Matière et Révolution

Comment finissent les épidémies ? Le chaos déterministe donne-t-il une réponse ? - How do epidemics end ? Does deterministic chaos give an answer ?

Robert Paris — 2021-09-16T22:05:00Z

Comment finissent les épidémies ? Le chaos déterministe donne-t-il une réponse ? - How do epidemics end ? Does deterministic chaos give an answer ?

Bien entendu, on ne se pose pas la question pour rien : chacun se demande comment peut se terminer la pandémie actuelle, celle de covid !!! Cette question se complique par le fait que les variants de covid peuvent avoir des propriétés très différentes les uns des autres. En même temps, les chercheurs ont admis que cela peut être une source d'espoir car il y a une probabilité qu'à un moment, les variations produisent un virus covid qui soit à la fois très propagatif et très peu agressif, dominant ainsi tous les autres variants, remplaçant toutes les sortes de vaccins, en mieux, et donnant finalement une espèce de grippe ou de rhume… Bel espoir mais très hypothétique pour le moment… Il faut compter sur le hasard des mutations, pas sur des mesures de santé !

D'autre part, les lois du chaos déterministe qui déterminent les lois des populations pourraient bien être déterminantes pour piloter la fin des épidémies.

https://www.cirad.fr/les-actualites-du-cirad/actualites/2020/science/covid-19-quand-la-theorie-du-chaos-prevoit-l-evolution-de-l-epidemie

Est-il possible de retrouver les équations qui gouvernent la dynamique d'un système environnemental, par exemple d'une épidémie, exclusivement à partir de séries de mesures ?

La réponse du CNRS :

https://insu.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/est-il-possible-de-retrouver-les-equations-qui-gouvernent-la-dynamique-dun-systeme

Des auteurs qui pointent en effet le lien des hauts et des bas de la croissance et de la fin des épidémies avec le chaos déterministe et les attracteurs étranges

Il semble bien que le chaos détermiste pilote la dynamique des épidémies.

Le premier à l'avoir souligné est sans doute Robert May.

Une étape dans l'histoire de la notion de chaos a été la publication par le physicien et écologiste Robert M. May, en 1972, d'un article intitulé “Simple mathematical models with very complicated dynamics” (Nature, vol. 261, p. 459). Cet article, sans doute l'un des plus cités lorsqu'il est question de chaos, présente un modèle très simple d'évolution du nombre d'individus d'une population, volontairement le plus simple qu'on puisse imaginer pour décrire la dynamique d'une population : x n + 1 = ax n (1 – x n).
Ce modèle est appelé « application logistique », par référence à « l'équation logistique » introduite par le belge Pierre-François Verhulst en 1846. L'effectif de la population au temps t + 1 dépend bien sûr de la période précédente t. Ce modèle prend en compte par le terme 1 – xn la contrainte liée au « logis » : une population ne peut pas croître indéfiniment sur un territoire donné. Le paramètre a est le taux de croissance effectif. Les valeurs a < 0 et a > 4 du paramètre sont exclues car elles conduisent à des valeurs de la population relative x situées en dehors de l'intervalle acceptable [0,1] car x représente le pourcentage de l'effectif maximum dans le territoire donné. May étudia donc cette évolution pour a variant dans [0,4] et obtint une richesse de comportements de dynamique des populations à l'époque insoupçonnée, certains présentant une « apparence erratique et imprédictible à long terme », et aujourd'hui qualifiés de « chaotiques ». Cet article de May inspira de nombreux travaux, portant entre autres sur les variations cycliques ou chaotiques de populations de pucerons, de sauterelles, de lemmings, de sardines, ou encore de systèmes prédateur-proie (le choix des espèces étudiées est déterminé soit par l'occurrence de phénomènes remarquables, comme les invasions de sauterelles ou les « suicides collectifs » de lemmings, soit par la présence de données fiables et précises sur une longue durée, typiquement plus d'un siècle, fournis par les registres des criées aux poissons, ou ceux des peausseries pour divers couples prédateur-proie, comme les lynx et les lièvres). Mais l'étude du chaos en biologie ne se limite pas à la dynamique des populations, et d'autres domaines d'investigation sont : – l'épidémiologie de certaines maladies infectieuses (rougeole, grippe1) ; – le rythme cardiaque ; – les neurosciences, tant à l'échelle neuronale (enregistrement de l'activité électrique d'un neurone) qu'à l'échelle cérébrale (activité enregistrée par électroencéphalogramme) ; – le métabolisme et les rythmes intracellulaires, observés au niveau de concentrations de certaines molécules (glucose, hormones, ions calcium ou potassium, ...). Ils illustrent et prolongent in vivo les comportements chaotiques manifestés par certaines réactions chimiques2.

Source : « Le chaos en biologie »

« Avec l'épidémiologiste Roy Anderson, May a développé une série de modèles analytiques perspicaces, résumés dans leur livre de 1991 Infectious Diseases of Humans : Dynamics and Control. Leur principale innovation consistait à réduire le problème de la compréhension du pourquoi et du moment des maladies à quelques variables clés. Si, par exemple, le nombre de nouvelles infections d'un cas primaire (le facteur de transmission, R0) dépasse un, la maladie a le potentiel de devenir une épidémie. Anderson et May ont calculé le facteur de transmission efficace si une fraction de la population est immunisée, par exemple à la suite de la vaccination. Cela leur a permis de prédire la proportion de la population qui aurait besoin d'être vaccinée pour éviter la propagation d'une maladie. Ces informations constituent le fondement de notre compréhension de la pandémie de coronavirus, alors que R0 est passé de documents techniques à des bulletins d'information à travers le monde. »

“With the epidemiologist Roy Anderson, May developed a series of insightful analytical models, summarized in their 1991 book Infectious Diseases of Humans : Dynamics and Control. Their key innovation was reducing the problem of understanding why and when diseases spread to a few key variables. If, for example, the number of new infections from one primary case (the transmission factor, R0) exceeds one, the disease has the potential to become an epidemic. Anderson and May calculated the effective transmission factor if a fraction of the population is immune, for instance as a result of vaccination. This allowed them to predict the proportion of the population that would need to be vaccinated to prevent the spread of a disease. These insights form the foundation of our understanding of the coronavirus pandemic, as R0 has moved from technical papers into news bulletins around the world.”
https://www.nature.com/articles/d41586-020-01364-y

Robert May and Roy Anderson, Infectious Diseases of Humans : Dynamics and Control
https://books.google.fr/books?id=HT0--xXBguQC&pg=PP9&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false

Vale Robert May, the legendary scientist who helped us understand ecosystems, chaos theory and even pandemics

https://theconversation.com/vale-robert-may-the-legendary-scientist-who-helped-us-understand-ecosystems-chaos-theory-and-even-pandemics-137595

Robert May, Chaos and the dynamics of biological populations
https://www.jstor.org/stable/2398225?seq=1

B. M. Bolker and B. T. Grenfell, Chaos and Biological Complexity in Measles Dynmaics

https://www.jstor.org/stable/49933?seq=1

Andreas Eilersen, Mogens H. Jensen & Kim Sneppen, Chaos in disease outbreaks among prey, Scientific Reports

https://www.nature.com/articles/s41598-020-60945-z

L.F.Olsen, G.L.Truty, W.M.Schaffer, Oscillations and chaos in epidemics : A nonlinear dynamic study of six childhood diseases in Copenhagen, Denmark

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0040580988900196

Andrew Jones & Nikolay Strigul, Is spread of COVID-19 a chaotic epidemic ? Chaos, Solitons & Fractals (2021)
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960077920307700?via%3Dihub

Hoppensteadt, F. C., Mathematical Theories of Populations : Demographics, Genetics and Epidemics (SIAM, Philadelphia, 1975)
https://epubs.siam.org/doi/abs/10.1137/1.9781611970487.ch3

L. F. Olsen and W. M. Schaffer, “Chaos versus noisy periodicity : Alternative hypotheses for childhood epidemics”, Science249(1990), 499–504
https://science.sciencemag.org/content/249/4968/499

Idris Ahmed, Goni Umar Modu[…] & Ibrahim Yusuf, A mathematical model of Coronavirus Disease (COVID-19) containing asymptomatic and symptomatic classes, Results in Physics (2021)
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211379720321860?via%3Dihub

L. F. Olsen and W. M. Schaffer, Chaos in Childhood Epidemics
https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-1-4757-0623-9_22

Andrew Jones & Nikolay Strigul, Is spread of COVID-19 a chaotic epidemic ? Chaos, Solitons & Fractals (2021)
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960077920307700?via%3Dihub

Dirk Stiefs, Ezio Venturino and Ulrike Feudel, Evidence of chaos in eco-epidemic models
https://www.aimsciences.org/article/doi/10.3934/mbe.2009.6.855

L. Billings & I. B. Schwartz, Journal of Mathematical Biology,Exciting chaos with noise : unexpected dynamics in epidemic outbreaks
https://link.springer.com/article/10.1007/s002850100110

Stability or Chaos in Discrete Epidemic Models, Kenneth L.Cooke Daniel, F.Calef Eric V.Level
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780124341500500138

Detecting Nonlinearity and Chaos in Epidemic Data, S Ellner, AR Gallant, J Theiler

https://books.google.fr/books?hl=fr&lr=&id=MZRkdfOBylYC&oi=fnd&pg=PA229&dq=epidemic+and+chaos&ots=afeDW5XEQg&sig=2EwQNFxuV_tVrU3zzWB2dmsBtd0#v=onepage&q=epidemic%20and%20chaos&f=false

S. Mangiarotti, M. Peyre, Y. Zhang, M. Huc, F. Roger, and Y. Kerr, Chaos theory applied to the outbreak of COVID-19 : an ancillary approach to decision making in pandemic context
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7231667/

Autres lectures

Sud Ouest

https://www.sudouest.fr/sante/le-coronavirus-peut-il-devenir-un-jour-un-simple-rhume-1266965.php

Futura sciences
https://www.futura-sciences.com/sante/actualites/coronavirus-pourrait-terminer-epidemie-coronavirus-81020/

The Conversation

https://theconversation.com/voici-comment-la-covid-19-pourrait-devenir-un-simple-rhume-154813

CNRS : La théorie du chaos appliquée à l'épidémie de Covid-19
https://www.insu.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/la-theorie-du-chaos-appliquee-lepidemie-de-covid-19

Mathématiques et pandémie
https://www.florilege-maths.fr/fiche/mathematiques-et-pandemie/

Cirad

https://www.cirad.fr/les-actualites-du-cirad/actualites/2020/science/covid-19-quand-la-theorie-du-chaos-prevoit-l-evolution-de-l-epidemie

Youtube

https://www.youtube.com/watch?v=Z27HG2dtgck

Le Temps
https://labs.letemps.ch/interactive/2020/quiz-pandemies/

France Culture
https://www.franceculture.fr/histoire/comment-se-terminent-les-epidemies

RCF Radio

https://rcf.fr/vie-quotidienne/comment-meurent-les-epidemies

LCI

https://www.lci.fr/sante/coronavirus-covid-19-comment-vivent-et-meurent-les-epidemies-2146851.html

France Info

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Marianne

https://www.marianne.net/societe/covid-19-et-au-fait-comment-se-terminent-les-epidemies

Science et Avenir

https://www.sciencesetavenir.fr/sante/comment-se-terminent-les-epidemies_146074

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https://da-dk.facebook.com/franceculture/videos/comment-se-terminent-les-%C3%A9pid%C3%A9mies/245623736594416/

C News

https://www.cnews.fr/france/2020-07-29/coronavirus-vaccins-traitements-immunite-comment-se-terminent-les-epidemies-983094

Matière et Révolution

https://www.matierevolution.fr/spip.php?breve1132

PositivR
https://positivr.fr/comment-s-arrete-une-epidemie/

Arc Info

https://www.arcinfo.ch/dossiers/coronavirus/articles/coronavirus-comment-se-terminent-les-epidemies-939470

ICI Québec
https://ici.radio-canada.ca/nouvelle/1776132/pandemie-un-an-covid-19-histoire-virus-grippe-variole-cholera-peste-mortalite

RTL

https://www.rtl.fr/actu/bien-etre/coronavirus-comment-disparait-une-epidemie-7800534490

L'Express

https://www.lexpress.fr/actualite/sciences/comment-les-pandemies-prennent-elles-fin_2126040.html

Le Nouvel Obs

https://www.nouvelobs.com/coronavirus-de-wuhan/20200322.OBS26421/de-la-peste-au-coronavirus-7-choses-a-savoir-sur-l-histoire-des-epidemies.html

Le Parisien

https://www.leparisien.fr/societe/sante/coronavirus-2019-ncov-comment-une-epidemie-prend-elle-fin-31-01-2020-8249091.php

Orange

https://actu.orange.fr/societe/videos/comment-une-pandemie-prend-elle-fin-CNT000001q9l2N.html

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.

Comprendre la physique du Soleil

Robert Paris — 2018-07-01T22:33:00Z

Comprendre la physique du Soleil

Le Soleil est une immense masse gazeuse (d'environ 700 millions de kilomètres de rayon), très massive (trois cents mille fois la masse terrestre), sans aucune partie solide et qui est en rotation sur elle-même (période de rotation de 26,9 jours à l'équateur). Ce n'est pas un gaz dans l'état tel que nous le connaissons sur Terre car la pression est bien plus grande que celles terrestres. La surface solaire est à deux à trois millions de degrés (température qui est indiquée par la couleur de l'étoile). Le cœur du Soleil atteint plus de quinze millions de degrés. Cette étoile est âgée de 4,5 millions d'années et est née en même temps que le système planétaire qui l'entoure et dont la Terre fait partie. L'âge du Soleil est déterminé par la proportion entre noyaux atomiques d'Hydrogène et d'Hélium. Actuellement, le Soleil est formé de 73% d'Hydrogène, de 25% d'Hélium.

L'énergie du Soleil est fondée sur le fait que les noyaux atomiques en fusionnant, émettent de l'énergie nucléaire par interaction matière-antimatière.

C'est le centre du système autour duquel gravite la Terre et c'est aussi la source de l'essentiel de l'énergie sans laquelle la vie y serait impossible. Le fait que l'on voie le soleil ne signifie pas que l'on voit tout ce qui s'y passe. La surface rend opaque tout l'intérieur du soleil et les informations dont nous disposons sur ce qui se passe à l'intérieur ne peuvent qu'être indirectes. La lumière elle-même ne vient jamais directement du centre du Soleil. Il faut un grand nombre d'années pour que de la lumière partant du centre atteigne la surface solaire.

La première étude du soleil est permise par l'équilibre hydrostatique, entre contraction (due à la gravitation) et expansion (due à la pression des radiations). Cet équilibre qui caractérise une étoile permet de calculer une évaluation grossière de la température moyenne interne et la pression dans le soleil. La température moyenne est de l'ordre de 15 millions de degrés et la pression interne plus de deux cent milliards de fois la pression atmosphérique terrestre. Avec de telles pressions, la structure matérielle est décomposée : les molécules sont cassées et les noyaux ont perdu leurs électrons périphériques.

Dans le soleil, dans ces conditions de température et de pression, un photon ne parcourt en moyenne qu'un demi-centimètre avant d'entrer en collision avec une particule. Le photon est absorbé et réémis, dans une direction différente. C'est pourquoi il faut environ un millions d'années à un photon émis au centre du Soleil pour en atteindre la périphérie. C'est également la température centrale du soleil qui permet aux noyaux d'hydrogène de vaincre les forces de répulsion nucléaire et de fusionner pour donner des noyaux d'hélium, fournissant ainsi l'énergie nucléaire du soleil. C'est cette nucléosynthèse qui permet de former non seulement l'hélium mais tous les autres éléments, les autres noyaux d'atomes par ce que l'on appelle des nucléosynthèses.

Contractions et fusions nucléaires sont les deux forces contradictoires qui fondent la dynamique et la stabilité globale du soleil, comme de toutes les étoiles. Le taux de production d'énergie nucléaire contrebalance exactement la perte d'énergie due aux photons qui vont du centre vers la surface et quittent celle-ci dans l'espace.

Dans le soleil, un cycle nucléaire est fondamental : le cycle proton-proton. Il faut atteindre plus de 1,2 fois la masse solaire pour qu'intervienne en plus, toujours au centre, le cycle CNO (celui qui permet la formation du noyau atomique de Carbone).

Le cycle proton-proton est fondé sur dix réactions successives plus ou moins emboitées qui permettent, à partir des protons de Hydrogène, de former le deutérium, l'hélium, le Béryllium, le Lithium, ainsi qu'une grande quantité de rayonnement gamma, de neutrinos électroniques et d'énergie. L'énergie émise est formée par la destruction entre matière et antimatière (électron et positrons). L'énergie perdue est transportée par les neutrinos électroniques.

L'essentiel de l'énergie solaire est fondée sur des réactions entre un noyau de Deutérium (formé par l'accouplement de deux noyaux d'Hydrogène) et un noyau d'Hydrogène et des réactions entre deux noyaux d'Hélium (formé par l'accouplement d'un noyau d'Hydrogène et d'un noyau de Deutérium).

Le Soleil est organisé en couches en oignon, du centre vers la périphérie : cœur, zone radiative, zone convective, couronne, chromosphère et photosphère.

La photosphère, zone externe du Soleil qui n'est que de 500 kilomètres, n'est pas uniforme en température : l'essentiel est à 5700 degrés alors que les tâches solaires sont à 3500 degrés. Les tâches solaires sont liées au champ magnétique.

La chromosphère atteint quinze mille degrés.

La couronne est entre deux et trois millions de degrés mais d'une densité très faible (un milliardième de la densité terrestre) et du type du meilleur vide produit sur Terre.

Qu'est-ce qu'un soleil ?

D'où vient l'énergie du soleil

Comment naissent les soleils

L'origine du cycle solaire de 11 ans

Le mécanisme du champ magnétique solaire, à l'origine des éruptions solaires

Les tresses de la couronne solaire

Le soleil est-il le seul à réchauffer la terre

D'où viennent les tâches solaires

Réactions nucléaires dans le Soleil

Que nous apprennent les neutrinos solaires

Que sont les neutrinos

Quand le Soleil s'éteindra

Qu'est-ce que le vent solaire

Comment fonctionne le Soleil

Lire encore sur le Soleil

Ce que l'on croyait sur le Soleil en 1869

Puis en1870

Et en 1875

Films :

Flammes de soleil

Les enfants du soleil, conférence d'André Brahic

Les étoiles et le soleil

Observations solaires

Autour du Soleil

Soleil et système solaire

Physique des systèmes dynamiques non-linéaires, discontinus, chaotiques et dialectiquement contradictoires…

Robert Paris — 2018-05-22T22:59:00Z

Physique des systèmes dynamiques non-linéaires, discontinus, chaotiques et dialectiquement contradictoires…

Système dynamiques non-linéaires

Qu'est-ce qu'un système dynamique ?

L'idée du non-linéaire

La discontinuité

Le chaos déterministe en sciences

La dynamique non-linéaire

Qu'est-ce que la dialectique ?

Dialectique et matière

Le réel n'est pas la succession temporelle, linéaire, logique et graduelle des états actuels

L'histoire de l'expérience de Fermi-Pasta-Ulam

Systèmes dynamiques non-linéaires

La théorie du chaos déterministe

Dynamique non-linéaire et chaos

Systèmes non-linéaires et chaos

Le chaos déterministe obéit à des lois dites non linéaires

Physique non-linéaire

Dynamique non-linéaire et chaos

Sur le chaos déterministe

Discontinu, déterministe et dialectique

Que savons-nous des systèmes dynamiques ?

Dynamique et dialectique de la matière

Le chaos

Faut-il opposer diamétralement la matière vivante et la matière inerte ?

Robert Paris — 2017-10-13T23:35:00Z

François Jacob dans son exposé pour l'Université de tous les savoirs du 1er janvier 2000, intitulée « Qu'est-ce que la vie ? »

« Certains scientifiques considèrent que toutes les étapes impliquées dans l'avènement d'un monde à ARN, puis dans le passage à un monde à ADN, sont des réactions chimiques ordinaires. Elles ne peuvent donc manquer de se produire si suffisamment d'occasions, donc de temps, leur sont données. Pour eux, le vivant ne pouvait donc pas ne pas se former sur la Terre. »

Martin Olomucki dans « La chimie du vivant » :

« Des données expérimentales récentes laissent supposer que, grâce à leurs propriétés chimiques, les ARN ont rendu possible l'émergence des protéines. (...) Rien ne s'oppose à l'idée que les ARN primordiaux aient pu promouvoir la polymérisation d'un autre type de monomères : les acides aminés. (...) Tel est le schéma d'organisation des protéines actuelles, dont les origines remontent au monde archaïque des ARN. (...) En donnant naissance à des protéines, les ARN ont agi en apprentis-sorciers. (...) L'apparition des protéines a donc, au sens propre comme au sens figuré, introduit une nouvelle dimension dans le développement de la chimie du vivant. Ces nouvelles macromolécules, capables de déployer dans l'espace des outils chimiques efficaces pour constituer des sites catalytiques spécifiques et performants, ont ouvert à l'évolution de vastes perspectives. Grâce à elles, l'organisation de la matière a pu franchir un pas décisif et révolutionnaire. De nombreuses étapes restaient à franchir et de nombreuses crises d'organisation devaient encore être surmontées. »

Faut-il opposer diamétralement la matière vivante et la matière inerte ?

Le point de vue de Bergson :

Dans « L'évolution créatrice », Bergson se fait le défenseur d'une opposition diamétrale entre matière inerte et matière vivante. Pour lui, la vie visait d'avance la conscience et l'intelligence et doit être appréciée à cette aune. Et il affirme que conscience et intelligence vont a contrario des lois de la matière inerte. Il estime que la vie est marquée par l'histoire et pas la matière inerte ! Pour lui, la vie est synonyme de changement et la matière inerte de conservation ! L'inerte, selon Bergson, est fait d'état identiques à eux-mêmes, et donc diamétralement opposés à la matière vivante ! « Le groupe d'éléments (de matière inerte) n'a pas d'histoire », déclare Bergson !!!! Bergson n'a pas retenu de la matière « inerte » ni les transitions de phase, ni l'agitation brownienne, ni l'émergence de structures, ni les annihilations-créations, ni la dynamique virtuel-réel, ni les divers sauts quantiques, ni les changements d'état, etc.

Bergson n'est pas le seul métaphysicien ou religieux à laisser la matière inerte aux sciences, physique, chimique, et à vouloir rendre le domaine du vivant, du conscient, de l'intelligent à la religion, à l'esprit, à dieu !!! Et cela continue malgré les développements de la théorie de l'évolution, de la chimie, de la biologie, de la génétique, du développement, de l'embryologie, etc. Ce n'est pas les découvertes scientifiques qui suffiront à démolir la pensée mystique et métaphysique.

Même l'étude des neurones, les sciences du cerveau, les connaissances sur la mise en place du système nerveux central de l'homme, les connaissances sur la formation de l'intelligence humaine, ni les neurosciences n'ont pas supprimé les idéologies du « miracle de l'intelligence » pas plus que la biologie n'a supprimé les croyances dans le « miracle de la vie ».

Avant de citer davantage Bergson, quelques remarques sur la matière dite « inerte » :

Le mouvement permanent de la matière

La valse permanente du virtuel et du réel

Les sauts quantiques

Prigogine et l'émergence de structure de la matière loin de l'équilibre

Le chaos déterministe de la matière inerte

La matière subit une agitation permanente

La matière connaît sans cesse des changements discontinus

La matière inerte n'est pas a-historique

La matière n'est pas si inerte que ça !

Les changements internes de la matière au niveau quantique

La matière inerte subit des révolutions

La matière inerte n'est pas que conservation mais transformation

La matière est dynamique

Que savons-nous du passage de l'inerte au vivant ?

Le fonctionnement matériel du neurone

Le fonctionnement matériel du cerveau

La dynamique matérielle du cerveau

La fabrication matérielle du cerveau

Le cerveau est-il un système critique auto-organisé ?

Le fonctionnement matériel de l'intelligence

La naissance de la conscience humaine

Bergson débute sou ouvrage « L'évolution créatrice » (chapitre premier, De l'évolution de la vie. — Mécanisme et finalité) par :

« De cette survivance du passé résulte l'impossibilité, pour une conscience, de traverser deux fois le même état. Les circonstances ont beau être les mêmes, ce n'est plus sur la même personne qu'elles agissent, puisqu'elles la prennent à un nouveau moment de son histoire. Notre personnalité, qui se bâtit à chaque instant avec de l'expérience accumulée, change sans cesse. En changeant, elle empêche un état, fût-il identique à lui-même en surface, de se répéter jamais en profondeur. C'est pourquoi notre durée est irréversible. Nous ne saurions en revivre une parcelle, car il faudrait commencer par effacer le souvenir de tout ce qui a suivi. Nous pourrions, à la rigueur, rayer ce souvenir de notre intelligence, mais non pas de notre volonté.… Pour un être conscient, exister consiste à changer, changer à se mûrir, se mûrir à se créer indéfiniment soi-même. En dirait-on autant de l'existence en général ? Un objet matériel, pris au hasard, présente les caractères inverses de ceux que nous venons d'énumérer. Ou il reste ce qu'il est, ou, s'il change sous l'influence d'une force extérieure, nous nous représentons ce changement comme un déplacement de parties qui, elles, ne changent pas. Si ces parties s'avisaient de changer, nous les fragmenterions à leur tour. Nous descendrons ainsi jusqu'aux molécules dont les fragments sont faits, jusqu'aux atomes constitutifs des molécules, jusqu'aux corpuscules générateurs des atomes, jusqu'à l' « impondérable » au sein duquel le corpuscule se formerait par un simple tourbillonnement. Nous pousserons enfin la division ou l'analyse aussi loin qu'il le faudra. Mais nous ne nous arrêterons que devant l'immuable. Maintenant, nous disons que l'objet composé change par le déplacement de ses parties. Mais, quand une partie a quitté sa position, rien ne l'empêche de la reprendre. Un groupe d'éléments qui a passé par un état peut donc toujours y revenir, sinon par lui-même, au moins par l'effet d'une cause extérieure qui remet tout en place. Cela revient à dire qu'un état du groupe pourra se répéter aussi souvent qu'on voudra et que par conséquent le groupe ne vieillit pas. Il n'a pas d'histoire. Ainsi, rien ne s'y crée, pas plus de la forme que de la matière. Ce que le groupe sera est déjà présent dans ce qu'il est, pourvu que l'on comprenne dans ce qu'il est tous les points de l'univers avec lesquels on le suppose en rapport. Une intelligence surhumaine calculerait, pour n'importe quel moment du temps, la position de n'importe quel point du système dans l'espace. Et comme il n'y a rien de plus, dans la forme du tout, que la disposition des parties, les formes futures du système sont théoriquement visibles dans sa configuration présente. Toute notre croyance aux objets, toutes nos opérations sur les systèmes que la science isole, reposent en effet sur l'idée que le temps ne mord pas sur eux. »

Source

On peut lire également dans le chapitre deux du même ouvrage, Bergson affirmer que :

« Ainsi, toutes les forces élémentaires de l'intelligence tendent à transformer la matière en instrument d'action, c'est-à-dire, au sens étymologique du mot, en organe. La vie, non contente de produire des organismes, voudrait leur donner comme appendice la matière inorganique elle-même, convertie en un immense organe par l'industrie de l'être vivant. Telle est la tâche qu'elle assigne d'abord à l'intelligence. C'est pourquoi l'intelligence se comporte invariablement encore comme si elle était fascinée par la contemplation de la matière inerte. Elle est la vie regardant au dehors, s'extériorisant par rapport à elle-même, adoptant en principe, pour les diriger en fait, les démarches de la nature inorganisée. De là son étonnement quand elle se tourne vers le vivant et se trouve en face de l'organisation. Quoi qu'elle fasse alors, elle résout l'organisé en inorganisé, car elle ne saurait, sans renverser sa direction naturelle et sans se tordre sur elle-même, penser la continuité vraie, la mobilité réelle, la compénétration réciproque et, pour tout dire, cette évolution créatrice qui est la vie… Toutes nos analyses nous ramènent à cette conclusion. Mais point n'était besoin d'entrer dans d'aussi longs détails sur le mécanisme du travail intellectuel : il suffirait d'en considérer les résultats. On verrait que l'intelligence, si habile à manipuler l'inerte, étale sa maladresse dès qu'elle touche au vivant. Qu'il s'agisse de traiter la vie du corps ou celle de l'esprit, elle procède avec la rigueur, la raideur et la brutalité d'un instrument qui n'était pas destiné à un pareil usage. L'histoire de l'hygiène et de la pédagogie en dirait long à cet égard. Quand on songe à l'intérêt capital, pressant et constant, que nous avons à conserver nos corps et à élever nos âmes, aux facilités spéciales qui sont données ici à chacun pour expérimenter sans cesse sur lui-même et sur autrui, au dommage palpable par lequel se manifeste et se paie la défectuosité d'une pratique médicale ou pédagogique, on demeure confondu de la grossièreté et surtout de la persistance des erreurs. Aisément on en découvrirait l'origine dans notre obstination à traiter le vivant comme l'inerte et à penser toute réalité, si fluide soit-elle, sous forme de solide définitivement arrêté. Nous ne sommes à notre aise que dans le discontinu, dans l'immobile, dans le mort. L'intelligence est caractérisée par une incompréhension naturelle de la vie. »

Dans le chapitre trois, intitulé « De la signification de la vie. L'ordre de la nature et la forme de l'intelligence. », on peut lire :

« Au cours de notre premier chapitre, nous avons tracé une ligne de démarcation entre l'inorganique et l'organisé, mais nous indiquions que le sectionnement de la matière en corps inorganisés est relatif à nos sens et à notre intelligence, et que la matière, envisagée comme un tout indivisé, doit être un flux plutôt qu'une chose. Par là nous préparions les voies à un rapprochement entre l'inerte et le vivant… il y a un point que tout le monde nous accordera, c'est que l'intelligence se sent surtout à son aise en présence de la matière inorganisée. De cette matière elle tire de mieux en mieux parti par des inventions mécaniques, et les inventions mécaniques lui deviennent d'autant plus faciles qu'elle pense la matière plus mécaniquement. Elle porte en elle, sous forme de logique naturelle, un géométrisme latent qui se dégage au fur et à mesure qu'elle pénètre davantage dans l'intimité de la matière inerte. Elle est accordée sur cette matière, et c'est pourquoi la physique et la métaphysique de la matière brute sont si près l'une de l'autre. Maintenant, quand l'intelligence aborde l'étude de la vie, nécessairement elle traite le vivant comme l'inerte, appliquant à ce nouvel objet les mêmes formes, transportant dans ce nouveau domaine les mêmes habitudes qui lui ont si bien réussi dans l'ancien. Et elle a raison de le faire, car à cette condition seulement le vivant offrira à notre action la même prise que la matière inerte. Mais la vérité où l'on aboutit ainsi devient toute relative à notre faculté d'agir. Ce n'est plus qu'une vérité symbolique. Elle ne peut pas avoir la même valeur que la vérité physique, n'étant qu'une extension de la physique à un objet dont nous convenons a priori de n'envisager que l'aspect extérieur. Le devoir de la philosophie serait donc d'intervenir ici activement, d'examiner le vivant sans arrière-pensée d'utilisation pratique, en se dégageant des formes et des habitudes proprement intellectuelles. Son objet à elle est de spéculer, c'est-à-dire de voir ; son attitude vis-à-vis du vivant ne saurait être celle de la science, qui ne vise qu'à agir, et qui, ne pouvant agir que par l'intermédiaire de la matière inerte, envisage le reste de la réalité sous cet unique aspect. Qu'arrivera-t-il donc si elle abandonne à la science positive toute seule les faits biologiques et les faits psychologiques, comme elle lui a laissé, à bon droit, les faits physiques ? A priori elle acceptera une conception mécanistique de la nature entière, conception irréfléchie et même inconsciente, issue du besoin matériel. A priori elle acceptera la doctrine de l'unité simple de la connaissance, et de l'unité abstraite de la nature… Commençons, au contraire, par tracer une ligne de démarcation entre l'inerte et le vivant. Nous trouverons que le premier entre naturellement dans les cadres de l'intelligence, que le second ne s'y prête qu'artificiellement, que dès lors il faut adopter vis-à-vis de celui-ci une attitude spéciale et l'examiner avec des yeux qui ne sont pas ceux de la science positive. La philosophie envahit ainsi le domaine de l'expérience. Elle se mêle de bien des choses qui, jusqu'ici, ne la regardaient pas. Science, théorie de la connaissance et métaphysique vont se trouver portées sur le même terrain. Il en résultera d'abord une certaine confusion parmi elles. Toutes trois croiront d'abord y avoir perdu quelque chose. Mais toutes trois finiront par tirer profit de la rencontre. La connaissance scientifique, en effet, pouvait s'enorgueillir de ce qu'on attribuait une valeur uniforme à ses affirmations dans le domaine entier de l'expérience. Mais, précisément parce que toutes se trouvaient placées au même rang, toutes finissaient par y être entachées de la même relativité. Il n'en sera plus de même quand on aura commencé par faire la distinction qui, selon nous, s'impose. L'entendement est chez lui dans le domaine de la matière inerte. Sur cette matière s'exerce essentiellement l'action humaine, et l'action, comme nous le disions plus haut, ne saurait se mouvoir dans l'irréel. Ainsi, pourvu que l'on ne considère de la physique que sa forme générale, et non pas le détail de sa réalisation, on peut dire qu'elle touche à l'absolu. Au contraire, c'est par accident, — chance ou convention, comme on voudra, — que la science obtient sur le vivant une prise analogue à celle qu'elle a sur la matière brute. Ici l'application des cadres de l'entendement n'est plus naturelle. Nous ne voulons pas dire qu'elle ne soit plus légitime, au sens scientifique du mot. Si la science doit étendre notre action sur les choses, et si nous ne pouvons agir qu'avec la matière inerte pour instrument, la science peut et doit continuer à traiter le vivant comme elle traitait l'inerte. Mais il sera entendu que, plus elle s'enfonce dans les profondeurs de la vie, plus la connaissance qu'elle nous fournit devient symbolique, relative aux contingences de l'action. Sur ce nouveau terrain la philosophie devra donc suivre la science, pour superposer à la vérité scientifique une connaissance d'un autre genre, qu'on pourra appeler métaphysique. Dès lors toute notre connaissance, scientifique ou métaphysique, se relève. Dans l'absolu nous sommes, nous circulons et vivons. La connaissance que nous en avons est incomplète, sans doute, mais non pas extérieure ou relative. C'est l'être même, dans ses profondeurs, que nous atteignons par le développement combiné et progressif de la science et de la philosophie. En renonçant ainsi à l'unité factice que l'entendement impose du dehors à la nature, nous en retrouverons peut-être l'unité vraie, intérieure et vivante. Car l'effort que nous donnons pour dépasser le pur entendement nous introduit dans quelque chose de plus vaste, où notre entendement se découpe et dont il a dû se détacher. Et, comme la matière se règle sur l'intelligence, comme il y a entre elles un accord évident, on ne peut engendrer l'une sans faire la genèse de l'autre. Un processus identique a dû tailler en même temps matière et intelligence dans une étoffe qui les contenait toutes deux. Dans cette réalité nous nous replacerons de plus en plus complètement, à mesure que nous nous efforcerons davantage de transcender l'intelligence pure… Au fond de la « spiritualité » d'une part, de la « matérialité » avec l'intellectualité de l'autre, il y aurait donc deux processus de direction opposée, et l'on passerait du premier au second par voie d'inversion, peut-être même de simple interruption, s'il est vrai qu'inversion et interruption soient deux termes qui doivent être tenus ici pour synonymes, comme nous le montrerons en détail un peu plus loin… Sans doute nous ne faisons que les premiers pas dans la direction de l'étendue, même quand nous nous laissons aller le plus que nous pouvons. Mais supposons, un instant, que la matière consiste en ce même mouvement poussé plus loin, et que le physique soit simplement du psychique inverti. On comprendrait alors que l'esprit se sentît si bien à son aise et circulât si naturellement dans l'espace, dès que la matière lui en suggère la représentation plus distincte. Cet espace il en avait la représentation implicite dans le sentiment même qu'il prenait de sa détente éventuelle, c'est-à-dire de son extension possible. Il le retrouve dans les choses, mais il l'eût obtenu sans elles s'il eût eu l'imagination assez puissante pour pousser jusqu'au bout l'inversion de son mouvement naturel. D'autre part, nous nous expliquerions ainsi que la matière accentuât encore sa matérialité sous le regard de l'esprit. Elle a commencé par aider celui-ci à redescendre sa pente à elle, elle lui a donné l'impulsion. Mais l'esprit continue, une fois lancé. La représentation qu'il forme de l'espace pur n'est que le schéma du terme où ce mouvement aboutirait. Une fois en possession de la forme d'espace, il s'en sert comme d'un filet aux mailles faisables et défaisables à volonté, lequel, jeté sur la matière, la divise comme les besoins de notre action l'exigent. Ainsi, l'espace de notre géométrie et la spatialité des choses s'engendrent mutuellement par l'action et la réaction réciproques de deux termes qui sont de même essence, mais qui marchent en sens inverse l'un de l'autre. Ni l'espace n'est aussi étranger à notre nature que nous nous le figurons, ni la matière n'est aussi complètement étendue dans l'espace que notre intelligence et nos sens se la représentent. »

Fin de citations de Bergson….

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Les voies du chaos

L'homme devant l'incertain, Prigogine

En anglais :

Chaos and Non-linear Dynamics

Non-linear Dynamics and Chaos

Non-linear Dynamics : Integrability, Chaos and Patterns

Non-linear Dynamics in Physiology and Medecine

Perspectives of non-linear dynamics

The End of Certainty, Ilya Prigogine

Chaos : the New Science

The Question of Self-organization

Comment la physique se prépare à une nouvelle révolution conceptuelle fondamentale

Robert Paris — 2015-10-23T23:50:00Z

« La subtilité de la nature est plusieurs fois supérieure à celle des sens et de l'entendement. »

Francis Bacon

« Nous avons peut-être besoin d'imagination plus que d'investissement en matériel. »

David Ritz Finkelstein, dans « Le vide »

« L'objectif des sciences naturelles est l'étude de la nature, des nombreux objets et processus, des lois qui les gouvernent. »

V. Ginzburg, « Sur la physique et l'astrophysique »

« La science ne concerne pas le statu quo mais la révolution. »

Léon Lederman dans « Si l'Univers est la réponse, quelle est la question ? »

Il convient de remarquer que les ouvrages précédents défendent des points de vue parfois convergents mais souvent en débat les uns avec les autres...

Comment la physique se prépare à une nouvelle révolution conceptuelle fondamentale

Comme on le sait, la physique a connu plusieurs grandes révolutions de ses concepts fondamentaux. Ces révolutions sont attachées à des noms célèbres : Anaximandre, Anaxagore, Démocrite, Parménide, Zénon, Epicure, Lucrèce, Bacon, Bruno, Galilée, Kepler, Newton, Faraday, Hertz, Maxwell, Poincaré, Lorentz, Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg, de Broglie, Schrödinger, Pauli, Fermi, Feynman et bien d'autres…

A nouveau aujourd'hui, plusieurs savants estiment que la physique est au bord d'une nouvelle révolution dont nous allons essayer de faire mesurer l'ampleur, le but et la direction des recherches.

Si l'école de Copenhague de la physique (Bohr, Heisenberg, Born, Jordan, von Neuman, Dirac, Pauli, Fermi, Wigner, Weisskopf, Oppenheimer,…) avait donné le « la » en physique pendant de longues années, affirmant qu'on ne pourra jamais que calculer à partir des expériences sans pouvoir dire ce qui se passe dans la matière ni s'interroger là-dessus, il semble bien que cette affirmation péremptoire doive bientôt être battue en brèche et que l'on va pouvoir, à partir des quanta du vide, particules, antiparticules et bosons virtuels, décrire « ce qui se passe quand… ». On se souvient que la physique dite classique reposait sur de telles descriptions. Mais la découverte du niveau quantique a amené la découverte du quanta, l'impossibilité de descendre en dessous d'un quanta et, du coup, les inégalités d'Heisenberg et l'impossibilité décrétée par Bohr de faire autre chose qu'étudier des expériences, c'est-à-dire des interactions entre le niveau classique (macroscopique) et le niveau quantique (par exemple celui des particules). Cela semblait opposer un mur naturel à la connaissance. L'étude du vide quantique semble devoir donner tort à ce renoncement à la connaissance car nos théories du vide pourraient bien donner une description du niveau quantique sans faire appel au niveau classique, tout en unifiant toute la physique, du niveau le plus grand au niveau le plus petit. Elle pourrait expliquer aussi bien la dualité onde/corpuscule (par exemple dans l'expérience des fentes de Young) que le principe de Pauli (qui empêche la matière de se concentrer) ou la loi des bosons (comme le photon lumineux) qui les amène à se grouper et les empêche d'interagir entre eux. Le vide quantique y est appelé à apparaître pour ce qu'il est : le véritable fondement matériel et unitaire du monde, qui construit aussi bien la matière, que la lumière ainsi que l'espace et le temps. Le vide devrait être le fondement aussi bien de la gravitation que des autres forces, devenant ainsi le principe général unificateur, puisqu'il est source aussi bien des masses, des charges, des interactions, des énergies.

Le point de vue de Sheldon Glashow, dans « Le charme de la Physique » :

« La seule question qui m'ait toujours fasciné, qui a occupé l'esprit d'une génération de savants… c'est, suivant l'inimitable manière des scientifiques : « Qu'est-ce que tout ça veut dire ? »….Les questions les plus difficiles restent posées. Comment les étoiles se groupent-elles en galaxies, elles-mêmes rassemblées en amas et même en amas d'amas, le tout entourant d'immenses sphères de vide réparties comme des bulles de savon au fond d'un évier ? Nous ne savons pas ce qui constitue la véritable matière de l'univers, car les étoiles, la poussière et les nuages de gaz ne suffisent pas à rendre compte à eux seuls de sa masse. L'essentiel de la matière est invisible à nos yeux même si nous en connaissons les effets gravitationnels… Nous ne savons pas pourquoi les particules existent, pourquoi elles ont une masse donnée, ni pourquoi elles sont soumises à certaines forces. Notre modèle standard est honnête : il nous dit que, dans ce contexte, il n'existe pas de réponse. Plus encore, notre « théorie de complète unification » n'est ni complète (la durée de vie du proton est fausse), ni unifiée (la gravitation est laissée de côté), ni même vraiment une théorie (elle ne résout aucun des problèmes exposés plus haut). La théorie des champs quantiques, qui est issue du mariage de la mécanique et de la relativité, telle qu'elle a été définie par Dirac, Schwinger, Feynman, Tomonaga et d'autres, nous a bien servi pendant plus de quarante ans, nous aidant à établir notre modèle standard de la physique des particules. Mais elle est aujourd'hui dans une impasse : cette théorie est tout simplement incapable de décrire la gravitation, et donc d'expliquer les premiers instants de la création de l'univers. Elle ne parvient pas d'autre part à répondre à aucune des questions qui se posent aujourd'hui en physique des particules. Manifestement, il nous faut effectuer un pas de géant vers un cadre conceptuel beaucoup plus puissant. La théorie des supercordes est une tentative ambitieuse, et en vogue, de surmonter tous ces obstacles en supposant que les particules élémentaires sont en fait de minuscules boucles de corde, plutôt que des structures ponctuelles… Pour l'instant, la théorie des supercordes n'offre même pas un début de réponse à une question du type : « Qui a besoin du muon ? », mais cela n'a pas empêché toute une génération de brillants jeunes chercheurs de s'embourber dans les calculs les plus inextricables des espaces mathématiques à dix dimensions. Lors du colloque de 1989 de l'université d'été internationale de physique infranucléaire d'Erice, son fondateur et directeur Antonio Zichichi demandait à l'un des conférenciers, parmi les plus jeunes et les plus abstraits : « Existe-t-il une expérience, même imaginaire, qui pourrait permettre de prouver ce que vous avancez ? » La réponse fut négative… Nous tentons d'appréhender la naissance, l'évolution et le destin de notre Univers. Nous voulons savoir pourquoi les choses doivent être exactement ce qu'elles sont. Nous voulons dévoiler la profonde simplicité de la Nature, car il est dans la nature des physiciens des particules (et de quelques autres) d'avoir foi dans la simplicité, et de croire contre toute raison qu'en fait les lois fondamentales de la physique, de la Nature ou de la réalité sont tout à fait élémentaires et compréhensibles. »

Le point de vue de Lee Smolin, dans « Rien ne va plus en physique ! » : »

« Einstein est mort à la fin du quart de siècle, en 1955. Dans la même année, nous avions appris comment assembler de manière cohérente la théorie quantique et la théorie de la relativité restreinte ; telle a été la grande contribution de Freeman Dyson et de Richard Feynman. Nous avions découvert le neutron, le neutrino et des centaines d'autres particules apparemment élémentaires. Nous avions également compris que les myriades de phénomènes naturels sont régis seulement par quatre forces : l'électromagnétisme, la gravité, les interactions nucléaires fortes (qui tiennent ensemble les noyaux atomiques) et les interactions nucléaires faibles (responsables de la désintégration radioactive). Un quart de siècle nous conduit jusqu'à 1980. A cette date, nous avions élaboré la théorie expliquant les résultats de toutes les expériences menées jusqu'à ce jour avec les particules élémentaires : à cette théorie, on a donné le nom de « modèle standard de la physique des particules élémentaires ». Pour prendre un exemple, le modèle standard a prédit, avec précision, la manière dont les protons et les neutrons sont constitués de quarks, et que ces derniers se tiennent ensemble grâce aux gluons, c'est-à-dire grâce aux porteurs des interactions nucléaires fortes. Pour la première fois dans l'histoire de la physique fondamentale, la théorie a rattrapé l'expérimentation. Depuis, personne n'a réalisé une expérience qui ne soit pas compatible avec le modèle standard ou avec la relativité générale. Sur le chemin de l'infiniment petit à l'infiniment grand, notre connaissance de la physique s'étend aujourd'hui à la nouvelle science de la cosmologie, dont la théorie du Big Bang est devenue un point consensuel… C'est ainsi qu'en 1981, la physique pouvait se réjouir de deux cent ans de croissance explosive. Chacune de ses découvertes, suivie d'une autre et encore d'une autre, a approfondi notre compréhension de la nature, puisque, dans chaque cas, la théorie et l'expérience se sont enrichies mutuellement. Les idées nouvelles ont été testées et confirmées, et on a toujours pu donner une explication théorique aux découvertes expérimentales nouvelles. Et puis, au début des années 1980, tout s'est arrêté… Il faut néanmoins admettre que deux découvertes expérimentales ont été faites ces dernières décennies : d'une part les neutrinos ont une masse et d'autre part l'univers est dominé par la mystérieuse matière noire et semble être en expansion accélérée. Mais nous n'avons aucune idée de la cause de la masse des neutrinos (ou de tout autre particule) et nous ne savons pas expliquer son apparition. Quant à la matière noire, elle ne s'explique avec aucune des théories physiques existantes. Sa découverte ne peut donc pas être considérée comme une réussit, puisqu'elle suggère qu'un fait majeur nous échappe. Et, excepté la matière noire, aucune particule nouvelle n'a été découverte, aucune nouvelle force n'a été trouvée, aucun phénomène nouveau n'a été rencontré que nous ne connaissions et n'appréhendions déjà il y a vingt-cinq ans…. Au cours des trois dernières décennies, les théoriciens ont proposé au moins une douzaine d'approches nouvelles. Chacune a été motivée par une hypothèse qui paraissait plausible, mais aucune n'a finalement eu de succès. Dans le domaine de la physique des particules, parmi ces approches nouvelles, se trouvent la technicouleur, les modèles de préons et la supersymétrie. Dans le domaine des théories de l'espace-temps, on trouve la théorie des twisteurs, les ensembles causaux, la supergravité, les triangulations dynamiques et la gravitation quantique à boucles… Une théorie particulière a attiré plus que toute les autres : il s'agit de la théorie des cordes. Les raisons ne sont pas difficiles à comprendre. Elle prétend expliquer correctement à la fois le très grand et le très petit : la gravité et les particules élémentaires – et pour atteindre ce but, elle fait l'hypothèse la plus audacieuse de toutes les théories : elle postule que le monde contient des dimensions non encore observées et beaucoup plus de particules que nous n'en connaissons aujourd'hui. En même temps, la théorie des cordes affirme que toutes les particules élémentaires apparaissent comme les vibrations d'une seule entité, une corde, qui obéit à des lois simples et élégantes. (…) Une partie des raisons pour lesquelles la théorie des cordes ne produit pas de prédictions nouvelles est qu'elle se décline elle-même dans un nombre infini de versions… Les théories des cordes que l'on ne sait pas étudier existent en un nombre tellement grand qu'aucune expérience concevable ne pourra jamais les contredire toutes… Jamais cette théorie n'a été couchée sur le papier. Nous ne savons pas quels sont ses principes fondamentaux… Gerard t'Hoof, prix Nobel pour son travail en physique des particules élémentaires, a ainsi défini l'état de la théorie des cordes : « En fait, je ne serai même pas prêt à appeler la théorie des cordes une théorie, mais je dirai plutôt un modèle ; ou même pas cela : juste un pressentiment. » (…) Comment est-il possible que la théorie des cordes, développée par plus d'un millier des plus brillants chercheurs qui ont travaillé dans les meilleures conditions, soit maintenant sur le point de s'effondrer ? (…) Ce qui est sur le point de s'effondrer n'est pas vraiment une théorie particulière, c'est plutôt un style, une façon de pratiquer la science (…) Cette façon est pragmatique et demande qu'on garde la tête froide, car elle favorise la virtuosité de calcul plus que la réflexion sur des problèmes conceptuels difficiles. Cela est très différent de la manière dont Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger et les autres révolutionnaires du début du XXe siècle faisaient de la science. Leurs réussites venaient d'une réflexion approfondie sur les questions les plus fondamentales concernant l'espace, le temps et la matière. Ils considéraient ce qu'ils étaient en train de faire comme partie intégrante d'une tradition philosophique plus générale, avec laquelle ils se sentaient à l'aise… Dès l'origine de la science physique, il y eut des hommes qui crurent appartenir à la dernière génération pour laquelle l'inconnu existait encore. La physique a toujours semblé quasiment achevée à ceux qui l'ont pratiquée. Cette autosatisfaction n'a été battue en brèche qu'au moment des révolutions, lorsque des hommes honnêtes devaient admettre qu'ils ne connaissaient pas les choses les plus fondamentales… La révolution actuelle a commencé en 1900 avec la découverte par Max Planck de la formule qui décrit la distribution d'énergie dans le spectre de la radiation thermique et qui eut pour conséquence de prouver que l'énergie n'est pas continue, mais quantifiée. Cette révolution doit arriver à sa conclusion. Les problèmes que les physiciens doivent résoudre aujourd'hui sont, en grande partie, des questions qui restent sans réponse, parce que la révolution scientifique du XXe siècle reste inachevée. Au cœur de notre échec à conclure la révolution scientifique actuelle se trouvent cinq problèmes, dont la solution nous échappe… Selon la théorie générale de la relativité d'Einstein, l'espace et le temps ne constituent plus un fond fixe et absolu. L'espace est aussi dynamique que la matière ; il bouge, il change de forme… Ces deux découvertes, la relativité et la quantique, nous ont, chacune, demandé de rompre définitivement avec la physique de Newton. Pourtant, malgré ce très grand progrès accompli au cours du siècle dernier, ces deux découvertes restent incomplètes. Chacune d'elles possède des faiblesses et des défauts, qui tendent à prouver l'existence d'une théorie plus fondamentale. Mais la raison la plus évidente pour laquelle chacune des deux théories est incomplète est l'existence de l'autre. Notre esprit nous incite à chercher une troisième théorie, qui unirait toute la physique, et la raison à l'origine de cette incitation est simple. Il est évident que la nature, elle, est « unifiée ». L'univers dans lequel nous nous trouvons est interconnecté, dans le sens où tout interagit avec tout le reste. Il ne peut pas y avoir de solution où nous aurions deux théories de la nature, qui décriraient des phénomènes différents, comme si l'une n'avait rien à voir avec l'autre. Toute prétendante au sacre de théorie ultime ne peut être qu'une théorie complète de la nature. Elle doit inclure l'ensemble de notre connaissance. La physique a survécu pendant longtemps sans cette théorie unifiée, parce que, en ce qui concerne l'expérience, nous avons toujours été capables de diviser le monde en deux royaumes. Dans le royaume atomique, où règne la physique quantique, on peut le plus souvent ignorer la gravité. On peut traiter l'espace et le temps comme le faisait Newton : en tant que fond invariant. L'autre royaume est celui de la gravitation et de la cosmologie. Dans ce monde, on peut souvent ignorer les phénomènes quantiques. Mais cette division ne peut être qu'une solution provisoire. La dépasser est le premier grand problème non résolu de la physique théorique…. La mécanique quantique, au moins dans la forme sous laquelle elle a été initialement proposée, n'était à l'aise avec le réalisme, parce qu'elle présupposait une partition de la nature en deux parties. D'un côté se trouve le système à observer. Nous, les observateurs, sommes de l'autre côté. De notre côté, se trouvent aussi les instruments que nous utilisons pour préparer les expériences et faire les mesures et les horloges qui enregistrent les instants où les événements ont lieu. On peut décrire la théorie quantique comme un nouveau langage dans notre dialogue avec les systèmes que nous étudions à l'aide de nos instruments. Ce langage quantique contient des verbes, qui se réfèrent à nos préparations et à nos mesures, et des noms qui se réfèrent à ce que nous observons à la suite de ces préparations. Il ne nous dit rien sur ce que serait le monde si nous en étions absents. Dès la création de la théorie quantique, un débat a fait rage entre ceux qui acceptaient cette façon de faire de la science et ceux qui la rejetaient. Beaucoup parmi les fondateurs de la physique quantique, y compris Albert Einstein, Erwin Schrödinger et Louis de Broglie, répugnaient à cette approche. C'étaient des réalistes. Quelle que soit l'efficacité de la théorie quantique, pour eux, elle est restée incomplète, parce qu'elle ne pouvait pas fournir une image de la réalité, en notre absence. De l'autre côté, se sont trouvés Niels Bohr, Werner Heisenberg et plusieurs autres. Au lieu d'en être scandalisés, ils ont accueilli à bras ouverts cette nouvelle façon de faire de la science. Depuis, les réalistes ont marqué quelques points en mettant en évidence des incohérences dans la formulation actuelle de la théorie. Certaines de ces apparentes incohérences surgissent grâce au fait que, si elle est universelle, la théorie quantique doit également s'appliquer à « nous ». Les problèmes viennent alors de la division du monde, nécessaire pour donner un sens à la théorie quantique. En particulier, une difficulté consiste à savoir où l'on met la ligne de division, celle-ci étant dépendante de celui qui fait l'observation… Toute cette thématique est connue sous le nom de « problème des fondements de la mécanique quantique ». C'est le deuxième grand problème de la physique contemporaine… Je dois avouer que je suis un réaliste. Je me place du côté d'Einstein et des autres, qui croient que la mécanique quantique est une description incomplète de la réalité. Mais alors, où devons-nous chercher ce qui manque à la mécanique quantique ? Il m'a toujours semblé clair que la solution demandera bien plus qu'une compréhension plus approfondie de la mécanique quantique elle-même… Il reste deux forces fondamentales dans la nature (dont nous connaissons l'existence) qui échappent à l'unification avec les champs électromagnétique et faible. Ce sont la gravité et les interactions nucléaires fortes (qui tiennent ensemble les particules appelées quarks et qui sont ainsi responsables de la formation des protons et des neutrons constituant le noyau atomique). Ces quatre forces peuvent-elles être unifiées ? C'est notre troisième grand problème. J'appellerai ce problème : « problème d'unification des particules et des forces », pour le distinguer de l'unification des lois dont nous avons parlé plus haut… Malgré son efficacité, le modèle standard se trouve confronté à un grand problème : il contient une longue liste de constantes à ajuster. Lorsqu'on énonce les lois de la théorie, on doit spécifier les valeurs de ces constantes. Ces valeurs pourraient être n'importe lesquelles, car la théorie reste mathématiquement cohérente quelles que soient les valeurs choisies. Celles-ci spécifient les propriétés des particules. Certaines nous fournissent les masses des quarks et des leptons, tandis que d'autres donnent les intensités des forces. Nous n'avons aucune idée de l'origine de ces nombres ; tout ce que nous avons à faire, c'est de les déterminer au début des expériences et de les insérer ensuite dans la théorie… Il existe environ vingt constantes de ce type, et la présence d'autant de paramètres libres dans ce que l'on suppose être la théorie fondamentale cause un grand embarras. Chacune de ces constantes représente un fait capital que nous ignorons : une cause ou un mécanisme physique responsable de la valeur observée de cette constante. C'est notre quatrième grand problème…. Ces dernières années, les astronomes ont réalisé une expérience très simple, au cours de laquelle ils ont mesuré la distribution des masses dans une galaxie de deux façons différentes et ont comparé les résultats. Premièrement, les astronomes ont mesuré la masse en observant les vitesses orbitales des étoiles ; deuxièmement, ils ont fait une mesure plus directe de la masse en comptant les étoiles, le gaz et la poussière qu'ils voyaient dans la galaxie… Or les deux mesures ne sont pas d'accord…. Et la divergence entre les deux valeurs est loin d'être petite, mais plutôt de l'ordre d'un facteur dix. De plus, l'erreur va toujours dans le même sens : on a toujours besoin de plus de masse pour expliquer le mouvement observé des étoiles que ce que l'on calcule par comptage direct de toutes les étoiles, du gaz et de la poussière… On appelle cette mystérieuse matière manquante « matière noire »… Puis les choses sont devenues encore plus mystérieuses. Récemment, on a découvert que selon des observations à des échelles encore plus grandes, qui correspondent à des milliards d'années-lumière, les équations de la relativité générale ne sont pas satisfaisantes même en rajoutant la matière noire. L'expansion de l'univers, démarrée avec le Big Bang il y a quelque 13,7 milliards d'années, s'accélère, tandis que, si l'on tient compte de toute la matière observée, plus la quantité calculée de la matière noire, l'univers devrait au contraire ralentir… Les mystères cosmologiques sont à la source du cinquième grand problème… L'idée qui présidait à la grande unification était non seulement de mettre ensemble toutes les forces, mais aussi d'inventer une symétrie qui pourrait transformer les quarks (particules régies par les interactions fortes) en leptons (les particules régies par les interactions électrofaibles) et, par conséquent, d'unifier deux principaux types de particules, en en faisant un seul type de particules et un seul champ de jauge. Le candidat le plus simple pour cette grande unification était connu sous le nom de symétrie SU(5)… La décomposition du quark en électrons et neutrinos a des conséquences visibles. Un proton contenant ce quark n'est plus un proton ; il se décompose en particules plus simples. Ainsi, les protons ne seraient plus des particules stables – ils seraient assujettis à une espèce de décomposition radioactive… Bien que cet effet soit extrêmement rare, il est réalisable expérimentalement, puisque le nombre de protons dans le monde est énorme… Le monde scientifique attendait les résultats avec impatience. Vingt-cinq ans plus tard, il les attend toujours. Aucun proton ne s'est décomposé. Nous avons attendu déjà assez longtemps pour nous assurer que la grande unification SU(5) est fausse. C'est une belle idée, mais une de celles que la nature n'a pas voulu réaliser… Il y a une différence énorme entre les puissances des différentes forces. La répulsion électrique entre deux protons est plus forte que leur attraction gravitationnelle par un facteur énorme, de l'ordre de dix puissance trente-huit. Il existe également de grosses différences entre les masses des particules. Par exemple, la masse de l'électron représente 1800 fois moins que la masse du proton… Pourquoi la nature est-elle à ce point hiérarchisée ? Pourquoi la différence entre le plus faible et le plus fort est-elle si grande ? Pourquoi les masses du proton et de l'électron sont-elles si minuscules comparées à la masse de Planck ou à l'échelle de l'unification ? On évoque habituellement ce problème en tant que « problème de la hiérarchie »… Le problème de la hiérarchie contient deux défis. Le premier est de trouver ce qui détermine les valeurs des constantes et ce qui fait que les rapports entre elles sont si grands. Le second est de comprendre pourquoi ces valeurs restent là où elles sont. Leur stabilité est étonnante et presque miraculeuse, puisque la mécanique quantique a une étrange tendance à tirer toutes les masses vers la masse de Planck… La leçon principale de la relativité générale est que la géométrie de l'espace n'est pas fixe. Elle évolue de façon dynamique, en se modifiant dans le temps lorsque la matière se déplace. Il existe même des ondes – les ondes gravitationnelles – qui voyagent à travers la géométrie de l'espace… Cela signifie que les lois de la nature doivent s'exprimer sous une forme qui ne présuppose pas que l'espace ait une géométrie fixe. C'est le cœur de la leçon einsteinienne. Cette forme se traduit en un principe, déjà décrit plus haut, celui d' « indépendance par rapport au fond ». Ce principe énonce que les lois de la nature peuvent être décrites dans leur totalité sans présupposer la géométrie de l'espace… L'espace et le temps émergent de ces lois plutôt que de faire partie de la scène où se joue le spectacle. Un autre aspect de l'indépendance par rapport au fond est qu'il n'existe pas de temps privilégié. La relativité générale décrit l'histoire du monde au niveau fondamental en termes d'événements et de relations entre eux. Les relations les plus importantes concernent la causalité : un événement peut se trouver dans une chaîne causale qui mène à un autre événement. De ce point de vue, l'espace est un concept secondaire, totalement dépendant de la notion de temps. Prenons une horloge. Nous pouvons penser à tous les événements qui se déroulent simultanément lorsqu'elle sonne midi. Ce sont lesdits événements qui constituent l'espace… La question fondamentale pour la théorie quantique de la gravitation est, par conséquent, celle-ci : peut-on étendre à la théorie quantique le principe selon lequel l'espace n'a pas de géométrie fixe ? C'est-à-dire peut-on faire de la théorie quantique indépendante du fond, au moins en ce qui concerne la géométrie de l'espace ? Si la réponse est oui, on aura alors automatiquement trouvé la façon de fusionner la gravité et la théorie quantique, car celle-ci a déjà été interprétée comme étant un aspect de la géométrie dynamique de l'espace-temps… La première thèse de doctorat jamais écrite sur le problème de la gravité quantique a été, selon toute vraisemblance, la dissertation soutenue en 1935 par le physicien russe Matveï Petrovitch Bronstein. Ceux qui l'ont connu se souviennent de lui comme de l'un des physiciens soviétiques les plus brillants de sa génération. En 1936, il a écrit dans un article que « l'élimination des inconsistances logiques demande qu'on rejette nos concepts d'espace et de temps ordinaires, en les remplaçant par des concepts plus profonds et moins évidents »… Aujourd'hui, presque tous ceux qui réfléchissent sérieusement au problème de la gravité quantique sont d'accord avec Bronstein ; mais cela a pris soixante-dix ans… Un an après la publication par Bronstein de l'article que je viens de citer, il a été arrêté par le NKVD et fusillé le 18 février 1938… Le travail de Bronstein a été oublié, et la plupart des physiciens sont retournés à l'étude de la théorie quantique des champs… Deux camps se sont formés, en opposition l'un à l'autre. L'un d'eux suivit Bronstein en prenant au sérieux l'idée de l'indépendance par rapport au fond. L'autre l'a ignorée et choisit le chemin d'Heisenberg et de Pauli, en essayant d'appliquer la théorie quantique aux ondes gravitationnelles, considérées comme se déplaçant sur un fond fixe… Les approches les plus réussies, à ce jour, de la gravité quantique utilisent la combinaison de trois idées fondamentales : que l'espace-temps est « émergent », que la description la plus fondamentale est « discrète » et que cette description fait intervenir la « causalité » de façon cruciale… A ce jour, il est devenu clair qu'on ne pourra résoudre les cinq grands problèmes qu'à condition de réfléchir véritablement sur les fondements de notre compréhension de l'espace, du temps et du monde quantique, et de ne plus considérer les programmes de recherche vieux de dizaines d'années telles la théorie des cordes et la gravité quantique à boucles comme des paradigmes établis. On a besoin de jeunes chercheurs, ayant le courage, l'imagination et la profondeur conceptuelle pour initier des directions nouvelles. Comment peut-on trouver et soutenir ce type de scientifiques, au lieu de les décourager comme on l'a fait jusqu'à ce jour ? (…) Notre mission doit être de chercher les faux présupposés, de poser des questions nouvelles, de trouver des réponses nouvelles et d'être à la hauteur de la révolution… »

Le point de vue de Robert B. Laughlin, dans « Un univers différent »

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

Le point de vue de Gilles Cohen-Tannoudji, dans « Le boson et le chapeau mexicain » :

« Une remise en cause très importante, impliquée par la mécanique quantique, concerne, selon Bohr, le concept de « phénomène ». Dans la science et dans la philosophie classique, le terme de phénomène tend à désigner un objet ou un processus, relativement stable et indépendant des conditions selon lesquelles il est observé. Or, il semble impossible, en mécanique quantique, de séparer nettement l'objet de l'appareil de mesure. L'idée essentielle de Bohr est de redéfinir le concept même de phénomène… Avec cette nouvelle définition du concept de phénomène présente à l'esprit… les concepts ne sont pas relatifs à l' « objet » mais seulement à des « phénomènes ». Cela ne veut absolument pas dire, comme de nombreux auteurs l'ont cru ou ont voulu le croire, que la mécanique quantique renoncerait à l'idéal d'objectivité fondateur de toute démarche scientifique… Citons Louis de Broglie : « D'après Bohr, les images d'onde et de grain sont complémentaires en ce sens que, bien que ces images se contredisent, elles sont l'une et l'autre nécessaires pour rendre compte de l'ensemble des aspects sous lesquels peuvent se présenter à nous les particules élémentaires. Suivant les circonstances expérimentales, c'est l'une ou l'autre des deux aspects qui prédomine et ce qui permet à ces deux images contradictoires de nous servir tout à tour sans jamais entrer en conflit, c'est que chacune s'estompe quand l'autre se précise. C'est là le sens profond des inégalités d'incertitude d'Heisenberg. » (…) La théorie quantique a triomphé… Cette affirmation ne signifie pas que la théorie quantique ne continue pas à susciter de grandes interrogations concernant sa signification profonde, ni qu'il ait été répondu de façon satisfaisante aux sévères objections en particulier soulevées par Einstein… ni que le cadre fourni par la mécanique quantique soit suffisant… Il va nous falloir dépasser la mécanique quantique dans une théorie quantique des champs… Avec l'interprétation de Copenhague, la physique quantique n'a jamais été mise en défaut en quatre-vingt ans de confrontation avec l'expérience. Mais cette interprétation est limitée aux règles d'utilisation du formalisme quantique dans les expériences faites en laboratoire. Elle semble faire jouer à la physique classique un rôle nécessaire au fondement même de la physique quantique : elle paraît impliquer l'existence d'observateurs appartenant à un « monde classique » séparé du « monde quantique » auquel appartient le système à l'étude… L'interprétation moderne de la physique quantique, développée entre autres par Gell-Mann et Hartle, permet de lever cette difficulté à l'aide du concept d'histoires décohérentes…. On a pu réaliser des expériences ultra précises, comme celles qui ont valu le prix Nobel 2012 à Serge Haroche et David Wineland, montrant que la décohérence est un authentique processus physique… Tous les progrès accomplis grâce à la mécanique quantique montrent que la prudence dont avait fait preuve l'interprétation de Copenhague n'est donc plus de mise à l'heure actuelle, et d'ailleurs l'interprétation de la théorie quantique a été, comme nous le verrons plus loin, profondément renouvelée dans un sens plus ambitieux, sans que ses principes fondamentaux n'aient été invalidés. La théorie quantique a triomphé et plus personne ne conteste qu'aucune théorie ne pourra rendre compte de la réalité physique si elle n'en intègre pas les acquis. Cette affirmation ne signifie pas que la théorie quantique ne continue pas à susciter de grandes interrogations concernant sa signification profonde, ni qu'il ait été répondu de façon satisfaisante aux sévères objections, en particulier soulevées par Einstein (le paradoxe EPR). »

Le point de vue de Edgar Gunzig dans « Histoire de l'histoire des origines » (article de l'ouvrage collectif « L'homme devant l'incertain » dirigé par Ilya Prigogine) :

« C'est la théorie quantique des champs, lien naturel des phénomènes de création et d'annihilation de la matière, qui offre le cadre évident qui, enrichissa nt celui de la relativité générale, peut lui apporter ce qui lui fait si cruellement défaut dans sa description de la cosmogenèse. Mais en quoi don le comportement d'un champ matériel quantique, considéré dans le contexte cosmologique, se différencie-t-il de celui du fluide classique, au point de métamorphoser l'évolution cosmologique ? Le fluide cosmologique classique, lui, ne peut que s'étendre et se diluer, en accompagnant l'expansion de l'espace-temps. C'est la dilution classique d'un nombre invariable de particules dans un volume qui s'agrandit. Le champ quantique, par contre, devient l'acteur d'un phénomène extraordinaire : l'expansion de l'espace-temps induit la création des particules matérielles associées à ce champ. Dans le cadre de la théorie quantique des champs, les particules expriment les excitations quantiques du champ, et le champ quantique est excité quantiquement par l'expansion de l'espace-temps dans lequel il est plongé. Cette expansion du substrat géométrique produit sur le champ quantique un effet analogue à celui que produirait une source d'énergie extérieure : elle le force à produire quantiquement de la matière. L'espace-temps produit ainsi en s'étendant son propre fluide cosmologique ! Dans son expansion, la géométrie fournit ainsi au champ quantique l'énergie qui est la source de ses excitations quantiques : les particules. En d'autres mots, c'est l'énergie libérée par l'expansion géométrique que le champ absorbe pour produire ses particules. Tout se passe comme si la géométrie de l'espace-temps représentait un réservoir d'énergie interne que l'expansion permettait d'actualiser et de mettre en communication avec le champ qu'elle excite… Si le vide quantique est effectivement dépourvu de particule et ressemble en cela au vide intuitif de la théorie classique, il est néanmoins le siège d'une fébrilité inconnue en théorie classique. Le vide quantique ne représente en effet pas l'absence de matière mais, bien au contraire, un état particulier de celle-ci, celui d'énergie minimale. Si les particules sont bien les entités fondamentales de la théorie physique classique (et de la mécanique quantique non-relativiste) et, à ce titre, permanentes et inamovibles, les champs quantiques, eux, sont les entités ontologiques de la théorie quantique des champs, et ce sont eux qui sont inexpurgeables. On ne peut les éliminer et le vide quantique ne correspond qu'à leur configuration quantique la plus figée compatible avec les exigences du formalisme quantique : c'est leur état d'énergie minimale dépourvu de particules réelles, mais siège d'une mouvance et d'une activité irréductible par principe… Créer des particules à partir de ce vide, c'est exciter suffisamment ces fluctuations pour qu'elles ne se réannihilent pas, qu'elles ne retombent pas à zéro, et puissent alors transporter réellement de manière durable l'équivalent énergétique de la masse des particules produites… C'est ici que se manifeste dans toute sa richesse la non-linéarité des équations d'Einstein et les effets de rétroaction qui en résultent : la matière qui est créée, en réponse à l'expansion de l'espace-temps, doit en retour moduler cette expansion selon les équations d'Einstein. En d'autres termes, l'ampleur de cette expansion détermine le taux de cette création et cette expansion est alors conditionnée, en retour, par cette matière produite… qui conditionne donc en retour sa propre production… le vide de l'espace-temps renferme en lui-même son propre réservoir énergétique qui lui permet de s'auto-alimenter, sans recourir à un monde extérieur inexistant. Il est énergétiquement autosuffisant parce qu'il peut puiser de l'énergie en lui-même. Voilà comment l'espace-temps peut créer, engendrer, en se dilatant, son propre contenu ! »

La renaissance du temps de Lee Smolin

Le point de vue de Laughlin

Le point de vue de Lee Smolin

Le point de vue d'Alain Aspect

Quelques pistes des possibles révolutions de la Physique

Une hypothèse sur l'origine quantique virtuelle de la gravitation entre particules

The life of cosmos, Lee Smolin

Singular universe and the reality of time, Lee Smolin

Three roads to quantum gravity, Lee Smolin

The trouble with Physics, Lee Smolin

Le point de vue de Cohen-Tannoudji

A different universe, Robert Laughlin

Virtualité et réalité dans les sciences, Gilles Cohen-Tannoudji

Photons et atomes, Gilles Cohen-Tannoudji

Processus d'interaction entre photons et atomes, Gilles Cohen-Tannoudji

Causalité et finalité, Gilles Cohen-Tannoudji

The Modern Revolution in Physics

New Developments on Fundamental Problems in Quantum Physics

Demain la physique

Théorie quantique des champs

La physique quantique

La physique au XXe siècle

Une conférence d'Alain Aspect, le film

Cohen-Tannoudji, le film
La révolution quantique

Quelle limite de la connaissance pose la physique quantique, le film

Physique quantique et décohérence par Serge Haroche, le film

Conférences de Cohen-Tannoudji

La révolution quantique ne fait que de commencer

Et si le virtuel du vide quantique était la réalité de la matière ?

Les révolutions passées de la physique

Au cœur de la matière, Maurice Jacob

Quantum Gravity, Carlo Rovelli

Croire ou pas au vide…, d'après Simon Diner

Comment Lee Smolin montre que le temps physique est la clef de la nouvelle révolution indispensable à la Physique moderne

En voici un court extrait :

Thomasina, héroïne de la pièce de Tom Stoppard, « Arcadia », explique à son tuteur : « Si tu pouvais immobiliser chaque atome dans sa position et direction, et si ton esprit pouvait appréhender toutes les actions ainsi suspendues, puis si tu étais vraiment très, très doué en algébre, tu pourrais écrire la formule pour la totalité du futur ; et bien qu'il n'y ait personne d'assez intelligent pour pouvoir réaliser ça, la formule doit exister comme si quelqu'un le pouvait. »

J'avais coutume de penser que mon boulot de physicien théoricien était de trouver cette formule ; je conçois aujourd'hui cette foi en son existence comme du mysticisme plus que comme de la science.

Eut-il écrit pour un personnage moderne, Stoppard aurait fait dire à Thomasina que l'univers est pareil à un ordinateur. Les lois de la physique sont le programme. Quand vous entrez une donnée – les positions à l'instant présent de toutes les particules élémentaires dans l'univers – l'ordinateur mouline pendant une durée appropriée et vous pond le résultat, qui est l'ensemble des positions des particules éléementaires à un instant futur.

Dans cette vision de la nature, rien ne se produit hors du réarrangement des particules selon des lois éternelles. Donc, d'après ces lois, le futur est déjà complètement déterminé par le présent et le présent par le passé.

Cette vision minimise le rôle du temps de plusieurs façons. Il ne peut y avoir aucune surprise, aucun phénomène vraiment nouveau, parce que tout ce qui survient n'est que réarrangement d'atomes. Les propriétés des atomes eux-mêmes sont éternelles, tout comme les lois qui les gouvernent ; elles ne changent pas. Toute propriété du monde à venir est calculable à partir de la configuration du présent. Autrement dit, on peut substituer à l'écoulement du temps un simple calcul, ce qui signifie que le futur est logiquement enfanté par le présent. (…)

Il s'ensuit du grand principe de Leibniz qu'il ne peut pas exister de temps absolu qui fasse tic tac aveuglément quoiqu'il arrive dans le monde. Le temps doit être une conséquence du changement ; sans altération dans le monde, il ne peut y avoir de temps. Les philosophes disent que le temps est relationnel – il est un aspect des relations, par exemple la causalité, qui gouvernent le changement. Similairement, l'espace doit être relationnel ; en effet, chaque propriété d'un objet dans la nature doit être un reflet des relations dynamiques entre lui et d'autres objets dans le monde. (…)

Chercher à unifier la physique et, particulièrement, à rassembler la théorie quantique et la relativité au sein d'un unique cadre revient principalement à achever la révolution relationnelle en physique. Le principal message de ce livre est que cela passe par l'adoption des idées que le temps est réel et que les lois évoluent.

(…)

La réalité du temps permet une nouvelle formulation de la théorie quantique qui peut aussi nous éclairer sur la façon qu'ont les lois d'évoluer avec le temps….

Einstein mit en lumière il y a longtemps que la mécanique quantique est incomplète parce qu'elle échoue à donner une description de ce qui se passe dans une expérience individuelle. Que fait au juste l'électron lorsqu'il saute d'un état d'énergie à un autre ? Comment des particules trop éloignées l'une de l'autre parviennent-elles à communiquer instantanément ? Comment semblent-elles apparaître en deux endroits à la fois ? La mécanique quantique ne fournit pas de réponse…

La mécanique quantique est une théorie problématique pour trois raisons étroitement liées. La première est son échec à donner une image physique de ce qui se passe dans un processus ou une éxpérience individuels : contrairement aux théories physiques précédentes, le formalisme que nous utilisons en mécanique quantique ne peut pas être lu comme nous montrant ce qui se passe à chaque instant. Deuxièmement, dans la plupart des cas elle échoue à prédire le résultat précis d'une expérience ; plutôt que de nous dire ce qui va se passer, elle ne nouus donne que des probabilités pour les différentes choses susceptibles de se produire. La troisième et plus problématique caractéristique de la mécanique quantique est que les notions de mesure, d'observation ou d'information sont nécessaires pour exprimer la théorie. Elles peuvent être vues comme des notions primitives ; elles ne peuvent pas être expliquées en termes de processus quantiques fondamentaux…

Si vous voulez décrire complètement un système en physique classique, vous répondez à toutes les questions, et ceci vous donne toutes les propriétés. Mais en physique quantique, le dispositif dont vous avez besoin pour poser une question peut vous empêcher de répondre aux autres questions. Par exemple, vous pouvez demander ce qu'est la position d'une particule, ou vous pouvez demander ce qu'est le moment, mais vous ne pouvez pas poser ces deux questions à la fois. C'est ce que Niels Bohr a appelé la complémentarité, et c'est aussi ce que les physiciens signifient lorsqu'ils parlent de « variables non-commutatives »…

En embrassant la réalité du temps, nous ouvrons un chemin pour comprendre la théorie quantique qui éclaire ses mystères et pourrait bien les résoudre. Je crois que la réalité du temps rend possible une nouvelle formulation de la mécanique quantique…

Nous sommes habitués à l'idée de lois intemporelles de la nature agissant à l'intérieur du temps, et nous ne trouvons plus cela étrange. Mais prenez suffisamment de recul, et vous verrez que cela repose sur de grandes suppositions métaphysiques qui sont loin d'être évidentes…

Il est une tradition – commençant avec Niels Bohr – d'affirmer que l'échec de la théorie quantique à donner une image de ce qui se passe au cours d'une expérience individuelle est l'une de ses vertus et non pas un défaut. Bohr a argumenté avec talent que le but de la physique n'est pas de fournir une telle image mais plutôt de créer un langage grâce auquel nous pouvons parler entre nous de notre préparation des expériences sur des systèmes atomiques et de ce que les résultats nous ont donné. Je trouve les écrits de Bohr fascinants mais peu convaincants. Je ressens la même chose à propos de certains théoriciens contemporains, qui disent que la mécanique quantique ne porte pas « sur » le monde physique, mais sur l' « information » que nous avons sur le monde physique. Ces théoriciens avancent que l'état quantique ne correspond à aucune réalité physique ; il ne fait que coder l'information que nous, observateurs, avons sur un système… Après tout, quelque chose se passe lors d'une expérience individuelle. Quelque chose, et seulement ce quelque chose, est la réalité que nous dénommons électron ou photon. Ne devrions-nous pas être capables de saisir l'essence de l'électron individuel dans un langage conceptuel et un cadre mathématique ? … Alors je me range aux côtés d'Einstein. Je crois qu'il existe une réalité physique objective et que quelque chose qu'on peut décrire se produit quand un électron saute d'un état d'énergie dans un autre. Et je cherche une théorie qui en donne cette description.

Auto-organisation, auto-régulation, auto-activation, auto-rythmicité, auto-mouvement, auto-structuration, ou la dialectique de la dynamique

Robert Paris — 2015-03-14T01:10:00Z

Le terme en "auto" que nous connaissons le mieux est l'automobile, objet dans lequel la production humaine a mis en place un mécanisme de mise en marche qui dépend de l'homme et n'est pas vraiment "auto", ce dernier terme décrivant des système qui, seuls, spontanément, vont connaitre des transformations remarquables et qualitativement intéressantes. Les termes en "auto" ont surtout été utilisés pour décrire le vivant mais c'est à tort que cela s'est réduit à ce domaine car le prétendu inerte de la matière n'est pas identique à l'immobilité et à l'absence de changement, à l'absence de structuration spontanée. C'est parfaitement spontanément que l'univers a libéré la lumière alors qu'elle ne l'était pas, qu'il a produit les particules de masse, qu'il a produit les noyaux, les atomes, les molécules, la matière telle que nous la connaissons, les planètes, les étoiles, les galaxies, etc... L'Univers matériel s'est structuré spontanément et encore aujourd'hui l'univers matériel continue à se structurer spontanément, c'est-à-dire à sauter d'un état à un autre, d'une forme à une autre, de manière brutale et sans action venue de l'extérieur.

Le deuxième terme utilisé couramment en "auto" est automatisme (et automate) qui nous ramène aux robots, aux ordinateurs et autres machines du même type. Là encore, c'est un très mauvais paradigme pour comprendre les phénomènes réellement auto. L'informatique ou le robot ne sont nullement autonomes, ne se sont nullement produits eux-mêmes en fonction de leur propre interaction avec leur environnement ni de leurs nécessités propres, ce qui est une des premières caractéristiques des phénomènes "auto" que nous étudieront. Ils ne sont pas le produit d'une structuration spontanée...

Loin de l'automobile et des automates, nous allons parler d'auto-mouvement interne de la matière inerte comme vivante, de l'homme et de la société, cela comporte l'auto-organisation (passage du désordre à l'ordre), l'autopoïèse (auto-création), l'auto-oscillation, auto-inhibition, auto-activation, auto-régulation, etc...

Je rappelle que dans la thèse dite « auto » les propriétés du vivant qui sont soulignées débutent par le suffixe auto comme autonomie, auto-organisation, auto-évolution (ou variation), auto-reconnaissance (encore appelée immunologie), auto-structuration (appelée encore émergence), autopoïese (auto-création, c'est-à-dire capacité de constituer une unité fondée sur une séparation du milieu ainsi que la relation avec le milieu et de les reproduire), auto-réaction c'est-à-dire auto-accélération et auto-inhibition (autrement appelée boucle de rétroaction) et auto-régulation (ou homéostasie) ainsi qu'auto-reproduction (ou génétique). On trouve également des systèmes qui produisent spontanément des rythmes qui sont auto-oscillants, comme le cœur, le cerveau, etc... Il s'agit bien d'une même famille de conception de la vie : celle que j'appellerai par l'abréviation auto.

Rappelons que, sur cette question, il y a actuellement trois grandes familles de conceptions qui sont les thèses réductionnistes, les thèses vitalistes et les thèses auto.

La question posée est : comment se fait-il que la matière vivante possède ses propriétés dynamiques que l'on ne trouve pas dans la matière inerte ? Il y a trois types de réponses. La thèse vitaliste suppose l'existence d'une force ou d'une énergie vitale apportant à la matière inerte des propriétés qu'elle ne possédait pas. La thèse réductionniste suppose au contraire que la matière inerte possède toutes les propriétés nécessaires pour produire le vivant. Elle étudie ainsi les propriétés des molécules comme l'ADN pour expliquer la cellule vivante et les propriétés de la cellule pour expliquer l'organisme. Elle réduit le vivant aux propriétés de ses éléments, par exemple le cerveau est réduit aux neurones et aux connections neuronales. La thèse réductionniste est le projet, jamais réalisé, de réduire la physique aux particules, la biologie à la physique, l'homme à la biologie et la pensée à l'homme physique. Contrairement aux thèses vitalistes et réductionnistes, la thèse auto ne considère pas que le matériau biochimique suffise à expliquer le vivant, pas plus que le vivant suffirait à expliquer l'homme, ni que l'homme physique suffirait à expliquer l'homme pensant. Cependant, contrairement aux vitalistes elle ne suppose pas de propriété venue de l'extérieur. La thèse auto suppose que chaque niveau a produit, de façon autonome, c'est-à-dire sans action externe, le niveau supérieur. Les particules ont produit la matière. La matière inerte a produit le niveau du vivant. Le vivant a produit le niveau de structure de l'homme. Et l'homme la pensée.

Cette structure n'est pas déjà présente au niveau inférieur ni dans ses propriétés comme le pensent les réductionnistes. Elle n'est pas non plus venue de l'extérieur comme les vitalistes l'affirment. Ce n'est pas seulement la question du caractère exogène ou endogène du vivant qui est posée. C'est carrément trois philosophies différentes et divergentes qui soutendent les trois thèses. Les réductionnistes sont des matérialistes dits mécanistes. Les vitalistes sont des dualistes puisqu'il supposent deux domaines indépendants, l'inerte et le vivant, le corps et l'esprit. Les adeptes de la thèse « auto » sont des émergentistes. Cela signifie qu'ils reconnaissent que la vie appartient à un niveau de structure plus élevé que la matière inerte mais ils considèrent que ce niveau supérieur peut être spontanément produit par la dynamique des niveaux inférieurs. C'est ce que l'on appelle l'émergence de structure.

Le préfixe "auto" souligne qu'il peut apparaître des phénomènes collectifs robustes dans un ensemble d'éléments en interaction, sans qu'il y ait besoin ni d'un chef d'orchestre, ni d'une préparation initiale inhomogène, ni de conditions extérieures biaisant les interactions ou la dynamique individuelle. Le terme central d'"organisation" suggère une apparition d'ordre et renvoie aux notions d'entropie et d'information. Par exemple, une structure spatiale va émerger d'un mélange homogène de composants. En termes techniques, on parle d'une diminution (locale) de l'entropie. Il n'y a en cela nulle violation du second principe de la thermodynamique puisque le système est ouvert : la diminution d'entropie se fait aux dépens d'une consommation d'énergie. Une partie de l'énergie absorbée par les organismes vivants sert ainsi à maintenir leur organisation dynamique. Les structures auto-organisées sont hors d'équilibre, car parcourues de flux de matière et d'énergie.

Automouvement, auto-organisation, autopoïèse, auto-oscillation, les phénomènes « auto » mais plutôt de auto-immune, auto-détermination, auto-structuration, autoréplication (par exemple génétique ou cristallisation), autocréation, autoconstruction, autotransformation, auto-similarité, autocontrôle, autorégulation (par exemple homéostasie), autolyse (apoptose ou autodestruction), auto-entraînement, auto-apprentissage, auto-complexification, auto-induction, auto-adaptation, autocritique, auto-négation, autopropulsion, etc. C'est seulement cette dernière propriété qui a emporté le terme « auto » et le cas le plus fréquent en est devenu l'automobile et l'auto-motion dans le cas de l'automate ou robot. Pourtant, ces deux exemples sont très loin de décrire les propriétés « auto » en question qui ne sont nullement cantonnées à des technologies du transport et de la robotisation mais à un phénomène fondamentale de la nature : sa capacité d'action spontanée, interne à chaque structure et sa capacité de reproduire cette action en produisant de multiple fois la même et en rétroagissant sur lui-même pour la réguler. Une propriété « auto » signifie une propriété interne à la structure qui n'a pas besoin d'être activée de l'extérieur et se produit spontanément entraînant une évolution structurelle naturelle qui amène la structure à se développer, à se multiplier, à se contrôler toute seule. Cette capacité n'est pas souvent mise en avant parce qu'elle souligne une action interne de la matière alors que la physique a plutôt souligné au début une action externe à l'objet ou en tout cas a séparé interne et externe, opposant en particulier matière et mouvement. Le déplacement comme le changement ont été considérés comme produits de l'extérieur par d'autres systèmes, d'autres objets, des forces agissant sans être dirigées par le système lui-même. Du coup, on a considéré que les objets et les systèmes étaient spontanément inertes, immobiles ou en inertie, stables en tout cas si on ne les avait pas déstabilisés de l'extérieur. Ils n'étaient nullement dans une dynamique capable de changements brutaux et radicaux, de transformations structurelles spontanées. C'est cette vision qui a changé dans la physique contemporaine.

La physique du passé a en effet réalisé des progrès considérables mais en séparant les concepts qui sont dialectiquement imbriqués et ne devaient nullement être séparés : objet et environnement, matière et vide, lumière et matière, matière/lumière et mouvement, onde et corpuscule, structure et contenu, etc, et a, du coup, implanté des notions fausses, non dynamiques, mortes, qui rendent beaucoup plus difficile de concevoir la matière d'une manière dynamique.
En particulier, elle s'est trop longtemps accroché à une conception mécaniste, et même cinématique, de toute la physique pour ne pas dire de l'ensemble des sciences. Ce qui caractérise cette vision héritée notamment de Newton c'est que le mouvement y est d'abord conçu comme déplacement, c'est-à-dire un simple changement de position sans aucun changement pour l'objet qui bouge ni environnement dans lequel il bouge. Donc séparation complète entre l'objet et le milieu, entre évolution interne et externe, milieu considéré comme le rien, le vide sans propriétés. La réalité peut alors être idéalisée sous forme de simple évolution numérique et étude de courbes géométriques et non comme interactions. La cinématique est la partie de la mécanique qui étudie les mouvements des corps par rapport au temps, indépendamment de leurs sources. Placer toute la physique dans ce cadre, c'était supprimer le lien entre le mouvement interne et le mouvement externe. Cela a pu marcher au niveau macroscopique parce que l'échelle d'observation permettait que les interactions entre objet et environnement soient moyennisées et donc les écarts effacés globalement, le milieu apparaissant comme neutre pour le mouvement. Dès qu'on allait quitter le mouvement macroscopique, ce qui n'était qu'une approximation commode pour le mouvement-déplacement macroscopique n'allait plus fonctionner du tout.

« Mais le mouvement de la matière n'est pas seulement le grossier mouvement mécanique, le simple changement de lieu ; c'est la chaleur et la lumière, la tension électrique et magnétique, la combinaison et la dissociation chimiques, la vie et finalement la conscience. » dira Engels dans l'Antidühring.

Et d'autre part, il allait y avoir la physique du niveau inférieur au macroscopique pour laquelle Max Planck écrivait :

« La mécanique et la physique classiques ont été édifiées pour rendre compte des phénomènes qui se jouent à notre échelle et elles sont aussi valables pour les échelles supérieures, les échelles astronomiques. Mais, si l'on descend à l'échelle atomique, l'existence des quanta vient limiter leur validité. Pourquoi en est-il ainsi ? Parce que la valeur du quantum d'action mesurée par la fameuse constante de Planck est extraordinairement petite par rapport à nos unité usuelles, c'est-à-dire par rapport aux grandeurs qui interviennent à notre échelle. (…)En mécanique classique, les accidents topologiques qui peuvent exister dans l'espace à des distances finies de la trajectoire d'un point matériel ne peuvent aucunement influer sur son mouvement. Plaçons, par exemple, sur la trajectoire d'un point matériel, un écran percé d'un trou. Si la trajectoire passe vers le centre du trou, elle ne sera aucunement perturbée par l'accident topologique que constitue la présence de l'écran. (…) Il est inconcevable, en mécanique classique, que le mouvement du point matériel traversant le trou en question dépende du fait qu'il y ait ou pas d'autres trous dans l'écran. L'on comprend tout de suite l'importance de ces remarques pour une interprétation corpusculaire de l'expérience des trous de Young et l'on pressent que la mécanique ondulatoire doit apporter de nouveau sur ce point. »

De Broglie rajoutait dans « La physique nouvelle et les quanta » :
« Dans la mécanique classique, il était permis d'étudier pour eux-mêmes les déplacements dans l'espace et de définir ainsi les vitesses, les accélérations sans s'occuper de la façon dont sont matériellement réalisés ces déplacements : de cette étude abstraite des mouvements, on s'élevait ensuite à la dynamique en introduisant quelques principes physiques nouveaux. Dans la mécanique quantique, une semblable division de l'exposé n'est plus en principe admissible puisque la localisation spatio-temporelle qui est à la base de la cinématique est acceptable seulement dans une mesure qui dépend des conditions dynamiques du mouvement. Nous verrons plus loin pourquoi il est néanmoins parfaitement légitime de se servir de la cinématique quand on étudie des phénomènes à grande échelle ; mais pour les phénomènes de l'échelle atomique où les quanta jouent un rôle prépondérant, on peut dire que la cinématique, définie comme l'étude du mouvement faite indépendamment de toute considération dynamique, perd complètement sa signification. Une autre hypothèse implicite sous-jacente à la physique classique est la possibilité de rendre négligeable par des précautions appropriées la perturbation qu'exerce sur le cours des phénomènes naturels le savant qui, pour les étudier avec précision, les observe et les mesure. (… ) Il résulte en effet, de l'existence du quantum d'action, ainsi que l'ont montré les fines et profondes analyses de Mrs Heisenberg et Bohr, que toute tentative pour mesurer une grandeur caractéristique d'un système donné a pour effet de perturber d'une façon inconnue d'autres grandeurs attachées à ce système. D'une manière plus précise, toute mesure d'une grandeur qui permet de préciser la localisation d'un système dans l'espace et dans le temps a pour effet de perturber d'une façon inconnue une grandeur conjuguée de la première qui sert à spécifier l'état dynamique du système. En particulier, il est impossible de mesurer en même temps avec précision deux grandeurs conjuguées. On comprend alors dans quel sens on peut dire que l'existence du quantum d'action rend incompatible la localisation spatio-temporelle des parties d'un système et l'attribution à ce système d'un état dynamique bien défini puisque, pour localiser les parties du système, il faut connaître exactement une série de grandeurs dont la connaissance exclut celle des grandeurs conjuguées. Relatives à l'état dynamique, et inversement. (…) Le lien entre les résultats successifs des mesures, qui traduisent pour le physicien l'aspect quantitatif des phénomènes, n'est plus un lien causal conforme au schéma déterministe classique, mais bien un lien de probabilité, seul compatible avec les incertitudes qui dérivent, comme nous l'avons expliqué plus haut, de l'existence même du quantum d'action. Et c'est là une modification essentielle de notre conception des lois physiques, modification dont on est loin, croyons-nous, d'avoir encore nettement aperçu toutes les conséquences philosophiques. (…) Dans le nouvelle physique quantique, sous la forme que lui a imprimée le développement de la mécanique ondulatoire, les idées de corpuscules et d'ondes, de localisation dans l'espace et le temps et d'états dynamiques bien définis sont « complémentaires » ; il entend par là que la description complète des phénomènes observables exige que l'on emploie tour à tour ces conceptions, mais qu'en un sens ces conceptions sont néanmoins inconciliables, les images qu'elles fournissent n'étant jamais simultanément applicables d'une façon complète à la description de la réalité. Par exemple, un grand nombre de faits observés en physique atomique ne peuvent se traduire simplement qu'en invoquant l'idée de corpuscules de sorte que l'emploi de cette idée peut être considéré comme indispensable au physicien ; de même l'idée des ondes est également indispensable pour la description d'un grand nombre de phénomènes. Si l'une de ces deux idées était rigoureusement adaptée à la réalité, elle exclurait complètement l'autre, mais il se trouve qu'en fait, elles sont toutes les deux utiles dans une certaine mesure pour la description des phénomènes et que, malgré leur caractère contradictoire, elles doivent être alternativement employées suivant les cas. Il en est de même des idées de localisation dans l'espace et le temps et d'état dynamique bien déterminé : elles sont aussi « complémentaires » comme les idées de corpuscules et d'ondes auxquelles, elles sont d'ailleurs, nous le verrons, étroitement rattachées. On peut se demander comment ces images contradictoires n'arrivent jamais à se heurter de front parce qu'il est impossible de déterminer simultanément tous les détails qui permettraient de préciser entièrement ces deux images et cette impossibilité qui est exprimée en langage analytique par les relations d'incertitude d'Heisenberg repose en définitive sur l'existence du quantum d'action. (…) Ainsi, on peut dire que les corpuscules existent puisqu'un grand nombre de phénomènes peuvent être interprétés en invoquant leur existence. Néanmoins, dans d'autres phénomènes, l'aspect corpusculaire est plus ou moins voilé et c'est un aspect ondulatoire qui se manifeste. (…) Il est inconcevable en mécanique classique que le mouvement du point matériel traversant un trou dépende du fait qu'il y ait ou pas d'autres trous dans l'écran à distance finie du premier (expérience des fentes de Young). »

Dans ce dernier domaine, la notion de boson de Higgs donne consistance à la propriété de matière qui saute d'une particule virtuelle du vide à une autre. Ainsi, sur une distance très courte et de manière quasi instantanée, la réalité de la particule saute et le mouvement n'est donc pas tout à fait le déplacement du même objet mais celui de la même propriété qui se conserve en changeant sans cesse de porteur. Le mouvement n'est pas un simple déplacement mais une interaction entre le vide et la matière, ce qui est très différent. Elle a sa propre inertie et donc cette interaction est sujette à déplacement mais celui-ci ne peut être considéré comme un continuum puisqu'il y a conjointement saut d'une distance de Planck de la propriété de masse. La matière ne peut pas se déplacer dans le vide quantique sans interagir avec ses particules virtuelles en échangeant avec elles sa propriété de masse. La notion d'objet fixe, donné, n'a plus cours. Celle de séparation entre matière et mouvement non plus. Pas plus que celle entre matière et lumière puisque c'est en interagissant avec des couples particules-antiparticules du vide que la propriété de masse saute. Or ces couples sont justement ce que l'on appelle des photons virtuels.
La lumière et la matière sont des contradictoires dialectiques qui ne peuvent pas être séparés si l'on veut comprendre les deux phénomènes car, dans la dynamique, ils sont inséparables. Même un simple mouvement matériel est lié au fonctionnement de la matière/lumière et non seulement de la matière.

La lumière et la matière sont également inséparables du vide quantique. Sans le vide quantique, la propriété matière n'a plus de porteurs. Sans les quanta virtuels du vide, pas de couples durables de particule et antiparticule et pas d'oscillation se propageant successivement d'un couple à un autre, c'est-à-dire pas de lumière.

Or la philosophie la plus courante crée ce type d'oppositions diamétrales qui empêchent de penser les phénomènes dynamiques du type « auto » ;

Le photon est auto-oscillant, a un rythme auto-reproductif. On dit que le phénomène se déplace alors qu'il se détruit et se reconstruit. Le phénomène matière est l'auto-reproduction des propriétés de masse. Le phénomène matière saute. On dit qu'il se déplace alors que la matière est détruite puis reconstruite par le vide.

La prétendue stabilité des phénomènes matière/lumière provient de la très grande vitesse à laquelle ses phénomènes sautent. Ces sauts très courts donnent une apparence à la prétendue continuité du mouvement.

Ce n'est pas seulement la matière, ce n'est pas seulement l'échange d'énergie qui sont discontinus, quantiques, c'est le mouvement et l'automouvement.

L'auto-organisation, fondement de l'univers

L'auto-organisation du vivant

Pourquoi la notion d'émergence d'organisation nous semble indispensable pour comprendre celle de structure en sciences ?

Philosophie de l'autonomie

L'idée d'"auto" est très loin de celle qu'a développé la physique à ses débuts avec la conception mécaniste et cela a amené au développement de concepts et de méthodes qui ont ensuite entravé la compréhension des phénomènes.

Il suffit de prendre la notion de mouvement. Celle-ci a été séparée de celle de changement. Cela signifie qu'en bougeant la matière ne change pas et ne change pas non plus son milieu de déplacement qui ne sert que de toile de fond inerte. C'est cela qui a permis la mathématisation sous forme cinématique dans laquelle il n'y a plus ni objet ni système mais un point en déplacement dans un espace sans consistance....

Les théoriciens scientifiques ont conçu la matière comme des choses inertes, pouvant certes se déplacer et même se transformer mais pas destinées à se transformer sans cesse et pas non plus transformées par leur déplacement. Ils ont séparé d'un côté l'objet et de l'autre son environnement, quitte ensuite parfois à retrouver quelques interactions, oubliant que l'objet ne pouvait naître que dans un environnement, qu'il devait nécessairement interagir en permanence avec cet environnement, ne pouvant donc être défini sans cet environnement.

La philosophie a a d'abord dominé le développement de la physique a été celle de la continuité, de la stabilité, de l'ordre, de l'équilibre, de la fixité, fondée sur les notions de conservation, de régularité, de non changement. Le substrat matériel y est déclaré inchangé et inchangeable : il se transformerait sans changer ses propriétés. Rien ne se perd, rien ne se crée, dit cette conception.

Le substrat matériel peut rester inchangé et que ses interactions changent du tout au tout, brutalement, structurellement, qualitativement, simplement par un changement de forme des interactions. Changez la forme de la molécule, de la disposition de la matière et vous changez toutes ses propriétés et ses capacités d'interagir avec son environnement. Or chaque molécule a plusieurs dispositions possibles dans l'espace et peut passer brutalement d'une forme à une autre par le simple déplacement d'un atome dans la structure. La matière dite inerte est donc le siège de changements radicaux. La même matière (en termes de contenus) peut complètement et radicalement changer de propriétés de manière rapide et radicale. Ce changement est autonome, c'est-à-dire qu'il ne nécessite pas d'action extérieure. Cela signifie que la nature n'est pas naturellement stable, à l'équilibre, inchangée…

Ce qui rend difficile la compréhension scientifique est le fait que la démarche dominante des scientifiques a consisté, pour progresser dans l'étude, à interrompre par la pensée le lien dialectique des contraires. Ils ont ainsi développé séparément les concepts des deux parties inséparables, rendant très difficile le travail consistant à renouer les morceaux de la dynamique. Ils ont produit, pour décrire les mécanismes naturels, des concepts non dialectiques, non dynamiques dont il est ensuite très difficile de s'extraire.

La notion de mouvement entraînant une interaction avec l'espace-temps a été ramenée à une interaction mathématique sans interaction physique. Ce qui allait se révéler faux au niveau quantique. Il faut dire déjà que cette conception montrait dès le début ses limites, puisque physiquement le mouvement rectiligne et uniforme est comme rien alors qu'il ne l'est pas d'un point de vue mathématique. La notion même d'inertie n'a aucune interprétation mathématique particulière. Celle de mouvement d'un corpuscule de lumière (rayonnement) pose le même type de problème car la vitesse de la lumière ne se comporte pas tout à fait comme une « vitesse », comme un simple déplacement sans interaction avec le vide. C'est ce qui a donné naissance à la relativité. La notion de changement interne d'un système a également été appauvrie par l'opposition diamétrale et la séparation artificielle entre changement interne et venu de l'extérieur. L'option d'abord mécaniste de toute la physique a supposé qu'il n'y avait aucun changement interne. La chimie et la biologie ont suivi la même philosophie. Avant la physique relativiste et quantique, c'est la thermodynamique qui a remis en question cette conception. C'est d'ailleurs à partir de la thermodynamique qu'Einstein et Planck ont inventé la physique quantique. L'auto-oscillation a été le modèle à partir duquel ils ont commencé à interpréter les bizarreries de la physique de l'émission du corps noir à l'effet photoélectrique. Il faut rappeler que l'atome est capable spontanément d'émettre de son sein un photon sans même avoir été excité de l'extérieur. Or le photon est du type énergie et la conception qui dominait précédemment séparait les deux contraires dialectiques matière et énergie ou matière et lumière. La physique quantique a été contrainte de réunifier matière et énergie, matière et mouvement, onde et corpuscule, etc… Mais surtout, la physique quantique a donné une interprétation interne à l'atome de l'émission lumineuse qui permet d'en comprendre le caractère discontinu (les sauts entre fréquences d'émission de l'atome).

Hegel est le théoricien du mouvement-changement autonome interne et spontané :

« Le mouvement lui-même est une contradiction ; déjà, le simple changement mécanique de lieu lui-même ne peut s'accomplir que parce qu'à un seul et même moment, un corps est à la fois dans un lieu et dans un autre lieu, en un seul et même lieu et non en lui. Et c'est dans la façon que cette contradiction a de se poser continuellement et de se résoudre en même temps, que réside précisément le mouvement.

Nous avons donc ici une contradiction qui se rencontre objectivement présente et pour ainsi dire en chair et en os dans les choses et les processus eux-mêmes (...)

Si le simple changement mécanique de lieu contient déjà en lui-même une contradiction, à plus forte raison les formes supérieures de mouvement de la matière et tout particulièrement la vie organique et son développement. Nous avons vu plus haut que la vie consiste au premier chef précisément en ce qu'un être est à chaque instant le même et pourtant un autre. La vie est donc également une contradiction qui, présente dans les choses et les processus eux-mêmes, se pose et se résout constamment. Et dès que la contradiction cesse, la vie cesse aussi, la mort intervient. De même, nous avons vu que dans le domaine de la pensée également, nous ne pouvons pas échapper aux contradictions et que, par exemple, la contradiction entre l'humaine faculté de connaître intérieurement infinie et son existence réelle dans des hommes qui sont tous limités extérieurement et dont la connaissance est limitée, se résout dans la série des générations, série qui, pour. nous, n'a pratiquement pas de fin, - tout au moins dans le progrès sans fin. »

Lénine dans ses Cahiers philosophiques : « Pénétrant et intelligent, Hegel analyse des concepts qui d'habitude semblent morts et montre qu'il y a du mouvement en eux. Le mouvement, et l'automouvement, c'est-à-dire le mouvement autonome (indépendant), spontané (intérieurement nécessaire), ce fond qui fait l'hégélianisme, il fallait le découvrir, le comprendre, le transmettre, le décortiquer, l'épurer et c'est ce que Marx et Engels ont fait. »

Chez Hegel il y a un automouvement de la pensée, du concept comme il y a un automouvement de la réalité matérielle, vivante, humaine et sociale.

« Très souvent dans les sciences, surtout dans les sciences physiques, on explique la raison d'être d'une façon tautologique : le mouvement de la terre s'explique par la ''force d'attraction'' du soleil. Mais qu'est-ce que la ''force d'attraction'' ? Un mouvement aussi !! Il arrive aussi que dans la science on commence à présenter comme ''raison d'être'' les molécules, l'éther, l'électricité, etc, et puis il se révèle que ces concepts sont à vrai dire des déterminations déduites de ce qu'ils doivent fonder, des hypothèses et des inventions d'une réflexion non critique. Ou bien on dit que nous ignorons l'essence interne de ces forces et matières elles-mêmes, alors ce n'est pas la peine d'expliquer, il suffit de se limiter aux faits. » souligne Lénine citant Hegel.

« La contradiction est la racine de tout mouvement et de toute vie. C'est seulement en tant qu'une chose a une contradiction en elle-même qu'elle peut se mouvoir, qu'elle a une impulsion et une activité. »

« Il ne faut pas considérer la contradiction comme une anomalie qui apparaît ça et là. La contradiction est le principe de tout mouvement interne. Le mouvement extérieur sensible lui-même est son existence immédiate. Une chose ne se meut seulement en tant qu'elle est dans une place à un certain moment, et dans une autre à un autre, mais aussi en tant qu'elle est et n'est pas dans la même place et dans le même instant. Il faut reconnaître avec les dialecticiens de l'antiquité (Zénon, Parménide, ….) les contradictions qu'ils ont montrées dans le mouvement. »

« C'est dans la contradiction qu'ils acuqièrent cette négativité qui est la pulsation interne du mouvement spontané et de la vie » Hegel dans sa grande Logique

Pour Hegel, le mouvement n'est pas le chemin préexistant et que l'on suit mais le chemin qui se construit de lui-même en cours de route en interaction avec le système.

Les sciences ont donné consistance à la notion d'automouvement dans tous les domaines :

– auto-organisation des zones de convection, des structures émergentes de vortex, d'anticyclones et dépression, des galaxies, des atomes, des molécules, etc.

Le chaos déterministe, les structures dissipatives de Prigogine par exemple ont donné des développements extraordinaires à a notion d'auto-organisation...

– auto-oscillations des photons, des cellules, du cœur, du cerveau, etc…

– autorégulation en rythmologie, en écologie, en homéostasie

– autopoïèse du vivant

– autodestruction de la cellule, de la particule, du nuage, etc.

– autodestruction de la cellule, de la particule

L'auto-organisation

On parle d'auto-organisation lorsqu'un système abandonné à lui même, hormis des interactions peu spécifiques avec l'environnement, tend à devenir plus organisé. C'est là une propriété inattendue et contre intuitive, si l'on croît qu'un système abandonné à lui même tend à se désorganiser, et que l'ordre provient d'une intervention extérieure, une intelligence humaine ou divine. Les doctrines de l'auto-organisation reposent sur l'exploitation des propriétés des systèmes non linéaires, tout en utilisant souvent des idées assez vagues sur l'organisation, la forme ou l'ordre.

On peut considérer l'auto-organisation comme une adaptation à des contraintes extérieures peu spécifiques et désordonnées (aléatoires même), fondée sur les propriétés intrinsèques du système. Cette adaptation munit la forme de propriétés de stabilité particulières. La forme constitue une stabilité des choses face à la contingence du réel. La production de formes par la morphogenèse biologique est le signe indubitable de la stabilité des organismes vivants. Mais il ne s'agit sans doute pas de n'importe quelle stabilité. Aux yeux du grand mathématicien René Thom, il s'agit de la stabilité structurelle.

Le terme auto-organisation fait référence à un processus dans lequel l'organisation interne d'un système, habituellement un système hors équilibre, augmente automatiquement sans être dirigée par une source extérieure. Typiquement, les systèmes auto-organisées ont des propriétés émergentes (bien que cela ne soit pas toujours le cas).
Les exemples les plus évidents de systèmes auto-organisés sont issus de la physique. C'est d'ailleurs dans ce domaine que le terme est apparu pour la première fois. L'auto-organisation est aussi présente en chimie où elle a souvent été synonyme d'auto-assemblage. Le concept d'auto-organisation est aussi central dans les systèmes biologiques, que ce soit au niveau cellulaire ou social. On trouve encore de nombreux exemples de phénomènes auto-organisés dans d'autres disciplines dont les sciences sociales, l'économie ou encore l'anthropologie.
Il existe nombre de processus génériques dont on peut dire qu'ils sont auto-organisationnels. Par exemple en physique :
– En thermodynamique à l'équilibre : (on peut se demander s'il est légitime de dire d'un système à l'équilibre qu'il est "auto-organisé")
– le phénomène de transition de phase du premier ordre, et celui de brisure spontanée de symétrie comme par exemple :
– ferromagnétisme spontané, cristallisation (cf. cristallogenèse, cristaux liquides)en physique classique,
– le laser, la supraconductivité et la condensation de Bose-Einstein en physique quantique, qui ont des effets macroscopiques.
– le phénomène de transition de phase du second ordre, lié à la notion de point critique où le système possède des propriétés invariantes par changement d'échelle (cf. fractales). On peut citer :
– l'opalescence critique des fluides au point critique,
– la percolation dans un milieu aléatoire.
– En thermodynamique des systèmes hors équilibre, l'apparition d'une structure décrite par la théorie des systèmes dissipatifs (cf. système dissipatif :
– la turbulence, et la convection (l'exemple classique étant les Cellules de Bénard) en mécanique des fluides,
– en cosmologie, la formation des structures (étoiles, galaxies),
– la croissance de l'univers de de Sitter,
– la percolation,
– les systèmes à réaction-diffusion comme la réaction de Belousov-Zhabotinsky,
– les systèmes dynamiques, systèmes constitués d'entités identiques liées les unes aux autres, possèdent souvent des propriétés d'auto-organisation :
– La criticalité auto-organisée (SOC).

etc, etc...

Qu'est-ce que des structures issues du non-équilibre ?

Sur la criticalité auto-organisée

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Cascades de structures dissipatives

Autopoïèse

L'autopoïèse est la propriété d'un système de se produire lui-même, en permanence et en interaction avec son environnement, et ainsi de maintenir sa structure malgré le changement de composants.

Le concept d'autopoïèse est inventé par Humberto Maturana et Francisco Varela dans l'article Autopoietic Systems, présenté dans un séminaire de recherche de l'Université de Santiago en 1972. Il vise notamment à définir l'être vivant, et depuis rencontre un succès théorique dans des domaines aussi divers que l'intelligence artificielle, les neurosciences, et la sociologie.

Francisco Varela propose la définition suivante de l'autopoïèse dans son livre Autonomie et connaissance :

« Un système autopoiétique est organisé comme un réseau de processus de production de composants qui (a) régénèrent continuellement par leurs transformations et leurs interactions le réseau qui les a produits, et qui (b) constituent le système en tant qu'unité concrète dans l'espace où il existe, en spécifiant le domaine topologique où il se réalise comme réseau. Il s'ensuit qu'une machine autopoiétique engendre et spécifie continuellement sa propre organisation. Elle accomplit ce processus incessant de remplacement de ses composants, parce qu'elle est continuellement soumise à des perturbations externes, et constamment forcée de compenser ces perturbations. Ainsi, une machine autopoiétique est un système à relations stables dont l'invariant fondamental est sa propre organisation (le réseau de relations qui la définit). »

Le concept de système autopoïétique peut être rapproché de celui des structures dissipatives (étudié par Ilya Prigogine) qui se maintiennent loin de l'état d'équilibre thermodynamique, grâce au flux de matière et d'énergie qui les traversent. Un système autopoïétique est à opposer à un système « allopoïétique » comme une usine de voitures, qui utilise des composants bruts pour fabriquer une structure organisée (une voiture) qui est autre chose qu'elle-même (une usine).

L'exemple canonique d'un système autopoïétique fourni par Francisco Varela et Humberto Maturana est la cellule biologique.

La cellule eucaryote par exemple est faite de composants biochimiques variés, comme les acides nucléiques et les protéines, et est organisée dans des structures limitées comme le noyau de la cellule, diverses organites, une membrane de cellule et le cytosquelette. Ces structures basées sur un flux externe de molécules et d'énergie « produisent » les composants qui, à leur tour, continuent de maintenir la structure contenue.

Le modèle minimal d'un système autopoïétique est une cellule dont la membrane est composé d'un constituant C se dégradant en D et baignant dans un milieu riche en molécules A. Ces molécules A peuvent franchir la membrane et être transformées au sein de la cellule en molécules B pour lesquelles la membrane est imperméable. B peut s'intégrer à la membrane pour se transformer en C. Si le débit d'entrée de A et sa conversion en B sont suffisamment grands devant le coefficient de dégradation de C en D alors la cellule se maintient au cours du temps. Ce modèle montre l'importance de la frontière du système (ici la membrane) si celle-ci disparaît le métabolisme et le système entier s'effondre. Il s'agit d'un cercle vicieux : si B s'échappe, sa concentration diminue de telle sorte que la membrane se dégrade de plus en plus vite et que la perte en B augmente. Le métabolisme et la membrane dépendent l'un de l'autre, la structure ne peut se maintenir sans le flux.

Auto-oscillants, auto-rythmologie

Les rythmes biologiques

Les rythmes biologiques, un processus dynamique et des structures auto-organisées et émergentes

Auto-synchronisation des rythmes

Coeur, cerveau et rythmes biologiques

Autorégulation, homéostasie

Un système qui ne pourrait régler son propre fonctionnement dans le contexte de son autonomie propre pourrait être exposé à des risques d'emballement ou au contraire d'étouffement. C'est pourquoi dans de nombreux systèmes on observe un ou plusieurs mécanismes, parfois spontanés, d'autorégulation, c'est-à-dire de régulation assurée par le système lui-même.

C'est dans certains cas le fait qu'ils possèdent cette autorégulation qui leur donne une stabilité suffisante pour qu'on ait l'occasion de les observer. C'est le cas par exemple des phénomènes de trombe, tornade, cyclone, et vraisemblablement de la grande tache rouge de Jupiter.

La notion d'homéostasie est apparue en biologie dans les années quarante du XXe siècle, relativement à l'équilibre chimique des organismes vivants, mais s'est révélée utile à la définition de toutes formes d'organismes en sociologie, en politique et plus généralement dans les sciences des systèmes. Elle était abondamment utilisée par William Ross Ashby, l'un des pères de la cybernétique qui en a fait une démonstration purement expérimentale par la construction d'un appareil qu'il appelle homéostat. Cet appareil permet une démonstration d'équilibrage permanent entre quatre composantes représentées par des plaquettes mobiles dans des bains acidulés que des impulsions électriques contradictoires administrées volontairement par un expérimentateur font varier de positions, mais sans pouvoir empêcher qu'elles se stabilisent toutes dans une position centrale d'équilibre, du fait de l'interaction des éléments entre eux sans intervention extérieure. La démonstration de cet appareil se trouve dans le film la Cybernétique de Jean-Marie Piquint.

Le feedback est un processus d'autorégulation. La rétroaction (on utilise aussi couramment le terme anglais feedback), est, au sens large, l'action en retour d'un effet sur le dispositif qui lui a donné naissance, et donc, ainsi, sur elle-même. C'est-à-dire que la valeur de sortie (à une date antérieure) fait partie des éléments de la commande du dispositif. La rétroaction diffère de l'hypothèse de la causalité inversée, dans laquelle l'effet précède sa cause.

Il existe deux types de rétroaction dans le domaine biologique : la rétroaction positive (ou rétroactivation) et la rétroaction négative (appelée également rétro-inhibition). Respectivement, la première augmente l'activité de ou des enzymes impliquées dans les processus concernés et la deuxième diminue l'activité de ou des enzymes. Il ne faut toutefois pas confondre le rétrocontrôle/feed-back (régule l'activité des enzymes) avec l'induction ou la (co)répression enzymatique (régule respectivement l'activation et l'inhibition de la synthèse des enzymes). Cette première définition convient lors de diverses régulations de l'activité génique (cf la répression catabolique ou encore la régulation du tryptophane). Néanmoins, ces termes sont également utilisés en endocrinologie. Dans ce cas-ci, une boucle de rétroaction positive va amplifier (c'est-à-dire augmenter et non créer) une réponse physiologique dû à une perturbation de l'homéostasie du corps. Tandis qu'une boucle de rétro-inhibition va réduire voire stopper une réponse physiologique (toujours dû à une perturbation de l'homéostasie).

Auto-régulation des gènes

Systèmes autodestructifs apoptose, autolyse

Le terme autolyse désigne l'autodestruction. Le terme est utilisé en médecine pour désigner le suicide, et en biologie pour désigner l'autodestruction de cellules.

On nomme apoptose (ou mort cellulaire programmée) le processus par lequel des cellules déclenchent leur auto-destruction en réponse à un signal. C'est l'une des voies possibles de la mort cellulaire, qui est physiologique, génétiquement programmée, nécessaire à la survie des organismes multicellulaires. Elle est en équilibre constant avec la prolifération cellulaire. Contrairement à la nécrose, elle ne provoque pas d'inflammation : les membranes plasmiques ne sont pas détruites, du moins dans un premier temps, et la cellule émet des signaux (en particulier, elle expose sur le feuillet externe de sa membrane plasmique de la phosphatidylsérine, un phospholipide normalement constitutif de son feuillet interne) qui permettront sa phagocytose par des globules blancs, notamment des macrophages.

Par exemple l'apparition des doigts. Au début de sa formation, la main ressemble à une moufle (ou une palme), puis les cellules se trouvant entre les futurs doigts disparaissent.

De même, la disparition de l'appendice caudal, chez le fœtus humain, est due à ce phénomène d'apoptose.

Elle joue un rôle dans la formation du cerveau : très tôt dans l'embryogenèse, le cerveau subit une vague apoptotique qui le remodèle. Ensuite, les neurones forment entre eux des liaisons synaptiques au hasard, et une deuxième vague apoptotique élimine ceux qui n'ont pas établi de liaisons utiles.

Elle peut également avoir un rôle moteur, la rétraction des cellules mortes entraînant la mobilisation des tissus voisins. Ce mécanisme a notamment été décrit chez l'embryon de la drosophile.

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