Irréversibilité, mémoire & entropie
29 FÉVRIER 2020 (mis à jour le 29 novembre 2023)
Table des matières
Effet papillon, suite de l’enquête ! Avant de poursuivre votre lecture, il est encore temps d’explorer l’histoire de la théorie du chaos et d’élargir votre perspective en envisageant les systèmes chaotiques sous l’angle de l’interdépendance. Vous y êtes ? Alors gardez bien ces informations en mémoire, nous allons les mettre en perspective avec les notions d’irréversibilité et d’entropie.
De l’irréversibilité des phénomènes
Cours du temps, flèche du temps
Il n’existe pas de consensus en physique sur la notion de temps. Ni d’ailleurs en philosophie. Ce sujet mériterait probablement un article à part entière. Faute de temps, je me contenterais ici d’un raccourci ! Pour essayer d’éclaircir le mystère du temps et poser les bases de cet article, j’emprunte au physicien et philosophe des sciences Etienne Klein la distinction entre cours du temps et flèche du temps.
« Pour dire les choses en une phrase, le cours du temps assure la continuité du monde – il empêche le monde de disparaître – tandis que la flèche du temps y produit des histoires dont l’épilogue n’est jamais identique au commencement. »
ETIENNE KLEIN [1]
« Disons que le cours du temps vous empêchera dans le futur d’avoir un âge plus faible que le vôtre actuellement et la flèche du temps vous empêchera de ressembler dans le futur à l’enfant que vous étiez. »
ETIENNE KLEIN [2]
Les propos d’Etienne Klein sont facilement concevables à notre échelle : nous faisons l’expérience de l’irréversibilité des phénomènes. Notre expérience nous enseigne continuellement que l’on ne peut pas remonter le temps. On ne peut pas remettre dans la boite les œufs qui ont servi à faire l’omelette.
Qu’en est-il à l’échelle microscopique ? La réponse est loin d’être évidente parce que les choses ne sont pas vraiment comparables. A cette échelle, en effet, on ne peut pas avoir une expérience directe du temps, ni aucune autre d’ailleurs, on ne peut qu’observer des phénomènes. Et notre observation mène à une toute autre interprétation.
Expérience Vs Observation
Toutes les équations de la physique microscopique, comme l’équation de Schrödinger, sont réversibles en temps. Ce qui veut dire que tout ce qu’elles permettent de faire, elles permettent également de le défaire. Ainsi, on peut réaliser en laboratoire des collisions de particules… et également des collisions inversées. Mais comprenons-nous bien : c’est le phénomène qui est réversible, pas le temps !
Notons tout de même qu’une collision de particules, fût-elle inversée, n’a pas beaucoup de sens pour nous, c’est le cas de le dire ! Car nous n’en faisons jamais l’expérience. Aussi, que le temps au niveau microscopique s’écoule dans un sens ou dans l’autre, que le temps et les phénomènes soient indépendants les uns des autres, cela ne reste pour nous qu’une observation sans lien avec notre expérience. Pour autant, est-on sûr de ce que l’on observe ? Nous y reviendrons.
Si pour les phénomènes réversibles, il n’existe donc pas de flèche du temps, comment expliquer alors l’émergence de cette flèche au niveau macroscopique ? Ou, autrement dit, comment expliquer l’irréversibilité macroscopique à partir de lois physiques microscopiques qui sont toutes réversibles ?
« Il n’est pas exclu que le cours du temps et la flèche du temps procèdent en définitive d’une seule et même réalité, plus profonde, qu’ils soient l’un et l’autre des produits dérivés de phénomènes sous-jacents qu’une « nouvelle physique » mettra peut-être à jour (…). »
ETIENNE KLEIN [3]
Il semblerait que la « nouvelle physique » de Nassim Haramein mette à jour un phénomène sous-jacent. Pour lui, le temps est un concept humain. Et non une caractéristique de l’univers. Ce qui caractérise l’univers, c’est la mémoire.
La mémoire plutôt que le temps
Un phénomène sous-jacent…
« Sans mémoire, il n’y a pas de temps. Si vous ne pouvez pas vous souvenir de l’instant précédent, vous n’avez aucune notion du temps. »
NASSIM HARAMEIN [4]
Dans sa théorie du champ unifié, Nassim Haramein montre que l’univers encode de l’information sur la trame de l’espace-temps. L’encodage a lieu avec une consécutivité si minutieuse qu’il nous procure cette sensation si familière de « temps qui passe ». Ainsi est assurée « la continuité du monde » dont parle Etienne Klein.
Les informations mises en mémoire par l’univers forment une progression régulière que nous interprétons comme le passage du temps, avec ses commencements et ses épilogues. Commencements et épilogues qui ne sont jamais les mêmes parce que leurs coordonnées spatio-mémorielles [5] respectives ne peuvent jamais être identiques. La seule façon pour nous de distinguer un épilogue d’un commencement est de nous souvenir du commencement. Et ce qui différencie un commencement d’un épilogue, c’est l’apprentissage qui s’opère entre les deux [6]. Chaque système apprend sur lui-même et progresse. Comme aucun système n’est isolé dans l’univers connecté, chacun participe également à l’apprentissage des autres. Ainsi, quelle que soit l’échelle, aucun système ne peut jamais revenir aux coordonnées spatio-mémorielles auxquelles il était et, en ce sens, il existe une flèche du temps. Une flèche du temps qui, pour ainsi dire, traverse les échelles.
C’est pourquoi si la collision inversée en laboratoire ne nous fait pas remonter le temps, elle n’est pas pour autant incompatible avec une flèche du temps. Les particules s’informent en effet continuellement, encodant chaque fois des informations qui petit à petit s’accumulent pour former leur mémoire. De même, on peut croire que la trajectoire d’un oscillateur classique, comme un pendule, repasse toujours par les mêmes points. En réalité, à chaque passage du pendule, ces points se situent à des coordonnées spatio-temporelles différentes [7].
… pour une propriété émergente
Moralité : la mise en mémoire de l’information permet à la fois à la continuité du monde d’être assurée et aux épilogues d’être toujours différents des commencements. Autrement dit, elle explique à la fois le cours et la flèche du temps, et ainsi l’irréversibilité des phénomènes.
Notre âge et notre apparence ne changeront pas plus avec la notion de mémoire qu’avec la notion de temps. Mais la mise en mémoire offre une possibilité intéressante : se connecter à un âge ou à un état physique connu dans le passé. Une telle possibilité existe de par la nature holographique de l’univers [8], qui rend toute information disponible en chaque point de l’espace. De là, il est alors possible de modifier l’information encodée à des coordonnées précises, et ainsi notre ressenti de cette information dans le présent et pour le futur.
Finalement, la dynamique qui construit la ligne temporelle de l’univers suit, logiquement, celle qui sous-tend l’univers. Cette dynamique fait, défait et refait sans cesse la matière. Par ce feed-back entre le vide et la matière, elle crée l’illusion du mouvement, donc du temps et de l’irréversibilité que l’on expérimente. Le temps devient alors une propriété émergente [9] de la dynamique de l’univers.
Si pour le physicien Ilya Prigogine, « il y a une flèche du temps au niveau macroscopique, mais le niveau microscopique crée l’illusion qu’il n’y en a pas » [10], pour Nassim Haramein, il y a une flèche du temps, de l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique, parce que l’univers met en mémoire l’information.
Avant de poursuivre dans la voie de cette nouvelle physique, revenons un moment aux théories standards, qui envisagent l’irréversibilité en lien avec le concept d’entropie :
« L’entropie est l’élément essentiel introduit par la thermodynamique, la science des processus irréversibles, c’est-à-dire orientés dans le temps. »
ILYA PRIGOGINE [11]
La complexité plutôt que le chaos
Le concept d’ entropie
Qu’est-ce que l’entropie ?
L’entropie se définit dans un système fermé, c’est-à-dire une portion d’espace qui n’a aucune interaction avec l’extérieur. J’aborde ici ce concept sous l’angle de la notion de chaleur [12].
La chaleur désigne un flux d’énergie entre deux systèmes. C’est un transfert d’agitation thermique [13] qui, comme sa définition l’indique… est désordonné ! Les chocs entre particules créent une agitation qui se propage dans toutes les directions, sachant que le transfert thermique s’effectue toujours du système le plus chaud vers le système le plus froid.
Un exemple ? On met une tasse de thé chaud dans une pièce froide fermée. On considère que le thé et la pièce forment un système isolé, qui évolue de la façon suivante :
- Dans l’état initial, le thé, du fait de sa température élevée, possède l’agitation thermique la plus importante.
- Au fur et à mesure du temps, et irréversiblement, le thé va transmettre son agitation thermique à la pièce. Sa température va donc diminuer, tandis que celle de la pièce va augmenter, jusqu’à ce que la température entre le thé et la pièce finisse par s’homogénéiser.
- Le système ne reviendra jamais spontanément à son état initial. Pour que le thé se réchauffe, il faudrait fournir du travail (lui apporter de l’énergie). L’équivalence entre la chaleur reçue (Q) et le travail fourni (W) est : W + Q = 0, soit W = – Q (c’est-à-dire : le travail produit de la chaleur, qui est cédée à l’extérieur).
Que mesure l’entropie ?
L’entropie mesure la tendance de l’énergie à se disperser. Elle quantifie deux choses :
- le degré de dispersion de l’énergie (sous toutes ses formes : thermique, chimique, électrique) parmi les particules d’un système,
- et le degré de répartition de ces particules dans toutes les directions à travers tout le volume accessible.
L’entropie est un phénomène macroscopique qui n’a de sens que s’il y a un nombre élevé de particules, condition sine qua none à l’apparition de l’irréversibilité. Avec le temps, l’entropie ne peut qu’augmenter. Il y a en effet davantage de façons de répartir l’énergie que de la concentrer. Vous avez d’ailleurs sans doute remarqué qu’il est très facile de semer le chaos dans un Rubick’s Cube, mais qu’il n’y a qu’une seule façon de le mettre en ordre (même s’il y a plusieurs méthodes pour y arriver) !
Tout système fermé finit par atteindre l’état d’entropie maximale, dans lequel l’énergie est uniformément distribuée. Etat que l’on appelle également « équilibre thermodynamique ».
La thermodynamique
Une histoire de pendule
L’énergie thermique est l’une des diverses formes que peut prendre l’énergie dans l’univers. Il existe également l’énergie électrique, l’énergie chimique et l’énergie mécanique. Cette-dernière se rencontre à son tour sous deux formes : l’énergie potentielle (liée à l’altitude) et l’énergie cinétique (liée à la vitesse).
La thermodynamique, apparue au dix-neuvième siècle, est, historiquement, la science de la chaleur. Du fait que les thermodynamiciens ont démontré la transformation irréversible de l’énergie cinétique en énergie thermique, appelée « production d’entropie », on peut également la définir comme la science des grands systèmes en équilibre, ou encore la science de l’irréversibilité.
Energie potentielle, énergie cinétique, entropie… vous êtes perdus ? Restez avec moi, je prends mon pendule et je vous explique ! Si je place la masse du pendule en position haute, elle possède une énergie potentielle maximale, du fait de son altitude, et une énergie cinétique nulle puisqu’elle est immobile. Attention, je lâche tout ! Lorsqu’elle passe à son point le plus bas, la masse a, de fait, une énergie potentielle nulle. En revanche, sa vitesse, et donc son énergie cinétique, sont maximales. En remontant de l’autre côté, la masse perd de la vitesse et, en même temps, de l’énergie cinétique. Mais comme elle gagne de la hauteur, son énergie potentielle augmente.
Au fur et à mesure que le pendule se balance, il est freiné par la résistance de l’air. Il perd alors en énergie cinétique, ou plus exactement, son énergie cinétique se transforme en énergie thermique : l’entropie augmente.
De l’énergie de qualité… ou pas
Ce qu’il faut comprendre, c’est que toutes les énergies ne se valent pas. L’énergie thermique est beaucoup moins « utile » que les autres, dans le sens où on ne peut jamais la transformer intégralement en travail, alors que l’inverse est possible.
La thermodynamique nous enseigne ainsi les deux principes suivants :
1er principe : Dans un système isolé, la quantité totale d’énergie, en incluant l’énergie thermique, est conservée.
En quantité invariable dans l’univers, l’énergie ne peut être ni produite à partir de rien, ni détruite. Elle ne peut que changer de forme, ou se transmettre d’un système à un autre. Dans le cas du pendule, on a donc : Énergie mécanique + Énergie thermique = Constante
2ème principe : Si la quantité d’énergie se conserve, cela ne signifie pas pour autant que le système est stable. Car la qualité de l’énergie, en revanche, se dégrade : de plus en plus d’énergie se disperse en énergie thermique inutilisable.
Je reprends mon pendule et je vous explique ! Tandis que la masse est en mouvement, elle subit la résistance de l’air. Cela provoque une agitation microscopique désordonnée des atomes qui composent la masse, et un transfert de cette agitation thermique du système vers le milieu extérieur. La masse perd de la vitesse, son énergie cinétique se transforme en énergie thermique qui, ainsi dispersée, devient inutilisable.
Il y a donc toujours autant d’énergie dans le système, mais de moindre qualité : l’entropie augmente, et ce jusqu’à ce que le système atteigne l’équilibre thermodynamique (l’état d’entropie maximale). On peut aussi dire que le deuxième principe établit l’irréversibilité des phénomènes.
Entre ordre et désordre
Selon la thermodynamique, l’entropie ne peut donc qu’augmenter dans l’univers, considéré par la physique standard comme un système isolé. Soit. Nous observons pourtant une croissance irréversible de la complexité depuis le « Big Bang ». L’univers a en effet évolué d’une « soupe de plasma » proche de l’équilibre thermique vers la formation de galaxies, de planètes ou encore d’êtres humains. C’est-à-dire des structures on ne peut plus ordonnées.
Il semblerait que l’ordre ne contredise donc pas la tendance du mouvement général de l’univers au désordre. Est-ce à dire que l’organisation a un coût et que le désordre est le prix à payer pour l’organisation de l’univers ? Du point de vue de la thermodynamique, ce n’est pas si étrange. On peut en effet concevoir l’apparition de structures ordonnées tant que du désordre s’est développé simultanément.
Moralité : tout irait pour le mieux dans le meilleur des systèmes isolés… si les structures dissipatives n’existaient pas !
Les structures dissipatives
Les structures dissipatives sont des systèmes ouverts. Loin de l’équilibre thermodynamique, elles sont le siège d’une organisation spontanée. C’est le physicien et chimiste Ilya Prigogine qui les a nommées ainsi en 1969.
Associer les termes structure et dissipation, c’est comme associer l’ordre et la pagaille : un peu paradoxal, non ? Pas si l’on envisage le second principe de la thermodynamique sous un nouvel angle. Non pas celui où l’irréversibilité conduit le système vers l’état d’entropie maximale, mais celui où l’irréversibilité devient source de cohérence et d’auto-organisation.
Contrairement aux systèmes chaotiques, qui dépendent seulement de conditions initiales, les structures dissipatives sont conditionnées par des perturbations ou fluctuations permanentes.
« Notre monde présente des interactions persistantes (…) La mécanique classique considère des mouvements isolés alors que l’irréversibilité ne prend son sens que lorsque nous considérons des particules plongées dans un milieu où les interactions sont persistantes. »
ILYA PRIGOGINE [14]
En ce sens, un anévrisme est davantage une structure dissipative qu’un système chaotique [15]. La division des grands tourbillons qui le composent en tourbillons plus petits permet un transfert d’énergie des grandes vers les petites échelles. On parle de cascades d’énergie, qui occasionnent une forte dissipation d’énergie, et conduisent donc à une augmentation de l’entropie.
Cet état de non-équilibre se stabilise néanmoins grâce à l’énergie que le système tourbillonnaire puise dans son environnement. Précisément, il accumule de l’énergie par résonance [16], et compense ainsi l’entropie. Finalement, il auto-alimente et maintient l’organisation de sa structure… jusqu’à un certain point cependant. Dans le cas d’un anévrisme, en effet, l’évolution naturelle se fait vers l’augmentation inéluctable de son calibre. A terme, tout anévrisme est menacé de rupture. En effet, plus la pression artérielle augmente, plus le rayon de l’anévrisme augmente, plus la tension sur la paroi est élevée, moins elle peut résister…
Entropie et néguentropie, une grande histoire d’amour
Avant Ilya Prigogine, Erwin Schrödinger [17] avait déjà mis en avant la possibilité physique de processus à « entropie négative ». Schrödinger voulait marquer la différence entre les processus thermodynamiques physiques et les processus vitaux. Dans cette lignée, le mathématicien et physicien français Léon Brillouin a créé le terme « néguentropie » en 1956 pour remplacer celui d’entropie négative [18].
La thermodynamique classique nous enseigne que la tendance de l’énergie est d’aller de l’ordre vers le désordre. L’expérience montre pourtant que l’irréversibilité est plutôt source de cohérence dans l’univers. A travers les structures dissipatives, et au prix d’une grande quantité d’énergie, certes. Car l’augmentation de l’ordre à l’intérieur d’une structure entraîne une augmentation du désordre extérieur et inversement.
Plutôt que de s’opposer, entropie et néguentropie sont en fait complémentaires. Elles sont partie prenante de la même dynamique, celle de l’auto-organisation, celle qui construit de l’ordre à partir du désordre.
Nous allons le voir dans le prochain article Gravité, entropie et auto-organisation, la différence entre les processus thermodynamiques physiques et les processus vitaux n’est pas aussi nette qu’il y paraît. Les notions de feed-back et de résonance, mises en évidence par Nassim Haramein et indispensables à la constitution d’un niveau hiérarchique d’organisation, sont valables pour tous les processus !
Points clés
- Le temps est un concept humain et non une caractéristique de l’univers. Ce qui caractérise l’univers, c’est la mémoire.
- La mise en mémoire de l’information explique à la fois le cours et la flèche du temps, et ainsi l’irréversibilité des phénomènes. Le temps est une propriété émergente de la dynamique de l’univers.
- L’entropie mesure la tendance de l’énergie à se disperser. C’est un phénomène macroscopique qui n’a de sens que s’il y a un nombre élevé de particules, condition sine qua none à l’apparition de l’irréversibilité. L’entropie ne peut qu’augmenter dans un système fermé.
- Dans les structures dissipatives (systèmes ouverts), l’irréversibilité ne conduit pas le système vers l’état d’entropie maximale, mais elle devient source de cohérence et d’auto-organisation, au prix toutefois d’une grande quantité d’énergie.
Notes & références
De l’irréversibilité des phénomènes
[1] KLEIN Etienne, Faut-il distinguer cours du temps et flèche du temps ?, p.9
[2] KLEIN Etienne, Le temps, son cours et sa flèche, L’université de tous les savoirs, conférence n°188, 6 juillet 2000 [vidéo]
[3] KLEIN Etienne, Faut-il distinguer cours du temps et flèche du temps ?, op.cit., p.10
La mémoire plutôt que le temps
[4] HARAMEIN Nassim (2015, 20 juin), L’univers connecté [vidéo]
[5] Puisqu’on parle davantage de mémoire que de temps, il est plus juste de parler d’espace-mémoire plutôt que d’espace-temps.
[6] La notion de feed-back a notamment été abordée dans la section Les systèmes chaotiques dans l’univers connecté de l’article 2.
[7] Voir la dynamique hélicoïdale du système solaire : les planètes et étoiles ne repassent jamais par les mêmes coordonnées, car elles se déplacent en spirale autour du soleil selon le modèle de Nassim Haramein.
[8] Le principe holographique est développé dans l’article Gravité, entropie et auto-organisation. Vous pouvez consulter l’article L’univers holographique : l’unité sous-jacente.
[9] « Une propriété émergente est une caractéristique imprévisible (ou au moins invisible) au niveau local et qui apparaît au niveau global. Elle résulte de l’activité collective des constituants du système ». ZWIRN Hervé, Les systèmes complexes, Paris, Editions Odile Jacob, 2006, p.35
[10] PRIGIGINE Ilya cité par Etienne KLEIN, Faut-il distinguer cours du temps et flèche du temps ? , op.cit., p.11
[11] PRIGOGINE Ilya, La fin des certitudes, Paris, éditions Odile Jacob, 1996
La complexité plutôt que le chaos
[12] On peut également, et entre autres, aborder l’entropie sous l’angle de l’information.
[13] L’agitation thermique, ou agitation microscopique des molécules et des atomes est, elle, mesurée par la température.
[14] PRIGOGINE Ilya, La Fin des certitudes, op.cit., p.133
[15] Un anévrisme est une dilation de la paroi d’une artère qui entraîne la création d’une poche à l’intérieur de laquelle le sang change de comportement. Lire également la section consacrée à l’anévrisme en tant que système chaotique dans l’article 2.
[16] Le concept de résonance a déjà été abordé dans l’article Les systèmes chaotiques et sera également détaillé dans l’article Gravité, entropie et auto-organisation.
[17] Dans son livre What is Life ?, Londres : Cambridge University Press, 1944
[18] On trouve parfois le terme de « syntropie » proposé par L. Fantappie en 1944, qui n’a pas été retenu.
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4 commentaires à propos de “Irréversibilité, mémoire et entropie”
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si la matière dont nous sommes composés ne se « mouvait » pas (« degradation » de notre corps), aurions-nous une autre conception du temps ?
n’est-ce pas notre conscience de ce mouvement qui est la source de ce concept de « temps humain », bien nécessaire pour nous synchroniser, nous interconnecter
Au niveau de l’inconscient, il n’y a pas de corporalité/matiere,
L’inconscient ne connaitrait pas le temps ?
Je pense que je vais chercher sur la relation inconscient-entropie
La matière dont nous sommes composés n’est rien d’autre que de la conscience. La conscience (de même que l’inconscient) ne vit pas dans le temps, la conscience expérimente des événements dans l’instant présent et éventuellement dans l’incarnation. C’est le mental qui est attaché au temps. Cependant il n’est pas opposé à la conscience, il est soutenu par elle, mais parfois il se prend un peu trop pour elle 😉
La physique classique a lié les notions de temps et d’espace, mais dans la sagesse hermétique par exemple, la 4e dimension de l’univers n’est pas le temps mais la vibration.