont allés jusqu'à prétendre que la loi et le fait scientifiques sont créés de toute pièce par les savants : « C'est
là aller beaucoup trop loin dans la voie du nominalisme.
Non, les lois scientifiques ne sont pas des créations artificielles » (p. 23)

Enriques : essai de conciliation
entre Mach et Poincaré

Le point de vue du philosophe italien Enriques sur
le problème du temps s'affirme comme une tentative de
conciliation entre Mach et Poincaré. Consultons le livre
Les Concepts fondamentaux de la science (14), qui met
en lumière la signification réelle et l'acquisition psychologique des concepts d'espace, de temps, de mouvement,
de force, etc.
Dans la préface de l'ouvrage, Enriques dit qu'il offre
son étude comme une contribution à l'édification de la
théorie de la connaissance scientifique ; il a parcouru,
explique-t-il, des domaines étendus en s'efforçant de discerner partout la fonction spécifique de l'esprit qui crée
la science : « parfois, ce sont des données de la physiologie des sciences qui suffisent à rendre compte de certaines
tendances opposées du mouvement scientifique ; ailleurs,
les lois générales de l'association des idées donnent lieu
à un développement univoque de certains concepts plus
fondamentaux » (p. 4). Ainsi, la poussée de l'expérience
et la nature même de l'esprit humain peuvent ensemble
expliquer, dans les grandes lignes, le devenir de la science.
La pensée d'Enriques se précise au fil des premières
pages du livre et l'on voit qu'il conteste aussi bien la doc-
trine kantienne de l'à priori que le conventionalisme de
Poincaré ; c'est l'étude de la genèse historique de la connaissance qui vient à l'avant-scène.

Dans le livre deuxième, Enriques examine de front
le problème du temps et de sa mesure ; il montre que
les concepts premiers de la mécanique sont ordonnés
aux principes de la géométrie. Mais en fait : qu'est-ce
que le temps ? Le penseur italien entre en matière en
écrivant ceci : « Quand deux sensations ou deux groupes
de sensations sont donnés, nous apercevons que l'une est
antérieure et l'autre postérieure ou toutes les deux simultanées » (p. 87). On constate ici que Mach est à l'horizon. Sur cette base intuitive, il est déjà possible de tirer
l'idée de la succession ; de plus, la possibilité est offerte
à l'esprit humain d'attribuer au phénomène temporel une
structure d'ordre qui est condition sine qua non des appréciations quantitatives.

Faisons un pas de plus, en allant vers le concret ; le
temps physique prend son assise à partir des séries phénoménales et des échelles temporelles suggérées par le
jeu des sensations. Enriques précise : « Le temps abstrait,
que nous considérons comme temps physique, suppose
une échelle unique, où tous les phénomènes possibles
trouvent place, à la différence du temps physiologique
qui postule l'échelle des phénomènes perçus » (p. 88). On
constate dès lors que le temps physique se porte garant
d'un double accord, celui des représentations temporel-
les relatives à divers observateurs ainsi que celui des
représentations temporelles relatives à des lieux différents. Le programme ainsi tracé traduit très exactement
l'effort de synthèse qu'Enriques propose pour passer du
point de vue physiologique de Mach au point de vue
logique de Poincaré.

Les variantes temporelles
chez Bachelard et chez Gonseth

Si nous disposions d'une durée de conférence de 75
minutes, nous traiterions le problèmes des variantes temporelles en ouvrant deux chapitres : Bachelard d'abord,
puis Gonseth. Mais comme leurs thèses sont voisines, on
peut les évoquer ensemble. Les deux philosophes situent
leurs études au sein de contextes précisants différents ;
en métaphysique, en physique, en psychologie et en art
musical dans l'ouvrage La Dialectique de la durée (15)
de Bachelard qui date de 1936 ; dans le langage quotidien
et en recherche horlogère dans le livre Le Problème du
temps (16) de Gonseth paru en 1964.

Henri Poincaré, nous l'avons montré tout à l'heure, a
travaillé autour de deux notions : le temps psychologique
et le temps physique. Aussi bien Bachelard que Gonseth
mènent la réflexion en faisant valoir six variantes ; du côté
de la subjectivité : le temps que l'on vit ou le temps existentiel, le temps que l'on ressent ou le temps conscientiel et le temps que l'on construit et structure ou le temps
idéel. Du côté de l'objectivité : le temps chronos, le temps
relationnel et le temps de la montre.

Dans La Dialectique de la durée, Bachelard parle
constamment des trois variantes subjectives ; elles apparaissent en toile de fond en physique, plus nettement en
psychologie et carrément en art musical.

Dans ce dernier domaine, il souligne le fait que la
durée, en musique, est structurée sur des rythmes et non
sur une base temporelle régulière ; une mélodie, la phrase
mozartienne par exemple, témoigne de divers systèmes
d'instants décisifs ; les autres instants se manifestent
comme par grâce. Certes, l'auditeur peut décider en situation donnée de se laisser bercer, comme le dit Bergson,
mais en général il s'approprie la forme musicale en la
construisant comme une oeuvre qu'il veut faire sienne.
Là, c'est la continuité qui prédomine ; ici c'est la fête du
discontinu ; souvent, il y a dialectique du continu et du
discontinu :

Ecoutons notamment le début l'Andante du Concerto
n° 4 pour piano et orchestre de Beethoven (17).
Après avoir écouté attentivement cette séquence du
Concerto, il y a lieu de citer Bachelard : « Sur le plan
musical, il nous faut montrer que ce qui fait la continuité, c'est toujours une dialectique obscure qui appelle
des sentiments à propos d'impressions, des souvenirs à
propos de sensations. Autrement dit, il faut prouver que
le continu de la mélodie, que le continu de la poésie, sont
des reconstructions sentimentales qui s'agglomèrent par
delà la sensation réelle, grâce au flou et à la torpeur de
l'émotion, grâce au mélange confus des souvenirs et des
espérances » (p. 113). On voit ainsi l'oeuvre complexe
que réalise un entrelacs de temps vécu, de temps ressenti
et de temps structuré. Bachelard précise qu'il suffit d'une
inattention à la mélodie pour que son flux s'arrête : les
notes successives ne chantent plus, elles restent insérées
dans la discontinuité qualitative et quantitative où elles
sont élaborées ; on apprend la continuité, on ne l'entend
pas. Plus loin, Bachelard dit encore : « La continuité
se fait à la faveur du groupement. Et c'est ainsi que
la poésie, ou plus généralement la mélodie, dure parce
qu'elle reprend » (p. 115). En fait, le temps pensé accompagne le temps vécu associé au temps ressenti en vue de
donner un sens au message poétique ou musical.
Bachelard, parvenu à ce point de son étude, n'oublie
pas de faire entrer dans son approche de l'art musical ce
que l'on doit aux variantes dites objectives. Il fait mention des travaux de Maurice Emmanuel (de Bar-sur-Aube,
comme lui), qui dénie le caractère primordial des techniques mensuralistes où l'esprit du métronome tue la musique. Bachelard a cette phrase qui dit tout à ce propos :
« Le métronome, c'est le compte-fil, ce n'est pas le métier
à tisser » (p. 117).

Ah ! La tyrannie de la barre de mesure à laquelle certains choeurs et leurs chefs se soumettent pour ne pas
déraper. Le vrai dérapage est, en fait, à la porte : finies
les injonctions nuancées des rythmes, finis les méandres
imprévus de la forme mélodique, finie la musique elle-
même.

Mais alors à quoi sert le chef d'orchestre ? Pourquoi
doit-il agir ? Face à cette dialectique de régularité et de
la liberté, il suscite et anime la pulsation : « Dès l'instant,
note Bachelard, où l'on refuse la référence à une durée
absolue, il est nécessaire d'accepter franchement l'appui
réciproque des rythmes. [...] En fait, les divers instruments
de l'orchestre se soutiennent et s'entraînent les uns les
autres. Le rôle du chef est de rendre plus conscient l'effort
de corrélation des instrumentistes » (pp. 122 et 123). C'est
au temps relationnel que Bachelard pense lorsqu'il parle
de cet effort de corrélation des membres de l'orchestre.
Ainsi, face à Bergson qui désigne la mélodie comme
métaphore de la durée, Bachelard en appelle à la pulsa-
tion, aux rythmes musicaux. Et l'on voit ainsi que, pour
atteindre la vérité du discours musical, le musicien mène
un jeu dialectique très diversifié des variantes temporelles
dont on vient de parler.

Et maintenant, terminons l'exposé en consacrant quelques alinéas aux variantes temporelles chez Gonseth.
A-t-il eu connaissance du livre de Bachelard sur la dialectique de la durée ? Dans son livre intitulé Le Problème
du temps, il ne cite pas son ami. Mais, comme les deux
philosophes ont si souvent travaillé dans le même esprit -
même quand ils ne se connaissaient pas encore - il ne faut
pas s'étonner qu'ils aient, l'un et l'autre, dégagé l'idée
que les dimensions temporelles sont trop subtiles pour
qu'on puisse parler d'un temps ou même de deux en donnant une définition bien explicitée : les variantes temporelles retentissent les unes sur les autres, elles s'opposent
et s'accordent tour à tour.

La démarche de Gonseth concernant la notion de
temps est originale. Son livre comporte deux parties : plus
de 140 pages consacrées à cette étude dans le contexte
de la langue de grande communication, puis plus de 230
pages orientées vers l'approche spécifique de la mesure
du temps, c'est-à-dire vers la recherche horlogère. On
retrouve là certaines questions abordées par H. Poincaré.
Ce qui retient notre attention, c'est la manière dont
Gonseth engage son étude en se situant dans le domaine
du langage quotidien ; ce qu'il montre concerne tout
homme parlant la langue française ou les langues indo-européennes. Voici quelques phrases que l'on prononce
dans la vie courante : je n'ai pas le temps, le temps me
dure, je songe au temps passé avec toi ou je songe au
temps que je passerai avec toi, le temps guérit, le temps
dont je m'approprie pour l'accorder avec celui de mon
ami, le temps que met tel athlète pour parcourir un cent
mètres ou le temps que donne l'horloge du village. Dans
l'ordre des phrases prononcées ici, on dégage les temps
spécifiques suivants : temps existentiel, temps conscientiel, temps idéel, temps chronos, temps relationnel, temps
mesuré ou temps intégré (temps de la montre). Tout cela
est présenté par Gonseth avec beaucoup de nuances et
de nombreux commentaires. Mais son intention n'est
pas de brosser une galerie de portraits, il veut illustrer
le fait que le concept est à saisir, dans le langage quo-
tidien, comme le résultat d'une synthèse dialectique ou
comme une tentative de l'insérer dans le discours considéré comme milieu synthétique.

Voici en effet d'autres phrases : hâtons-nous, car le
temps fuit ; j'ai revécu par la pensée ces interminables
minutes d'attente ; les heures m'ont paru brèves. Gonseth
commente : « Ce que nous cherchons à faire comprendre,
c'est que l'activité discursive qui constitue les sens globaux a tous les caractères d'une synthèse dialectique au
niveau du discursif. Lorsqu'on dit que le temps nous est
mesuré, l'analyse pourrait retrouver sous le mot temps
plusieurs acceptions. [...]. Le discours renonce ici à opérer
des distinctions. Il confond les sens pour les identifier
sous le même mot » (p. 82). La synthèse dialectique que
suscite l'emploi du mot temps, inséré dans le discours
courant, suppose des opérations variées : elle oppose des
significations, les identifie, les projette les unes sur les
autres.

Dans les pages qui suivent, Gonseth examine de près
comment le temps est à saisir au niveau de l'adverbe et du
verbe.

Laissons maintenant l'approche assez technique du
langage courant ; faisons plutôt un constat de synthèse en
citant Gonseth : « Nous avons recherché de quelles significations le mot temps peut être revêtu dans une langue telle
que le français couramment écrit ou parlé. Une recherche de ce genre ne devait-elle pas fatalement rencontrer et
dégager une notion générale de temps que ce mot aurait
à lui seul le pouvoir d'évoquer ? On aurait pu s'y attendre : certaines philosophies du langage le suggèrent. [...]
Notre analyse n'a cependant pas répondu à cette attente et
n'a pas rencontré de substance discursive correspondant
à une notion générale de cette nature. Ce qu'elle a découvert, ce que le langage a offert à sa recherche, c'est tout
un éventail d'emplois du mot temps et tout un spectre de
significations correspondantes » (p. 135).

Une remarque au sujet de la seconde partie du livre
de Gonseth : au sein de la recherche horlogère, les variantes suivantes sont sollicitées : le temps mathématique, le
temps mesuré et le temps intuitif. Cette dernière variante,
qui pourrait paraître inattendue, mérite d'être présentée ;
Gonseth en parle ainsi : « C'est le résultat d'un arbitrage
dont la conscience semble être le siège entre l'autorité du
sentiment, la liberté de l'imagination et l'objectivité de la
perception aux fins d'un action efficace » (p. 265). Pour
mieux se faire comprendre Gonseth parle - en plus de dix
pages - du temps des abeilles, de leurs danses, de leurs
horloges internes. A défaut de connaître les rudiments de
la chronobiologie, il s'exprime ainsi : « On dira que le
temps intuitif n'est pas simplement un temps inscrit dans
les différents rythmes dont notre organisme est le siège :
dans le rythme normal du coeur, dans le rythme des pulsations électriques du cerveau, dans le rythme de la respiration, etc. Pour que ces rythmes restent synchronisés
et pour qu'on puisse parler de leur fréquence normale,
il faut bien que tout notre corps, pris comme un tout,
soit plus ou moins comparable à une horloge construite
dans le but exprès de réaliser un rythme régulier. Mais le
temps intuitif n'est pas le temps sourdement et profondément vécu par notre organisme, même si nous n'y prêtons
aucune attention. C'est un temps auquel notre conscience
est ouverte » (p. 280).

Autorité du sentiment (temps conscientiel), liberté
de l'imagination (temps idéel) et objectivité de la perception (temps existentiel) ! Voilà trois ingrédients qui
évoquent une certaine complétude de l'humaine condition ; il me semble que J.- S. Bach, par son Air admirable
de la Suite n° 3 en ré majeur, BWV 1063, exprime musicalement cette dialectique des trois variantes subjectives. Vous connaissez certainement tous cette pièce, à
juste titre très célèbre ; vous pouvez vous la chanter intérieurement en guise de conclusion et avec une volonté
d'ouvrir l'horizon.

Références bibliographiques

1 POINCARÉ
H., La Valeur de la science, Flammarion, Paris,
1913 et 1970.

2 PLATON
, Le Timée, in Oeuvres complètes, t. II, Bibl. de la
Pléiade, Paris, 1950.

3 ARISTOTE
, La Physique, t. I et II, Les Belles Lettres, Paris,
1926.

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(
SAINT
), Les Confessions, Livres IX - XIII, t. II ;
Les Belles Lettres, Paris, 1926.

5 CALDARA
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6 NEWTON
, Principes mathématiques de la philosophie natu-
relle, t. I et II, Lambert, Paris, 1759.

7 KANT
, La Critique de la raison pure, t. I et II, Gibert, Paris.

8 WUNDT
, La Psychologie physiologique, t. I et II, Alcan,
Paris, 1886.

9 MACH
, La Mécanique, Hermann, Paris, 1904.

10 MACH
, L'Analyse des sensations, Fricker, Jena, 1906.

11 BERGSON
, Essai sur les données immédiates de la cons-
cience, PUF, Paris, 1945.

12 BERGSON
, La Pensée et le mouvant, PUF, Paris, 1950.

13 MOZART
, Adagio ma non troppo du Concerto pour flûte, KW
313.

14 ENRIQUES
, Les Concepts fondamentaux de la science, Flam-
marion, Paris, 1913. (L'original paru en italien Problemi
della Scienza date de 1906 ; la première partie de cet
ouvrage a été éditée sous le titre Les Problèmes de la science
et de la logique.)

15 BACHELARD
, La Dialectique de la durée, PUF, Paris, 1963.

16 GONSETH
, Le Problème du temps, Le Griffon, Neuchâtel,
1964.

17 BEETHOVEN
, Andante du Concerto n° 4 pour piano.

Autobiographie d'Ilya Prigogine

Robert Paris — 2020-10-02T22:05:00Z

Autobiographie d'Ilya Prigogine

Dans sa mémorable série "Etudes sur le temps humain", Georges Poulet consacre un volume à la "Mesure de l'instant" 1. Il y propose une classification des auteurs selon l'importance qu'ils accordent au passé, au présent et au futur. Je crois que dans une telle typologie, ma position serait extrême, car je vis principalement dans le futur. Et donc ce n'est pas une tâche trop facile d'écrire ce récit autobiographique, auquel je voudrais donner un ton personnel. Mais le présent explique le passé.

Dans ma conférence Nobel, je parle beaucoup des fluctuations ; ce n'est peut-être pas sans rapport avec le fait qu'au cours de ma vie j'ai ressenti l'efficacité de coïncidences frappantes dont les effets cumulatifs sont visibles dans mon travail scientifique.

Je suis né à Moscou, le 25 janvier 1917 - quelques mois avant la révolution. Ma famille avait une relation difficile avec le nouveau régime et nous avons donc quitté la Russie dès 1921. Pendant quelques années (jusqu'en 1929), nous avons vécu comme migrants en Allemagne, avant de rester définitivement en Belgique. C'est à Bruxelles que j'ai fait mes études secondaires et universitaires. J'ai acquis la nationalité belge en 1949.

Mon père, Roman Prigogine, décédé en 1974, était ingénieur chimiste à l'École polytechnique de Moscou. Mon frère Alexander, né quatre ans avant moi, a suivi, comme moi-même, le cursus de chimie de l'Université Libre de Bruxelles. Je me rappelle combien j'ai hésité avant de choisir cette direction ; en quittant la section classique (gréco-latine) d'Ixelles Athenaeum, mon intérêt était plus porté sur l'histoire et l'archéologie, sans parler de la musique, notamment du piano. Selon ma mère, j'ai pu lire des partitions musicales avant de lire des mots imprimés. Et aujourd'hui, mon passe-temps favori est toujours le piano, bien que mon temps libre pour la pratique devienne de plus en plus restreint.

Depuis mon adolescence, j'ai lu de nombreux textes philosophiques, et je me souviens encore du sort "L'évolution créatrice" qui m'a frappé. Plus précisément, je sentais qu'un message essentiel était intégré, encore à rendre explicite, dans la remarque de Bergson :

"Plus nous étudions en profondeur la nature du temps, mieux nous comprenons que la durée signifie invention, création de formes, élaboration continue de l'absolument nouveau."

Des coïncidences heureuses ont fait le choix pour mes études à l'université. En effet, ils m'ont conduit dans une direction presque opposée, vers la chimie et la physique. Et donc, en 1941, on m'a conféré mon premier doctorat. Très vite, deux de mes professeurs devaient exercer une influence durable sur l'orientation de mon futur travail.

Je mentionnerai d'abord Théophile De Donder (1873-1957) .2 Quel aimable personnage il était ! Né fils d'un instituteur, il débute sa carrière de la même manière et obtient (en 1896) le titre de docteur en sciences physiques, sans jamais avoir suivi aucun enseignement à l'université.

Ce n'est qu'en 1918 - il avait alors 45 ans - que De Donder a pu consacrer son temps à l'enseignement supérieur, après avoir été pendant quelques années nommé instituteur. Il est ensuite promu professeur au Département des sciences appliquées et entame sans délai la rédaction d'un cours de thermodynamique théorique pour les ingénieurs.

Permettez-moi de vous donner plus de détails, car c'est dans cette circonstance même que nous devons associer la naissance de l'école thermodynamique de Bruxelles.

Pour bien comprendre l'originalité de l'approche de De Donder, je dois rappeler que depuis le travail fondamental de Clausius, le deuxième principe de la thermodynamique a été formulé comme une inégalité : la "chaleur non compensée" est positive - ou, en termes plus récents, la production d'entropie est positive. Cette inégalité renvoie bien entendu à des phénomènes irréversibles, comme tout processus naturel. À cette époque, ces derniers étaient mal compris. Ils sont apparus aux ingénieurs et physico-chimistes comme des phénomènes "parasites", qui ne pouvaient qu'entraver quelque chose : ici la productivité d'un processus, là la croissance régulière d'un cristal, sans présenter d'intérêt intrinsèque. Ainsi, l'approche habituelle était de limiter l'étude de la thermodynamique à la compréhension des lois d'équilibre, pour lesquelles la production d'entropie est nulle.

Cela ne pouvait que faire de la thermodynamique une "thermostatique". Dans ce contexte, le grand mérite de De Donder est qu'il a extrait la production d'entropie de ce "sfumato" lorsqu'il l'a liée de manière précise au rythme d'une réaction chimique, grâce à l'utilisation d'une nouvelle fonction qu'il devait appeler "affinité" .3

Il est difficile aujourd'hui de rendre compte de l'hostilité qu'une telle approche devait rencontrer. Par exemple, je me souviens que vers la fin de 1946, lors de la réunion IUPAP de Bruxelles 4, après une présentation de la thermodynamique des processus irréversibles, un spécialiste de grande renommée m'a dit, en substance : "Je suis surpris que vous accordiez plus d'attention aux phénomènes irréversibles, qui sont essentiellement transitoires, qu'au résultat final de leur évolution, l'équilibre. "

Heureusement, certains éminents scientifiques ont dérogé à cette attitude négative. J'ai reçu beaucoup de soutien de personnes comme Edmond Bauer, le successeur de Jean Perrin à Paris, et Hendrik Kramers à Leyde.

De Donder, bien sûr, avait des précurseurs, notamment à l'école française de thermodynamique de Pierre Duhem. Mais dans l'étude de la thermodynamique chimique, De Donder est allé plus loin et a donné une nouvelle formulation du deuxième principe, basée sur des concepts tels que l'affinité et le degré d'évolution d'une réaction, considérés comme une variable chimique.

Étant donné mon intérêt pour la notion de temps, il était naturel que mon attention se soit concentrée sur le deuxième principe, car j'ai senti dès le départ qu'il introduirait un nouvel élément inattendu dans la description de l'évolution du monde physique. C'était sans doute la même impression que des physiciens illustres tels que Boltzmann5 et Planck6 auraient ressentis avant moi. Une grande partie de ma carrière scientifique serait ensuite consacrée à l'élucidation des aspects macroscopiques et microscopiques du second principe, afin d'étendre sa validité à de nouvelles situations, et aux autres approches fondamentales de la physique théorique, telles que la physique classique et dynamique quantique.

Avant d'examiner ces points plus en détail, je voudrais souligner l'influence exercée sur mon développement scientifique par le second de mes professeurs, Jean Timmermans (1882-1971). Il était plutôt un expérimentateur, particulièrement intéressé par les applications de la thermodynamique classique aux solutions liquides, et en général aux systèmes complexes, conformément à l'approche de la grande école néerlandaise de thermodynamique de van der Waals et Roozeboom7.

De cette façon, j'ai été confronté à l'application précise des méthodes thermodynamiques et j'ai pu comprendre leur utilité. Au cours des années suivantes, j'ai consacré beaucoup de temps à l'approche théorique de ces problèmes, qui appelait à l'utilisation de méthodes thermodynamiques ; Je veux dire la théorie des solutions, la théorie des états correspondants et des effets isotopiques dans la phase condensée. Une recherche collective avec V. Mathot, A. Bellemans et N. Trappeniers a permis de prédire de nouveaux effets tels que la démixtion isotopique de l'hélium He3 + He4, qui correspondaient parfaitement aux résultats de recherches ultérieures. Cette partie de mon travail est résumée dans un livre écrit en collaboration avec V. Mathot et A. Bellemans, The Molecular Theory of Solutions. 8

Mon travail dans ce domaine de la chimie physique a toujours été pour moi un plaisir spécifique, car le lien direct avec l'expérimentation permet de tester l'intuition du théoricien. Les succès que nous avons rencontrés ont fourni la confiance qui était plus tard indispensable dans ma confrontation à des problèmes plus abstraits et complexes.

Enfin, parmi toutes ces perspectives ouvertes par la thermodynamique, celle qui devait garder mon intérêt était l'étude des phénomènes irréversibles, qui rendait si manifeste la "flèche du temps". Dès le début, j'ai toujours attribué à ces processus un rôle constructif, en opposition à l'approche standard, qui ne voyait dans ces phénomènes que dégradation et perte de travail utile. Était-ce l'influence de "L'évolution créatrice" de Bergson ou la présence à Bruxelles d'une école de biologie théorique performante ? 9 Le fait est qu'il m'est apparu que les êtres vivants nous fournissaient des exemples frappants de systèmes très organisés et où des phénomènes irréversibles ont joué un rôle essentiel.

De telles connexions intellectuelles, bien que plutôt vagues au départ, ont contribué à l'élaboration, en 1945, du théorème de la production d'entropie minimale, applicable aux états stationnaires hors équilibre.10 Ce théorème donne une explication claire de l'analogie qui reliait la stabilité de les états thermodynamiques d'équilibre et la stabilité des systèmes biologiques, comme celui exprimé dans le concept d '"homéostasie" proposé par Claude Bernard. C'est pourquoi, en collaboration avec JM Wiame 11, j'ai appliqué ce théorème à la discussion de quelques problèmes importants en biologie théorique, à savoir l'énergétique de l'évolution embryologique. Comme nous le savons mieux aujourd'hui, dans ce domaine, le théorème peut au mieux donner une explication de certains phénomènes "tardifs", mais il est remarquable qu'il continue d'intéresser de nombreux expérimentateurs.12

Dès le début, je savais que la production d'entropie minimale n'était valable que pour la branche linéaire des phénomènes irréversibles, celle à laquelle s'appliquent les fameuses relations de réciprocité d'Onsager.13 Et, ainsi, la question était : qu'en est-il des états stationnaires loin de l'équilibre, pour lequel les relations d'Onsager ne sont pas valables, mais qui relèvent encore de la description macroscopique ? Les relations linéaires sont de très bonnes approximations pour l'étude des phénomènes de transport (conductivité thermique, thermodiffusion, etc.), mais ne sont généralement pas valables pour les conditions de cinétique chimique. En effet, l'équilibre chimique est assuré par la compensation de deux processus antagonistes, alors qu'en cinétique chimique - loin de l'équilibre, hors de la branche linéaire - on est généralement confronté à la situation inverse, où l'un des processus est négligeable.

Malgré ce caractère local, la thermodynamique linéaire des processus irréversibles avait déjà conduit à de nombreuses applications, comme l'ont montré des personnes telles que J.Meixner, 14 SR de Groot et P. Mazur, 15 et, dans le domaine de la biologie, A. Katchalsky. 16 C'était pour moi une incitation supplémentaire lorsque je devais faire face à des situations plus générales. Ces problèmes nous ont confrontés pendant plus de vingt ans, entre 1947 et 1967, jusqu'à ce que nous arrivions enfin à la notion de "structure dissipative". 17

Non pas que la question soit intrinsèquement difficile à traiter ; juste que nous ne savions pas nous orienter. C'est peut-être une caractéristique de mon travail scientifique que les problèmes mûrissent lentement, puis présentent une évolution soudaine, de telle sorte qu'un échange d'idées avec mes collègues et collaborateurs devient nécessaire. Au cours de cette phase de mon travail, l'esprit original et enthousiaste de mon collègue Paul Glansdorff a joué un rôle majeur.

Notre collaboration devait donner naissance à un critère général d'évolution qui est loin d'être utilisé dans la branche non linéaire, hors du domaine de validité du théorème de production d'entropie minimale. Les critères de stabilité qui en ont résulté devaient conduire à la découverte d'états critiques, avec changement de branche et apparition possible de nouvelles structures. Cette manifestation tout à fait inattendue des processus de "l'ordre des désordres", loin de l'équilibre, mais conforme à la seconde loi de la thermodynamique, allait changer en profondeur son interprétation traditionnelle. En plus des structures d'équilibre classiques, nous sommes maintenant confrontés à des structures cohérentes dissipatives, pour des conditions suffisamment éloignées de l'équilibre. Une présentation complète de ce sujet peut être trouvée dans mon livre de 1971 co-écrit avec Glansdorff.18

Dans une première étape provisoire, nous avons pensé principalement aux applications hydrodynamiques, en utilisant nos résultats comme outils de calcul numérique. Ici, l'aide de R. Schechter de l'Université du Texas à Austin a été très précieuse.19 Ces questions restent largement ouvertes, mais notre centre d'intérêt s'est déplacé vers les systèmes de dissipation chimique, qui sont plus faciles à étudier que les processus convectifs.

Néanmoins, une fois que nous avons formulé le concept de structure dissipative, une nouvelle voie s'est ouverte à la recherche et, à partir de ce moment, nos travaux ont montré une accélération saisissante. Cela était dû à la présence d'une heureuse réunion des circonstances ; principalement à la présence dans notre équipe d'une nouvelle génération de jeunes scientifiques intelligents. Je ne peux pas mentionner ici toutes ces personnes, mais je tiens à souligner le rôle important joué par deux d'entre elles, R. Lefever et G. Nicolis. C'est avec eux que nous avons été en mesure de construire un nouveau modèle cinétique, qui se révélerait à la fois assez simple et très instructif - le "Brusselator", comme J. Tyson l'appellera plus tard - et qui manifester l'étonnante variété de structures générées par les processus de diffusion-réaction.20

C'est le lieu de rendre hommage au travail de pionnier de feu A. Turing, 21 ans qui, depuis 1952, avait fait des commentaires intéressants sur la formation des structures liées aux instabilités chimiques dans le domaine de la morphogenèse biologique. J'avais rencontré Turing à Manchester environ trois ans auparavant, à une époque où MG Evans, qui devait mourir trop tôt, avait construit un groupe de jeunes scientifiques, dont certains allaient devenir célèbres. Ce n'est que longtemps après que j'ai rappelé les commentaires de Turing sur ces questions de stabilité, car, peut-être trop préoccupé par la thermodynamique linéaire, je n'étais alors pas assez réceptif.

Revenons aux circonstances qui ont favorisé le développement rapide de l'étude des structures dissipatives. L'attention des scientifiques a été attirée sur les structures de non-équilibre cohérentes après la découverte de réactions chimiques oscillantes expérimentales telles que la réaction de Belusov-Zhabotinsky ; 22 l'explication de son mécanisme par Noyes et ses collègues ; 23 l'étude des réactions oscillantes en biochimie (par exemple le cycle glycolytique, étudié par B. Chance24 et B. Hess25) et finalement les importantes recherches menées par M. Eigen.26 Par conséquent, depuis 1967, nous avons été confrontés à un grand nombre d'articles sur ce sujet, en contraste avec l'absence totale d'intérêt qui prévalait lors des périodes précédentes.

Mais l'introduction du concept de structure dissipative devait également avoir d'autres conséquences inattendues. Il était évident dès le départ que les structures sortaient des fluctuations. Ils sont apparus en fait comme des fluctuations géantes, stabilisées par des échanges de matière et d'énergie avec le monde extérieur. Depuis la formulation du théorème de production d'entropie minimale, l'étude de la fluctuation hors équilibre avait retenu toute mon attention.27 Il était donc tout naturel que je reprenne ce travail afin de proposer une extension du cas de la chimie loin de l'équilibre réactions.

J'ai proposé ce sujet à G. Nicolis et A. Babloyantz. Nous nous attendions à trouver pour les états stationnaires une distribution de Poisson similaire à celle prédite pour les fluctuations d'équilibre par les célèbres relations d'Einstein. Nicolis et Babloyantz ont développé une analyse détaillée des réactions chimiques linéaires et ont pu confirmer cette prédiction.28 Ils ont ajouté quelques remarques qualitatives qui suggéraient la validité de ces résultats pour toute réaction chimique.

En considérant à nouveau les calculs pour l'exemple d'une réaction biomoléculaire non linéaire, j'ai remarqué que cette extension n'était pas valide. Une analyse plus approfondie, où G. Nicolis a joué un rôle clé, a montré qu'un phénomène inattendu est apparu alors que l'on considérait le problème de fluctuation dans les systèmes non linéaires loin de l'équilibre : la loi de distribution des fluctuations dépend de leur échelle, et seules les « petites fluctuations » suivent la loi proposée par Einstein.29 Après une réception prudente, ce résultat est désormais largement accepté, et la théorie des fluctuations hors équilibre se développe pleinement maintenant, afin de nous permettre d'attendre des résultats importants dans les années à venir. Ce qui est déjà clair aujourd'hui, c'est qu'un domaine tel que la cinétique chimique, qui était considérée comme conceptuellement fermée, doit être repensé en profondeur, et qu'une toute nouvelle discipline, traitant des transitions de phase hors équilibre, fait son apparition.30, 31, 32

Les progrès de la théorie des phénomènes irréversibles nous conduisent également à reconsidérer leur insertion dans la dynamique classique et quantique. Jetons un nouveau regard sur la mécanique statistique d'il y a quelques années. Dès le début de mes recherches, j'avais eu l'occasion d'utiliser des méthodes conventionnelles de mécanique statistique pour des situations d'équilibre. De telles méthodes sont très utiles pour l'étude des propriétés thermodynamiques des solutions de polymère ou des isotopes. Ici, nous traitons principalement de problèmes de calcul simples, car les outils conceptuels de la mécanique statistique de l'équilibre sont bien établis depuis les travaux de Gibbs et Einstein. Mon intérêt pour le non-équilibre me conduirait par nécessité au problème des fondements de la mécanique statistique, et surtout à l'interprétation microscopique de l'irréversibilité33.

Depuis mon premier diplôme en sciences, j'étais un lecteur enthousiaste de Boltzmann, dont la vision dynamique du devenir physique était pour moi un modèle d'intuition et de pénétration. Néanmoins, je n'ai pu que constater quelques aspects insatisfaisants. Il était clair que Boltzmann avait introduit des hypothèses étrangères à la dynamique ; sous de telles hypothèses, parler d'une justification dynamique de la thermodynamique me paraissait pour le moins excessif. À mon avis, l'identification de l'entropie avec le désordre moléculaire ne pourrait contenir qu'une partie de la vérité si, comme je persistais à penser, les processus irréversibles étaient dotés de ce rôle constructif que je ne cesse de leur attribuer. Pour une autre partie, les applications des méthodes de Boltzmann se limitaient aux gaz dilués, alors que j'étais plus intéressé par les systèmes condensés.

À la fin des années quarante, un grand intérêt a été suscité dans la généralisation de la théorie cinétique aux milieux denses. Après les travaux pionniers d'Yvon34, les publications de Kirkwodd35, Born and Green36, et de Bogoliubov37 ont attiré beaucoup d'attention sur ce problème, qui devait conduire à la naissance de la mécanique statistique hors équilibre. Comme je ne pouvais pas rester étranger à ce mouvement, j'ai proposé à G. Klein, un disciple de Fürth qui est venu travailler avec moi, d'essayer d'appliquer la méthode de Born and Green à un exemple concret et simple, dans lequel l'approche de l'équilibre a fait pas conduire à une solution exacte. Ce fut notre première étape provisoire dans la mécanique statistique hors équilibre.38 Ce fut finalement un échec, avec la conclusion que le formalisme de Born et Green n'a pas conduit à une extension satisfaisante de la méthode de Boltzmann aux systèmes denses.

Mais cet échec n'était pas total, car il m'a conduit, lors d'un travail ultérieur, à une première question : était-il possible de développer une théorie dynamique "exacte" des phénomènes irréversibles ? Tout le monde sait que selon le point de vue classique, l'irréversibilité résulte d'approximations supplémentaires aux lois fondamentales des phénomènes élémentaires, qui sont strictement réversibles. Ces approximations supplémentaires ont permis à Boltzmann de passer d'une description dynamique et réversible à une description probabiliste, afin d'établir son célèbre théorème H.

Nous avons encore rencontré cette attitude négative de « passivité » imputée aux phénomènes irréversibles, attitude que je ne pouvais partager. Si - comme j'étais disposé à le penser - des phénomènes irréversibles jouent effectivement un rôle actif et constructif, leur étude ne saurait se réduire à une description en termes d'approximations supplémentaires. De plus, mon opinion était que dans une bonne théorie, un coefficient de viscosité présenterait autant de signification physique qu'une chaleur spécifique, et la durée de vie moyenne d'une particule autant que sa masse.

Je me suis senti confirmé dans cette attitude par les publications remarquables de Chandrasekhar et von Neumann, également parues dans les années 40. C'est pourquoi, toujours avec l'aide de G. Klein, j'ai décidé de jeter un regard neuf sur un exemple déjà étudié. par Schrödinger, 40 concernant la description d'un système d'oscillateurs harmoniques. Nous avons été surpris de voir que, pour tout un modèle aussi simple qui nous a permis de conclure, cette classe de systèmes tend à s'équilibrer. Mais comment généraliser ce résultat aux systèmes dynamiques non linéaires ?

Ici, la performance véritablement historique de Léon van Hove nous a ouvert la voie (1955) .41 Je me souviens, avec un plaisir toujours nouveau, du temps - trop court - pendant lequel van Hove a travaillé avec notre groupe. Certains de ses travaux ont eu un effet durable sur l'ensemble du développement de la physique statistique ; Je veux dire non seulement son étude de la déduction d'une "équation maîtresse" pour les systèmes anharmoniques, mais aussi sa contribution fondamentale sur les transitions de phase, qui devait conduire à la branche de la mécanique statistique qui traite des résultats dits "exacts" .42

Cette première étude de van Hove s'est limitée aux systèmes anharmoniques faiblement couplés. Mais de toute façon, le chemin était ouvert, et avec certains de mes collègues et collaborateurs, principalement R. Balescu, R. Brout, F. Hénin et P. Résibois, nous avons réalisé une formulation de la mécanique statistique hors équilibre à partir d'un point purement dynamique de vue, sans aucune hypothèse probabiliste. La méthode que nous avons utilisée est résumée dans mon livre de 196243. Elle conduit à une « dynamique des corrélations », car la relation entre interaction et corrélation constitue la composante essentielle de la description. Depuis lors, ces méthodes ont conduit à de nombreuses applications. Sans donner plus de détails, je me limiterai ici à mentionner deux livres récents, l'un de R. Balescu, 44 l'autre de P. Résibois et M. De Leener.45

Ceci a conclu la première étape de mes recherches en mécanique statistique hors équilibre. La seconde se caractérise par une très forte analogie avec l'approche des phénomènes irréversibles qui nous a conduits de la thermodynamique linéaire à la thermodynamique non linéaire. Dans cette étape provisoire également, j'ai été poussé par un sentiment d'insatisfaction, car la relation avec la thermodynamique n'a pas été établie par nos travaux en mécanique statistique, ni par aucune autre méthode. Le théorème de Boltzmann était toujours aussi isolé que jamais, et la question de la nature des systèmes dynamiques auxquels s'applique la thermodynamique était toujours sans réponse.

Le problème était de loin plus large et plus complexe que les considérations plutôt techniques auxquelles nous étions parvenus. Il a touché la nature même des systèmes dynamiques et les limites de la description hamiltonienne. Je n'aurais jamais osé aborder un tel sujet si je n'avais pas été stimulé par des discussions avec des amis très compétents comme feu Léon Rosenfeld de Copenhague ou G. Wentzel de Chicago. Rosenfeld a fait plus que me donner des conseils ; il était directement impliqué dans l'élaboration progressive des concepts que nous devions explorer pour construire une nouvelle interprétation de l'irréversibilité. Plus que toute autre étape de ma carrière scientifique, celle-ci est le fruit d'un effort collectif. Je n'aurais pas pu réussir sans l'aide de mes collègues M. de Haan, Cl. George, A. Grecos, F. Henin, F. Mayné, W. Schieve et M. Theodosopulu. Si l'irréversibilité ne résulte pas d'approximations supplémentaires, elle ne peut être formulée que dans une théorie des transformations qui exprime en termes « explicites » ce que la formulation habituelle de la dynamique « cache ». Dans cette perspective, l'équation cinétique de Boltzmann correspond à une formulation de la dynamique dans une nouvelle représentation.46, 47, 48, 49

En conclusion : la dynamique et la thermodynamique deviennent deux descriptions complémentaires de la nature, liées par une nouvelle théorie de la transformation non unitaire. J'en suis venu à mes préoccupations actuelles ; et il est donc temps de mettre fin à cette autobiographie intellectuelle. Alors que nous partions de problèmes spécifiques, tels que la signification thermodynamique des états stationnaires hors équilibre ou des phénomènes de transport dans les systèmes denses, nous avons été confrontés, presque contre notre volonté, à des problèmes de grande généralité et de complexité, qui appellent à reconsidérer la relation des structures physico-chimiques aux structures biologiques, alors qu'elles expriment les limites de la description hamiltonienne en physique.

En effet, tous ces problèmes ont un élément commun : le temps. Peut-être que l'orientation de mon travail est venue du conflit né de ma vocation humaniste d'adolescent et de l'orientation scientifique que j'ai choisie pour ma formation universitaire. Presque par instinct, je me suis tourné plus tard vers des problèmes de complexité croissante, peut-être dans la conviction que je pourrais y trouver une jonction en sciences physiques d'une part, et en biologie et sciences humaines d'autre part.

De plus, les recherches menées avec mon ami R. Herman sur la théorie de la circulation automobile50 m'ont confirmé la supposition que même le comportement humain, avec toute sa complexité, serait éventuellement susceptible d'une formulation mathématique. De cette façon, la dichotomie des "deux cultures" pourrait et devrait être supprimée. Cela correspondrait à la percée des biologistes et des anthropologues vers la description moléculaire ou les « structures élémentaires », si l'on veut utiliser la formulation de Lévi-Strauss, un mouvement complémentaire du physico-chimiste vers la complexité. Le temps et la complexité sont des concepts qui présentent des relations mutuelles intrinsèques.

Au cours de sa conférence inaugurale, De Donder a parlé en ces termes : 51 "La physique mathématique représente l'image la plus pure que la vision de la nature puisse générer dans l'esprit humain ; cette image présente tout le caractère du produit de l'art ; elle engendre une certaine unité, elle est vrai et a la qualité de la sublimité ; cette image est à la nature physique ce qu'est la musique aux mille bruits dont l'air est plein ... "

Filtrer la musique hors du bruit ; l'unité de l'histoire spirituelle de l'humanité, comme l'a souligné M. Eliade, est une découverte récente qui doit encore être assimilée.52 La recherche de ce qui est significatif et vrai par opposition au bruit est une étape provisoire qui semble intrinsèquement intrinsèque. lié à la prise de conscience de l'homme face à une nature dont il fait partie et qu'il laisse.

J'ai maintes fois prôné le dialogue nécessaire dans l'activité scientifique, et donc l'importance vitale de mes collègues et collaborateurs dans le parcours que j'ai tenté de décrire. Je voudrais également souligner le soutien continu que j'ai reçu des institutions qui ont rendu ce travail réalisable, en particulier l'Université Libre de Bruxelles et l'Université du Texas à Austin. Pour tout le développement de ces idées, l'Institut international de physique et de chimie fondé par E. Solvay (Bruxelles, Belgique) et la Fondation Welch (Houston, Texas) m'ont apporté un soutien continu.

Le travail d'un théoricien est directement lié à toute sa vie. Il faut, je crois, une certaine paix intérieure pour trouver un chemin entre toutes les bifurcations successives. Cette paix que je dois à ma femme, Marina. Je connais la fragilité du présent, mais aujourd'hui, vu l'avenir, je me sens être un homme heureux.

Références 1. G. Poulet, Etudes sur le temps humain, Tone 4, Edition 10/18, Paris, 1949. 2. Voir la note sur De Donder dans le Florilège (pedant le XIXe siècle et le début du XXe), Acad. Roy. Belg., Bull. Cl. Sc., Page 169, 1968. 3. Th. De Donder (Rédaction nouvelle par P. Van Rysselberghe), Paris, Gauthier-Villars, 1936. Voir aussi : I. Prigogine et R. Defay : Thermodynamique Chimique conformément aux méthodes de Gibbs et De Donder (2 Tomes), Liège, Desoer, 1944-1946. Ou la traduction en anglais : Chemical Thermodynamics, traduite par DH Everett, Langmans 1954, 1962. 4. Voir Colloque de Thermodynamique, Union Intern. de Physique pure et appliquée (IUPAP), 1948. 5. Bolzmann, L., Wien, Ber. 66, 2275, 1872. 6. Planck, M., Vorlesaungen über Thermodynamik, Walter de Gruyter, Berlin, Leipzig, 1930. 7. Timmermans, J., Les Solutions Concentrées, Masson et Cie, Paris, 1936. Citons également sa thèse sur la recherche expérimentale sur la démixtion dans les mélanges liquides 8. Prigogine, I., La théorie moléculaire des solutions, avec A. Bellemans et V. Mathot ; Hollande du Nord Publ. Company, Amsterdam, 1957. Voir aussi : Prigogine and Defay, Réf. 3. 9. Citons quelques œuvres remarquables de cette Ecole : Barchet, A., La Vie créatrice des formes, Alcan, Paris, 1927. Dalcq, A., L'Oeuf et son dynamisme organisateur, Alban Michel. Paris, 1941. Barchet, J., Embryologie Chimique, Desoer, Liège et Masson, Paris, 1946. J'ai également été très intéressé par le beau livre de Marcel Florkin : L'Evolution biochimique, Desoer, Liège, 1944. 10. Prigogine, I., Acad. Roy. Belg. Taureau. Cl. Caroline du Sud. 31, 600, 1945.
– Etude thermodynamique des phénomènes irréversibles. Thèse d'agrégation présentée en 1945 à l'Université Libre de Bruxelles. Desoer, Liège, 1947.
– Introduction à la thermodynamique des processus irréversibles, traduit de l'anglais par J. Chanu, Dunod, Paris, 1968. 11. Prigogine, I., et Wiame, JM, Experientia, 2, 451, 1946. 12. Nicolis, G. et Prigogine, I., Self Organisation in Non-Equilibrium Systems (Chaps. III et IV), J. Wiley and Sons, New York, 1977. 13. Onsager, L., Phys. Rev., 37, 405, 1931. 14. Meixner, J., Ann. Physik, (5), 35, 701, 1939 ; 36, 103, 1939 ; 39, 333, 1941 ; 40, 165, 1941 ; Zeitsch Phys. Chim. B 53, 235, 1943. 15. de Groot, SR et Mazur, P., Thermodynamics Non-Equilibrium, North-Holland, Amsterdam, 1962. 16. Katchalsky, A. et Curran, PF, Thermodynamics Non-Equilibrium in Biophisics, Harvard Univ. Press, Cambridge, Mass., 1946. 17. Prigogine, I., Structure, Dissipation and Life. Physique théorique et biologie, Versailles, 1967. Hollande du Nord Publ. Company, Amsterdam, 1969. C'est dans cette communication que le terme "structure dissipative" est utilisé pour la première fois. 18. Glansdorff, P. et Prigogine, I., Structure, Stabilité et Fluctuations, Masson, Paris, 1971.
– Théorie thermodynamique de la stabilité et des fluctuations des structures, Wiley and Sons, Londres, 1971.
– Traduction en langue russe : Mir, Moscou, 1973.
– Traduction en langue japonaise ; Misuzu Shobo, 1977. Ce livre présente en détail le travail original des deux auteurs, qui a conduit au concept de structure dissipative. Pour un bref compte rendu historique, voir aussi : Acad. Roy. Belg., Bull. des Cl. Sc., LIX, 80, 1973. 19. Schechter, RS, The Variational Method in Engineering, McGraw-Hill, New York, 1967. 20. Tyson, J., Journ. de Chem. Physique, 58, 3919, 1973. 21. Turing, A., Phil. Trans. Roy. Soc. Londres, Ser B, 237, 37, 1952. 22. Belusov, BP, Sb. Réf. Radiat. Med. Moscou, 1958. Zhabotinsky, AP, Biofizika, 9, 306, 1964. Acad. Caroline du Sud. URSS Moscou (Nauka), 1967. 23. Noyes, RM et al., Ann. Rev. Phys. Chem. 25, 95, 1974. 24. Chance, B., Schonener, B. et Elsaesser, S., Proc. Nat. Acad. Sci. USA 52, 337-341, 1964. 25. Hess, B., Ann. Rev. Biochem. 40, 237, 1971. 26. Eigen, M., Naturwissenschaften, 58, 465, 1971. 27. Prigogine, I. et Mayer, G., Acad. Roy. Belg. Taureau. Cl. Sc., 41, 22, 1955 28. Nicolis, G. et Babloyantz, A., Journ. Chem. Phys., 51, 6, 2632, 1969. 29. Nicolis, G. et Prigogine, I., Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 68, 2102, 1971. 30. Prigogine, I., Proc. 3rd Symp. Température, Washington DC, 1954. Prigogine, I. et Nicolis, G., Proc. 3e. Interne. Conférence : De la physique théorique à la biologie, Versailles, France, 1971. 31. Nicolis, G. et Turner, JW, Proc. de la Conférence sur la théorie de la bifurcation, New York, 1977. À paraître. 32. Prigogine, I. et Nicolis, G., Transitions de phase hors équilibre et réactions chimiques, Scientific American. Apparaître. 33. Prigogine, I., Non-Equilibrium Stastistical Mechanics, Interscience Publ., New York, Londres, 1962-1966. (Pour un bref historique et des références originales.) 34. Yvon, J., Les Corrélations et l'Entropie en Mécanique Statistique Classique. Dunod, Paris, 1965. 35. Kirkwood. JG, Journ, Chem. Physique, 14, 180, 1946. 36. Born, M. et Green, HS, Proc, Roy, Soc. Londres, A 188, 10, 1946 et A 190, 45, 1947. 37. Bogoliubov, sans numéro, Jour. Phys. URSS 10, 257, 265, 1949. 38. Klein, G. et Prigogine, I., Physica XIX 74-88 ; 88-100 ; 1053-1071, 1953. 39. Chandrasekhar, S., Stocastic Problems in Physics and Astronomy ; Rév.de Mod. Physique, 15, no 1, 1943. 40. Shrödinger, E., Ann. der Physik, 44, 916, 1914. 41. Van Hove, L., Physica, 21, 512 (1955). 42. Van Hove, L., Physica, 16, 137 (1950). 43. Prigogine, I., cf. Réf. 33. 44. Balascu, R., Mécanique statistique d'équilibre et de non-équilibre, Wiley, Interscience, 1957. 45. Résibois, P. et De Leener, M., Théorie cinétique classique des fluides, Wiley, Interscience, New York, 1977 46. Prigogine, I., George, C., Henin, F. et Rosenfeld, L., Chemica Scripta, 4, 5-32, 1973. 47. Prigogine, I., George, C., Henin, F. , Physica, 45, 418-434, 1969 48. Prigogine, I. et Grecos, AP, The Dynamic Dynamory of Irreversible Processes, Proc. Interne. Conf. sur Frontiers of Theor. Phys., New Delhi, 1976. Théorie cinétique et propriétés ergodiques en mécanique quantique, Abhandlungen der Akad. der Wiss., der DDR Nr 7 n Berlin, Jahrgang 1977. 49. Grecos, AP and Prigogine, I., Treizième Conférence IUPAP de physique statistique, Haïfa, août 1977. 50. Prigogine, I. et Herman, R., Kinetic Theory of Vehicular traffic, Elsevier, 1971. 51. Pour la référence, voir note 2. 52. Mircéa Eliade, Historie des croyances et fies idées religieuseu Vol. I., p. 10, Payot, Paris, 1976.

D'après Nobel Lectures, Chemistry 1971-1980, rédacteur en chef Tore Frängsmyr, rédacteur en chef Sture Forsén, World Scientific Publishing Co., Singapour, 1993

Cette autobiographie / biographie a été écrite au moment de la remise du prix et publiée pour la première fois dans la série de livres Les Prix Nobel. Il a ensuite été édité et republié dans Nobel Lectures. Pour citer ce document, indiquez toujours la source comme indiqué ci-dessus.

Ilya Prigogine est décédé le 28 mai 2003.

Les erreurs du bon sens en thermodynamique

Robert Paris — 2016-12-09T00:12:00Z

Les erreurs du bon sens en thermodynamique

L'idée intuitive que se font la plupart des gens sur la chaleur, sur la température et sur les autres manifestations de la thermodynamique sont fréquemment erronées.

La chaleur est une forme de l'énergie mais cela ne nous éclaire guère puisque Richard Feynman, qui fût prix Nobel de physique, et qui est connu aussi par ses ouvrages de physique affirme dans le Tome 1 de son cours de Mécanique :

« Il est important de réaliser que dans la physique d'aujourd'hui, nous n'avons aucune connaissance de ce qu'est l'énergie ».

Cela répond à tous ceux qui croient que l'on sait tout en physique et qu'il n'y a plus rien à découvrir !

On peut cependant dire que l'énergie est un concept créé pour quantifier les interactions entre des phénomènes très différents ; c'est un peu une monnaie d'échange commune entre les phénomènes physiques. Ces échanges sont contrôlés par les lois et principes de la thermodynamique.

Les différentes « formes » de l'énergie dépendent du niveau d'organisation de la matière où elles agissent. Ainsi, la chaleur est déterminée par le mouvement des molécules à l'intérieur de la matière. On appellera cela aussi de l'énergie thermique. L'énergie électrique sera, elle, le mouvement des particules chargées, essentiellement des électrons. L'énergie nucléaire dépendra de la transformation (fusion ou fission) des noyaux des atomes. L'énergie mécanique dépendra des mouvements de la matière, au niveau macroscopique. L'énergie peut passer d'une forme à une autre.

Aux divers niveaux d'organisation correspondent des énergies différentes en qualité et pas seulement en quantité.
Il y a des formes d'énergie qui concernent le niveau microscopique et d'autres le niveau macroscopique.

A certains niveaux, les transferts de chaleur restent incompris : par exemple au niveau nanométrique

L'existence de cette agitation de la matière à toutes les échelles, agitation qui ne s'annule jamais, provient de l'agitation du vide quantique, premier niveau qui entretient l'énergie de tous les niveaux de la matière.

L'énergie est reliée aux questions ordre/désordre à chaque échelle de la matière et du vide quantique. C'est la manifestation du caractère dialectique de la structure de l'univers : chaque ordre suppose un désordre aussi bien par rapport au niveau immédiatement inférieur que supérieur au sien. Tout niveau d'organisation peut être agité jusqu'au seuil où la structure casse, relâchant de l'énergie.

Un transfert d'énergie ne nécessite pas un transfert de matière. Ainsi, la chaleur ne doit pas être confondue avec un fluide, comme Einstein l'expose ici ;

La chaleur est-elle une substance ?

Les concepts les plus fondamentaux dans la description des phénomènes de la chaleur sont ceux de « température » et de « chaleur ». Il fallut un temps incroyablement long dans l'histoire de la science pour établir une distinction entre ces deux concepts, mais une fois cette distinction faite, des progrès rapides en furent le résultat. Bien que ces concepts soient maintenant familiers à chacun, nous voulons les examiner de plus près, en faisant ressortir les différences qui existent entre eux.

Notre sens du toucher nous dit de manière déterminée que tel corps est chaud et tel autre froid. Mais ceci est un critère purement qualitatif, insuffisant pour une description quantitative, et parfois même ambigu. On peut le montrer par une expérience bien connue. Supposons trois vases contenant respectivement de l'eau froide, tiède et chaude. Si nous plongeons une main dans l'eau froide et l'autre dans l'eau chaude, nous recevons de la première le message qu'elle est froide et de la seconde qu'elle est chaude. Si ensuite nous plongeons les deux mains dans la même eau tiède, nous recevons de chaque main se contredisent. Pour la même raison, un Esquimau et un natif de quelque pays équatorial se rencontrant à New York un jour de printemps émettront des opinions différentes sur le climat ; l'un dira qu'il est chaud, l'autre qu'il est froid. Nous réglons toutes ces questions par l'emploi d'un thermomètre, un instrument qui, sous sa forme primitive, fut construit par Galilée. Ici, également surgit ce nom familier ! L'emploi du thermomètre est basé sur quelques suppositions physiques évidentes. Nous allons les rappeler en citant quelques lignes des conférences faites par Black il y a environ cent cinquante ans ; il a beaucoup contribué à éclaircir les difficultés qui sont liées aux deux concepts de chaleur et de température.

« En nous servant de cet instrument nous avons appris que si nous prenons mille espèces différentes de matières ou plus, telles que des métaux, des pierres, des sels, du bois, des plumes, de la laine, de l'eau et divers autres fluides, qui possèdent des « chaleurs » différentes, et les plaçons dans la même pièce non chauffée et où le soleil ne pénètre pas, les plus chauds de ces corps communiqueront leur chaleur aux plus froids, pendant quelques heures peut-être ou une journée ; si au bout de ce temps nous appliquons le thermomètre successivement à chacun d'entre eux, il marquera exactement le même degré. »

Les mots « chaleurs » doivent, conformément à la nomenclature d'aujourd'hui, être remplacés par « températures ».

Un médcin qui retire le thermomètre de la bouche d'un malade pourrait raisonner ainsi : « Le thermomètre indique sa propre température par la hauteur de la colonne de mercure. Nous supposons que la hauteur de la colonne de mercure augmente proportionnellement à l'élévation de la température. Mais le thermomètre était pendant quelques minutes en contact avec mon patient, de sorte que le patient et le thermomètre ont la même température. J'en conclus, par conséquent, que la température de mon patient est celle qu'indique le thermomètre. » Il est probable que le médecin agit machinalement, mais il applique les principes physiques sans y penser.

Mais le thermomètre contient-il la même quantité de chaleur que le corps du malade ? Certainement non. Supposez que deux corps possèdent des quantités de chaleur égales parce que leurs températures sont égales, ce serait, remarque Black « prendre une vue trop rapide du sujet. C'est confondre la quantité de chaleur dans des corps différents avec sa force ou son intensité générale, bien qu'il soit manifeste que ce sont là deux choses différentes, qui devraient toujours être distinguées quand nous réfléchissons sur la distribution de la chaleur. »

On arrive à comprendre cette distinction en faisant une expérience très simple. Un litre d'eau chauffée avec un brûleur à gaz met quelque temps pour passer de la température de la pièce au point d'ébullition. Un temps plus long est nécessaire pour chauffer douze litres d'eau dans le même vase et avec le même brûleur à gaz. Nous interprétons ce fait en disant que maintenant ce « quelque chose » de plus est nécessaire, et nous appelons ce « quelque chose » chaleur.

Un autre concept important, la « chaleur spécifique », est obtenu en poursuivant cette expérience : versons dans un vase un litre d'eau et dans un autre un litre de mercure et chauffons-les de la même manière. Le mercure s'échauffe beaucoup plus rapidement que l'eau, ce qui montre que beaucoup moins de chaleur est nécessaire pour élever sa température d'un degré. En général, différentes quantités de « chaleur » sont nécessaires pour élever d'un degré les températures de différentes substances, telles que l'eau, le mercure, le fer, le cuivre, le bois, etc., supposé que toutes soient de masse égale. Nous disons que chaque substance a une « capacité calorifique » individuelle ou une « chaleur spécifique ».

Une fois que nous avons obtenu le concept de chaleur, nous pouvons étudier sa nature de plus près. Prenons deux corps, l'un chaud, l'autre froid, ou, pour parler plus précisément, l'un étant à une température plus élevée que l'autre. Mettons-les en contact et libérons-les de toutes les influences extérieures. Nous savons qu'ils finiront par être à la même température. Mais comment cela se produit-il ? Que se passe-t-il entre l'instant où ils sont mis en contact et celui où ils sont à la même température ? L'image de la chaleur « s'écoulant d'un corps à l'autre se présente d'elle-même, semblable à l'eau qui s'écoule d'un niveau supérieur à un niveau inférieur.

L'image, bien que primitive, semble convenir à beaucoup de faits, de sorte que l'analogie se présente ainsi :

Eau – Chaleur

Niveau supérieur – Température élevée

Niveau inférieur – Température basse

L'écoulement a lieu jusqu'à ce que les deux niveaux, c'est-à-dire les deux températures, soient égales. Cette vue naïve peut être rendue plus utile par des considérations quantitatives. Si des masses déterminées d'eau et d'alcool, dont chacune est à une température définie, sont mélangées ensemble, la connaissance de leurs chaleurs spécifiques permet de prédire la température finale et un peu d'algèbre nous permet de trouver le rapport entre les deux chaleurs spécifiques.

Le concept de chaleur qui se présente ici a une resemblance avec d'autres concepts physiques. La chaleur, d'après notre conception, est une substance, comme la masse en mécanique. Sa quantité peut varier ou ne pas varier, comme la monnaie qu'on met de côté dans un coffre-fort ou qu'on dépense. La somme d'argent dans un coffre-fort reste intacte aussi longtemps qu'il reste fermé, et il en sera de même de la quantité de masse et de chaleur dans un corps isolé. Une bouteille isolante idéale ressemble à un tel coffre-fort. En outre, de même que la masse d'un système isolé reste invariable, même si une transformation chimique s'y produit, de même la chaleur se conserve, même si elle s'écoule d'un corps à un autre. Et même si la chaleur n'est pas employée pour élever la température d'un corps, mais pour fondre la glace ou transformer l'eau en vapeur, nous pouvons encore la concevoir comme une substance et la récupérer entièrement en faisant revenir l'eau à l'état de glace et la vapeur à l'tat d'eau.

Les vieux termes de chaleur latente de fusion ou de vaporisation indiquent que ces concepts sont itrés de la conception de la chaleur comme substance. La chaleur latente est temporairement cachée, comme l'argent mis dans un coffre-fort, mais qui peut être utilisée si l'on connaît le mécanisme de la serrure.

Mais la chaleur n'est certainement pas une substance dans le même sens que la masse. Celle-ci peut être mise en évidence au moyen de la balance, mais en est-il de même de la chaleur ? Un morceau de fer chauffé au rouge pèse-t-il plus que quand il est à la température de la glace ? L'expérience montre qu'il n'en est pas ainsi. Si la chaleur est une substance, elle est sans poids. La « chaleur-substance » était habituellement appelée « calorique », et c'est pour la première fois que nous faisons connaissance d'un membre de toute une famille de substances sans poids. Plus tard nous aurons l'occasion de suivre l'histoire de cette famille, sa grandeur et sa décadence. Pour le moment nous nous contentons de signer la naissance de ce membre particulier.

Le but d'une théorie physique quelconque est d'expliquer un domaine aussi vaste que possible de phénomènes. Elle se justifie dans la mesure où elle rend les événements intelligibles. Nous avons vu que la théorie de la « chaleur-substance » explique beaucoup de phénomènes de la chaleur. Il deviendra cependant bientôt évident que ceci est une fausse piste, car la chaleur ne peut pas être regardée comme une substance, même sans poids. Ceci devient clair si nous réfléchissons sur quelques expériences simples qui marquèrent le commencement de la civilisation.

Nous concevons la substance comme une chose qui ne peut être ni créée ni être détruite. Mais l'homme primitif a créé par le frottement de la chaleur suffisante pour allumer le bois. Les exemples d'échauffement par le frottement sont en fait trop nombreux et familiers pour qu'il soit nécessaire de les citer. Dans tous les cas une certaine quantité de chaleur est créée, un fait qui est difficile à expliquer par la théorie de la « chaleur-substance ». Il est vrai que celui qui soutient cette théorie pourrait trouver des arguments pour l'expliquer.

Son argument serait à peu près celui-ci : « La théorie de la « chaleur-substance » peut expliquer la création apparente de la chaleur. Prenons l'exemple très simple de deux pièces de bois qu'on frotte l'une contre l'autre ; le frottement exerce une influence sur le bois et change ses propriétés. Il est vraisemblable que les propriétés soient modifiées d'une façon telle qu'une quantité de chaleur invariable arrive à produire une température plus élevée qu'avant. Après tout, la seule chose que nous constatons est l'élévation de la température. Il est possible que le frottement change la chaleur spécifique du bois et non pas la quantité totale de la chaleur. »

A cette phase de la discussion il serait inutile d'argumenter contre le partisan de la théorie de la « chaleur-substance », car c'est là un sujet qui ne peut être éclairci que par l'expérience. Imaginons deux pièces de bois identiques et supposons que des changements de température égaux y soient produits par des procédés différents : dans un cas par le frottement, dans l'autre par le contact avec un radiateur. Si les deux pièces ont la même chaleur spécifique à la nouvelle température, la théorie de la « chaleur-substance » s'écroule d'un coup. Il existe des méthodes très simples pour déterminer les chaleurs spécifiques, et le sort de la théorie dépend précisément du résultat de ces déterminations. Les preuves capables de décider de la vie ou de la mort d'une théorie se rencontrent souvent dans l'histoire de la physique et sont appelées expériences « cruciales ». La valeur cruciale d'une expérience se révèle seulement par la façon dont la question a été formulée et c'est une seule théorie des phénomènes qui peut être mise à l'épreuve par elle. La détermination des chaleurs spécifiques de deux corps de même espèce à la même température, obtenue respectivement par le frottement et le flux de chaleur, est un exemple typique d'une expérience cruciale. Cette expérience fut faite, il y a cent cinquante ans environ, par Rumford et porta le coup mortel à la théorie de la « chaleur-substance ».

Un extrait de sont propre exposé nous fera connaître son observation :

« Il arrive souvent, dans les affaires ordinaires et les occupations de la vie, que des occasions favorables de contempler les opérations les plus curieuses de la Nature s'offrent à nous d'elles-mêmes ; des expériences physiques très intéressantes peuvent souvent être faites, presuqe sans peine et sans dépense, au moyen de machines inventées pour satisfaire simplement les besoins de l'industrie… Ayant été occupé dernièrement à surveiller le forage des canons dans les ateliers de l'arsenal militaire de Munich, je fus frappé du degré considérable de chaleur que peut atteindre, dans un court espace de temps, un canon de cuivre qu'on fore, et de la chaleur plus intense encore (plus intense que celle de l'eau bouillante, comme je l'ai constaté par l'expérience) que possèdent les copeaux qui sont séparés par la tarière… D'où vient la chaleur réellement produite par l'opération mécanique mentionnée plus haut ? Est-elle fournie par les copeaux qui sont séparés par la tarière de la masse solide du métal ? S'il en était ainsi, la capacité, conformément aux doctrines modernes de la chaleur latente et du calorique, devrait alors non seulement changer, mais le changement qu'ils ont subi devrait être suffisamment grand pour rendre compte de toute la chaleur produite. Mais aucun changement de ce genre ne s'est produit, car en prenant des quantités de poids égal de ces copeaux et des bandes minces du même bloc de métal, détachées par une scie fine, et en les mettant ensemble à la même température (celle de l'eau bouillante) dans des quantités égales d'eau froide (c'est-à-dire à la température de 59,5 degrés Fahrenheit), la portion d'eau où furent jetés les copeaux n'était pas, selon toute apparence, plus chaude, ou moins, que l'autre portion où furent jetées les bandes de métal. »

Voici finalement sa conclusion :

« Et en réfléchissant sur ce sujet nous ne devons pas oublier de prendre en considération cette circonstance hautement remarquable que la source de la chaleur produite, dans ces expériences, par le frottement paraissait manifestement INEPUISABLE. Il est à peine nécessaire d'ajouter que ce qu'un corps isolé quelconque, ou un système de corps, peut continuer à fournir SANS LIMITATION, ne peut être une « substance matérielle » ; et, excepté le mouvement, il me paraît extrêmement difficile, pour ne pas dire tout à fait impossible, de se former l'idée distincte d'une chose quelconque capable d'être excitée et transmise de la manière que, dans ces expériences, la chaleur fut excitée et transmise. »

Nous voyons ici que la vieille théorie s'écroule, ou, pour être plus précis, que la théorie de la « chaleur-substance » est limitée aux problèmes du flux de chaleur. De nouveau, comme Rumford le laissait entendre, nous devons chercher une autre piste…

La théorie cinétique de la matière

Est-il possible d'expliquer les phénomènes de la chaleur par des mouvements de particules agissant les unes sur les autres au moyen de forces simples ? Un vase fermé contient une certaine masse d'un gaz, d'air par exemple, à une certaine température. En chauffant, nous élevons la température et augmentons l'énergie. Mais de quelle façon cette chaleur est-elle liée au mouvement ?

La possibilité d'une telle connexion est suggérée aussi bien par notre point de vue philosophique (la tentative provisoire de tout décrire par la mécanique), accepté provisoirement, que par la façon dont la chaleur est produite par le mouvement.

La chaleur doit être une énergie mécanique, si tout problème est un problème mécanique.

L'objet de la « théorie cinétique » est de présenter le concept de la matière justement de cette manière. Un gaz, selon cette théorie, est un amas d'un nombre énorme de particules ou « molécules », qui se meuvent dans toutes les directions, se heurtent les unes contre les autres et changent de direction après chaque collision. Il doit exister une vitesse moyenne de ces molécules, exactement comme dans une grande communauté humaine, il existe un âge moyen ou une richesse moyenne. Il y aura, par conséquent, une énergie cinétique moyenne par particule. Plus de chaleur dans le vase signifie une énergie cinétique moyenne plus grande.

La chaleur, conformément à cette image, n'est pas une forme spéciale d'énergie, différente de l'énergie mécanique ; elle est exactement l'énergie cinétique du mouvement moléculaire.

A une température définie correspond, par particule, une énergie cinétique moyenne définie. Ceci n'est pas une supposition arbitraire. Nous sommes obligés de regarder l'énergie cinétique d'une molécule comme la mesure de la température d'un gaz, si nous voulons former une consistante image mécanique de la matière.

Cette théorie est plus qu'un jeu de l'imagination. On peut montrer que la théorie cinétique des gaz n'est pas seulement en accord avec l'expérience, mais qu'elle conduit réellement à une intelligence plus profonde des faits. Ceci peut être illustré par quelques exemples.

Nous avons un vase fermé par un piston qui peut se mouvoir librement. Le vase contient une certaine quantité de gaz qui doit garder une température constante. Si, au début, le piston est au repos en gardant une certaine position, il se mouvra vers le haut, si l'on diminue son poids, et vers le bas, si l'on augmente ce dernier. Pour pousser le piston en bas, il faut employer une force qui agit contre la pression intérieure du gaz. Quel est, d'après la théorie cinétique, le mécanisme de cette pression intérieure ? Un nombre énorme de particules constituant le gaz se meuvent dans toutes les directions. Elles bombardent les parois et le piston et rebondissent comme des balles qu'on lance contre un mur. Le bombardement continuel d'un grand nombre de particules tient le piston à une certaine hauteur, en s'opposant à la force de la pesanteur, qui agit vers le bas sur le piston et les poids. Dans une direction agit constamment la force de gravitation, dans la direction opposée un très grand nombre de chocs irréguliers venant des molécules. Pour qu'il y ait équilibre, il faut que l'effet net sur le piston de toutes ces forces irrégulières soit égal à celui de la force de la gravitation.

Supposons que le piston soit poussé vers le bas de façon à comprimer le gaz d'une fraction de son volume, disons de la moitié, sa température restant invariable. Que doit-il arriver selon la théorie cinétique ? La force due au bombardement sera-t-elle plus grande qu'avant ou moins grande ? Les particules sont maintenant plus serrées. Bien que l'énergie cinétique moyenne soit toujours la même, les chocs des particules contre le piston seront maintenant plus fréquents et la force totale sera ainsi plus grande. De cette image que présente la théorie cinétique il résulte clairement que, pour maintenir le piston dans cette position plus basse, il faut employer un poids plus grand. Ce fait expérimental simple est bien connu, mais sa prévision découle logiquement de la conception cinétique de la matière.

Considérons un autre dispositif expérimental. Prenons deux vases contenant des volumes égaux de gaz différents, par exemple d'hydrogène et d'azote, tous les deux étant à la même température. Supposons que les deux vases soient fermés par des pistons identiques et chargés de poids égaux. Ceci signifie, en bref, que les gaz ont le même volume, sont à la même température et subissent la même pression. Puisque la température est la même, l'énergie cinétique moyenne, par particule, est, d'après la théorie, la même. Et, puisque les pressions sont égales, les deux pistons sont bombardés par la même force totale. En moyenne, chaque particule porte la même énergie et les deux vases ont le même volume.

Donc le nombre de molécules doit être le même dans chaque vase bien que les gaz soient chimiquement différents.

Ce résultat très important permet de comprendre beaucoup de phénomènes chimiques. Il signifie que le nombre de molécules dans un volume donné, à une certaine température et à une certaine pression, n'est pas la caractéristique d'un gaz particulier, mais de tous les gaz.

Il est au plus haut degré curieux de constater que la théorie cinétique non seulement prédit l'existence d'un tel nombre universel, mais nous rend aussi capables de le déterminer.

La théorie cinétique de la matière explique, quantitativement aussi bien que qualitativement, les lois des gaz déterminés par l'expérience. En outre, la théorie n'est pas limitée aux gaz, bien que ce soit dans ce domaine qu'elle a obtenu ces plus grands succès.

Un gaz peut être liquéfié, si l'on fait baisser se température. La chute de température que subit une matière signifie que ses particules subissent une décroissance de l'énergie cinétique moyenne. Il est ainsi clair que l'énergie cinétique moyenne d'une particule liquide est plus petite que celle d'une particule gazeuse correspondante.

Le mouvement de particules dans un liquide fut rendu manifeste, pour la première fois, par le « mouvement brownien », phénomène remarquable, qui serait resté mystérieux et incompréhensible sans la théorie cinétique de la matière. »

Einstein et Infeld dans « L'évolution des idées en physique »

Le discours sur le réchauffement global bénéficie de l'ignorance générale des lois de la thermodynamique et de la manière dont elles s'appliquent au globe terrestre. Ainsi, il particularise la "température globale" alors que le facteur température ne peut jamais être isolé en thermodynamique. Les lois de la thermodynamique précisent toujours que sont interdépendants : température, pression, volume et quantité de matière (sous la forme du nombre de moles). Ce nombre de paramètres et la non-linéarité de la fonction entraînent que les lois du climat sont du domaine du chaos déterministe alors qu'une loi linéaire à un ou deux facteurs ne pourrait pas l'être.

La dynamique de la météorologie est fondée sur des structures auto-organisées comme les nuages ou les états de la neige qui sont des états qui sautent d'un niveau à un autre et dont la base est l'interaction entre des paramètres comme la force des vents, la pression, la température, le degré d'humidité dans l'air et l'ensoleillement (chaleur et fréquence du rayonnement). On pourrait croire que les moyennes décrivent une réalité continue mais il suffit de constater que les états décrits sautent d'un équilibre à un autre très différent de manière brutale pour constater que cela est faux. Ainsi, les nuages ont des structures et des niveaux d'altitude très différents quand on passe d'un équilibre à un autre. Les états de la neige ou de la glace connaissent les mêmes types de sauts. Les états de la météorologie sont eux aussi des discontinuités brutales. La raison fondamentale en est qu'il n'y a jamais un seul facteur mais au moins trois fondamentaux qui rétroagissent et le chaos qui en résulte ne peut trouver que des sauts qui sont des équilibres instables lointains les uns des autres.

La thermodynamique, les changements d'état de la matière, les effets de la température et de la pression sont à la base de nombre de phénomènes qui font partie de notre vie quotidienne : quand nous examinons la surface d'un lac, faisons bouillir de l'eau ou examinons un nuage pour voir s'il ne va pas pleuvoir. S'ils ont permis la construction des moteurs, des réfrigérateurs et autres appareils très importants dans notre existence actuelle, ils sont d'abord à la base de phénomènes naturels que nous observons et utilisons même sans le vouloir : de la météo à l'utilisation de l'eau dans notre cuisine.

Nous connaissons bien des adages populaires qui proviennent de cette expérience quotidienne comme « l'air chaud monte », « l'eau bout à 100° » ou « l'eau glace à 0° » ou encore « le nuage noir est porteur de pluie ». On a popularisé également celui de Lavoisier : « Rien ne se perd, rien ne se créée, tout se transforme ». Ou un plus récent selon lequel « tout va vers de plus en plus de désordre ». Malheureusement, bien des adages populaires mentent ou nécessitent de préciser le domaine d'application parfois très étroit…

Nous sommes habitués à voir l'eau sous les formes gazeuse, liquide et solide et les passages de l'un à l'autre ne nous étonnent plus alors qu'il y aurait largement de quoi s'étonner et que bien des phénomènes qui nous semblent tout à fait classiques sont difficiles à comprendre et posent de grands problèmes en fait.

Il est très courant que le grand public fasse d'importantes confusions concernant la thermodynamique et notamment confonde température et chaleur.

Nous raisonnons facilement sur la température mais oublions facilement la pression car elle nous est beaucoup moins évidente intuitivement. Or, les changements d'états de la matière ne dépendent jamais de la seule température. Nous sommes accoutumés à dire ce qui se passe à pression atmosphérique mais oublions que certains phénomènes naturels n'ont pas lieu à cette pression. Et c'est loin d'être le seul problème qui nous dérange pour comprendre la thermodynamique.

Nous connaissons la loi de la thermodynamique qui impose l'augmentation d'entropie d'un système isolé et nous savons que le phénomène de la vie augmente l'ordre, l'organisation et donc, curieusement, diminue l'entropie. Et ce n'est pas le seul cas : le simple fait de former une structure nuageuse est déjà création d'un ordre.

Nous pensons savoir que la nature va spontanément vers l'équilibre, vers la stabilité et même l'immobilité et pourtant nous voyons en thermodynamique des phénomènes qui se déroulent à l'inverse, à commencer par le mouvement brownien qui présente une agitation permanente des molécules n'allant nullement vers la stabilité ni l'immobilité.

Les phénomènes de la thermodynamique se déroulent tous les jours sous nos yeux et nous ne leur marquons pas le plus souvent d'étonnement bien que nous ne les comprenions pas vraiment. Pourquoi l'eau liquide forme des surfaces et pas l'eau vapeur ni l'eau solide, sous forme de glace ou de neige, alors que la composition moléculaire est la même dans les trois cas ? Que se passe-t-il au changement d'état ? Comment se fait-il que la température de l'eau qui bout soit bloquée même si on continue à chauffer. Pourquoi le lait qui bout déborde et pas l'eau qui bout ?

Les questions sont multiples et diverses. Qu'est-ce que la surface de séparation d'un liquide ? Quelle est l'origine de la vapeur d'eau et quelle est sa nature ? Pourquoi la glace surnage dans l'eau ? Pourquoi les nuages, composés de gouttelettes d'eau et pas seulement de vapeur d'eau (sinon les nuages seraient transparents à la lumière), ne tombent pas du fait de leur poids colossaux ? Pourquoi les nuages qui sont même composés de mini-cristaux et de poussières ne tombent pas par gravitation ? Comment se fait-il qu'à 100°C toute l'eau ne soit pas en vapeur d'eau (on dit l'eau bout) ? Comment se fait-il que l'eau puisse rester sous forme liquide bien en dessous de 0°C ? Comment se fait-il que la glace puisse rester sous cette forme bien au dessus de 0°C ? Par exemple, la neige au soleil ou les neiges éternelles des glaciers. La glace sous-marine de profondeur du pôle Nord est la plus grande quantité de glace de la planète puisque l'océan arctique a une profondeur de 5520 m et une partie de son eau est glacée du fait de la pression énorme de la masse de glace au dessus, malgré des températures élevées.

On sait que la température est liée à l'agitation moléculaire dite mouvement brownien qui ne s'arrête jamais. Comment se fait-il qu'elle ne finisse pas par atteindre un équilibre et cesser de s'agiter puisqu'un des principes de la thermodynamique est qu'un système qui ne reçoit pas d'énergie de l'extérieur doit aller à l'équilibre ? Comment se fait-il que les molécules continuent de s'agiter même si elles sont isolées les unes des autres ? C'est cette agitation que l'on remarque en regardant les poussières dans un rai de lumière. Il faut bien que l'agitation brownienne soit entretenue par une énergie extérieure ? Laquelle ?

Comment se fait-il que la vie soit un système qui gagne en ordre (néguentropie ou perte d'entropie) alors qu'un des principes de la thermodynamique suppose que tout système isolé doit augmenter son entropie (son degré de désordre) ?

Il y a dans de nombreux adages du bon sens sur ces thèmes pas mal d'erreurs. Par exemple, de dire que la glace est moins dense que l'eau liquide. Cela n'est vrai que pour certains types de glaces ayant certaines densités. En fait, ce n'est vrai que pour les glaces dites de type I qui ont dix à quatorze pourcents de densité en moins que l'eau liquide mais pas pour les glaces de type II à VI qui ont jusqu'à 22% de densité en plus…

Tous les discours sur la température de la formation de la glace ou de sa fonte sont faux si on ne tient pas compte de la pression extérieure qui n'est pas forcément la pression atmosphérique.

Bien des phénomènes observables quotidiennement sont plus étonnants qu'il n'y paraît : la condensation des nuages se fait plutôt dans les montagnes où l'air est plus froid alors que l'air chaud monte.

Les nuages ne sont pas seulement des produits de la condensation de l'eau liée aux jeux de la chaleur et de la pression : la longueur d'onde des rayons lumineux joue aussi, par exemple pour définir le niveau d'altitude de la base du nuage. L'électromagnétisme détermine des mouvements au sein du nuage, mouvements qui sont déterminants dans l'énergie du nuage, qui pousse la masse à remonter vers le haut du nuage, combattant la gravitation.

Tous ces phénomènes sont dynamiques alors que, spontanément nous raisonnons de manière statique, ils produisent des contradictions et ne sont pas linéaires alors que, spontanément, nous raisonnons de manière non dialectique et linéaire. Ils présentent des discontinuités, des sauts qualitatifs, des contradictions… Les différents états de la matière ne se comportent pas souvent comme on l'imagine et ne sont pas exactement ce qu'on imagine. La matière n'est pas faite de choses mais de structures émergentes, ce qui est profondément différent. Elle n'est pas fondée sur des équilibres stables, image qui nous est donnée par l'univers apparent à notre échelle. Même le simple corpuscule dit élémentaire est une structure émergente et non un objet !

Bien des notions spontanées en thermodynamique portent sur ce qui se passe à notre échelle (macroscopique) alors que leur base est microscopique et que ce qui se passe à cette échelle est contre intuitif. Et que ce qui se passe au niveau microscopique (quantique) est fondé sur le vide quantique (encore plus contre intuitif puisque le temps y circule dans les deux sens, que la matière n'y a pas de masse au repos et que l'antimatière y est aussi importante que la matière !). Pourtant la matière est une structure émergente au sein du vide quantique de la même manière que le nuage émerge de l'atmosphère humide.

L'émergence de matière au sein du vide est complètement absente de nos images mentales et encore plus de nos images visuelles de l'univers or il est impossible de comprendre la thermodynamique de la matière sans étudier celle du vide….

Notre manque de conceptions dynamiques spontanées explique nos difficultés à concevoir des systèmes dans lesquels plusieurs états de la matière coexistent car des groupes de molécules sautent sans cesse d'un état dans un autre. L'apparente surface d'eau est bien loin de la séparation fixe et plan que notre œil nous renvoie puisqu'il s'agit au contraire d'une fractale de pénétrations entre eau liquide et vapeur d'eau, fractale aux formes sans cesse changeantes.

Le nuage qui semble sur une courte durée avoir une forme et un contenu à peu près donné est l'objet de changements beaucoup plus brutaux et violents qu'il n'y paraît, changement dans lesquels des masses de molécules descendent et d'autres montent sans cesse au sein du nuage.

Cela explique qu'il nous paraisse difficile à comprendre comment un nuage calme, même s'il est très noir, va d'un seul coup déverser une masse immense d'eau, de grêle ou de neige, ou encore provoquer un violent orage.

En réalité, l'apparence calme du nuage n'est qu'illusion et cette masse est sans cesse le produit de confrontations brutales qui, en temps normale, produisent la conservation globale de la structure mais, parfois, provoquent sa rupture.

Les nuages ne sont nullement des objets fixes. Il y a sans cesse des colonnes d'air montantes et d'autres descendantes. Chez certain type de nuages, le bourgeonnement violent au dessus du nuage témoigne du caractère éruptif des phénomènes considérés. Mais, même dans les autres, le nuage n'est jamais une chose fixe ni ressemblant à une chose fixe. Il n'existe que du fait d'un énorme désordre qui donne globalement une illusion de conservation d'ensemble. Mais le nuage a une relativement courte durée de vie et sa structure se dissout assez rapidement dans l'air, pour former à côté de nouveaux nuages.

Une autre raison de comprendre difficilement les nuages est le fait qu'on les imagine comme des masses de gouttelettes et de vapeurs d'eau alors que les petits cristaux y jouent aussi un grand rôle. Le nuage est la coexistence des trois états : gaz, liquide et solide et le jeu des sauts entre ces états. La formation de cristaux a des effets parfois violents comme la formation de grands trous au sein des masses nuageuses.

Toute la matière, sous toutes ses formes et à toutes ses échelles, est par bien des aspects du même type que le nuage : des confrontations brutales avec des changements radicaux qui, le plus souvent, entraînent la conservation globale de la structure et, parfois, provoquent sa rupture.

Un des aspects que l'on oublie souvent est que le nuage est une masse électrisée comme l'est la matière. Mais, étant l'objet de mouvements violents, l'électrisation prend un caractère à grande échelle avec, notamment, des électricités opposées sur le sommet du nuage et à sa base et avec une électrisation provoquée sur l'air environnant.

Ce n'est pas seulement le grand public qui est trompé par les anciennes images de la matière, provenant de ce que nous croyons voir à notre échelle. Les sciences l'ont été aussi. On s'est ainsi aperçus que la thermodynamique dérive de la physique quantique et non de la mécanique classique comme on l'a longtemps cru. Et cela change de nombreuses visions de ce domaine des sciences.

En effet, le mouvement moléculaire est à la base de la thermodynamique, des notions de température ou de pression et des notions plus complexes. Cependant, on peut réaliser que ce ne sont pas les seuls. Notamment, les mouvements en question sont réversibles alors que bien des phénomènes thermodynamiques ne le sont pas…

Comprendre la transmission de chaleur nécessite de comprendre celle d'énergie or cette transmission n'est continue comme on le croyait mais quantique. L'existence d'une quantité minimale d'action (égale à la constante de Planck) change profondément toute la conception des échanges d'énergie, de chaleur, de lumière. La perte ou le gain de chaleur étant un phénomène déterminant de la thermodynamique, l'apport de la physique quantique y est déterminant.

Il ne suffit pas de voir la température et la pression comme des mouvements mécaniques de molécules assimilées à des petites billes qui se heurtent et rebondissent après les chocs. Et d'abord parce que la physique quantique interdit non seulement aux molécules de se heurter, de se toucher, mais elle l'interdit même aux particules dites élémentaires, protons, électrons, neutrons… Le principe de Pauli empêche la matière de se toucher, de se retrouver dans une même position et les interactions (attractions ou répulsions) se font par intermédiaires appelés bosons (qui sont du même type que les corpuscules de lumière). Il n'est donc pas possible de concevoir les interactions matière-matière sans connaitre les interactions quantiques matière-lumière.

Comme on l'a dit précédemment à propos du mouvement brownien, l'agitation qui est à la base de tous les phénomènes de température ou de pression provient du vide quantique. La seule observation de la matière possédant une masse, alors que la matière dite virtuelle du vide quantique n'en possède pas, ne peut suffire à comprendre les phénomènes qui sont impliqués en thermodynamique et en particulier la raison pour laquelle la matière subit sans cesse une agitation qui est incapable de s'arrêter.

Une pente de neige uniforme qui est caressée mollement par le soleil est l'objet de changements permanents de structures de la neige qui saute d'un état à un autre, du fait des modifications de température et de pression. Comme la glace, la neige admet de multiples structures différentes possibles et les sauts entre ces états cristallins différents ne s'arrêtent jamais. Loin de la situation d'équilibre stable, ce qui la caractérise est les changements d'état et les discontinuités.

Il y a encore d'autres raisons qui rendent difficile la compréhension des phénomènes thermodynamiques et notamment il faut citer la relation entre phénomènes de volume et phénomènes de surface.

Ainsi, on raisonne mal sur la température de fonte de la glace car c'est seulement en surface que la glace est en contact avec la température extérieure. La masse de glace peut entraîner une grande inertie et un retard important de la fonte, même à des températures extérieures élevées. On a rappelé aussi que raisonner seulement sur la température en oubliant la pression trompe la vision des changements thermodynamiques. Sous des masses de glace, la pression du poids est considérable et l'eau peut y former de la glace à des températures élevées.

Einstein a renouvelé la thermodynamique en donnant la première interprétation du mouvement brownien et en découvrant la base quantique des transformations de la matière et des interactions matière-lumière. Prigogine a entraîné une des nombreuses révolutions de la thermodynamique en montrant l'importance créatrice de structures du non-équilibre. Toutes ces découvertes ont bien éloigné la thermodynamique des préceptes du bon sens mais ce n'est pas à regretter…

Il faut d'autre part, concernant les erreurs du bons sens, souligner la différence entre chaleur et énergie interne comme entre chaleur et température.

La température doit être considérée comme la mesure locale de l'agitation moléculaire, de même que la pression est la mesure des chocs provoqués sur une surface par cette agitation. La chaleur est d'une nature un peu différente. Cela explique les relations entre température, pression et volume au sein des lois thermodynamiques des différents états de la matière.

Si l'origine de la chaleur, cette capacité de la matière à transporter de l'agitation des molécules de part en part au sein de la matière (la conduction de la chaleur), est bien fondée sur l'agitation provoquée au sein des particules et des molécules (mouvement dit « brownien ») par l'agitation permanente du vide quantique, la chaleur n'est pas la totalité de l'énergie d'agitation de la matière mais seulement une petite partie, et à une échelle seulement des structures hiérarchiques de la matière. Une grande partie de la chaleur n'est pas capable de se transmettre d'une molécule à une autre et est conservée localement pour agiter en interne les particules, les noyaux et autres… La chaleur ne doit donc pas être considérée comme identique à l'énergie interne d'agitation des molécules. La chaleur est seulement la part de l'énergie interne capable de se déplacer d'une matière à sa voisine par vibration, en somme une énergie rayonnante d'une certaine fréquence, énergie de type lumineuse… La chaleur est donc la part de l'énergie qui peut se changer en un rayonnement dont la fréquence correspond à certains seuils précis qui lui permettent d'entrer en résonance avec les structures de la matière ayant des tailles comparables à la longueur d'onde de cette énergie. Rappelons que le rayonnement n'est plus conçu comme ondulatoire mais comme une dualité onde/corpuscule fondée sur les couples particules/antiparticules du vide fondant les corpuscules dits photons. L'agitation capable de se transformer en photons dont les énergies correspondent aux dimensions des molécules est donc la seule capable de se changer en « chaleur » et c'est loin d'être la totalité de l'agitation interne. Certes, la transmission de chaleur augmente la température mais les deux sont loin d'être identiques, contrairement à ce que croit le sens commun.

Cela signifie que le porteur de l'énergie de chaleur est une onde d'origine électromagnétique et non le mouvement mécanique de molécules de matière de masse inerte.

Par contre, la température, c'est l'énergie cinétique moyenne des molécules…

La température, c'est donc la matière et la chaleur, c'est le rayonnement, c'est des photons !

Les idées et l'oeuvre d'Ilya Prigogine

2010-08-12T20:29:25Z

"L'irréversibilité s'inscrit dans la matière."

Prigogine dans "La fin des certitudes"

"L'irréversibilité n'est pas "créée" par des conditions macroscopiques de non-équilibre ; ce sont les conditions macroscopiques d'équilibre qui empêchent la flèche du temps, toujours présente au niveau microscopique, de se manifester par des effets macroscopiques."

Prigogine dans "Entre le temps et l'éternité"

"À tous les niveaux, nos descriptions actuelles font intervenir les notions de résonance et de collision et nous pouvons donc nous attendre à retrouver des phénomènes intrinsèquement irréversibles."

Prigogine dans un exposé sur le temps à la conférence Marc-Bloch

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