La question du passage du temps et de son irréversibilité m’a toujours fasciné. C’est d’ailleurs une des raisons pour lesquelles je me suis tourné vers la physique à la recherche de réponses à mes questions basses mais fondamentales: qu’est-ce que le temps? Pourquoi que ça va que dans un sens? Pourquoi la vie? Etc. J’aurais plus vite fait de lire ce livre (écrit en 1989, réédité en 2009, j’ai du tomber dessus uniquement en fin de licence, de mémoire) qui pose un constat radical: la physique peine à donner une explication au pourquoi du temps, ce qui est bien tristoune. Malgré une bonne introduction au sujet et une vulgarisation tout à fait correcte des apports de la thermodynamique hors équilibre ainsi que des simulations sur ordinateurs (encore rares à l’époque), le livre peine à livrer un message scientifiquement solide et pertinent. Un constat encore plus amères une trentaine d’années après sa sortie. Mais développons plus avant.
Bergson et le temps physique
Les auteurs partent du constat de Bergson sur l’incapacité de la physique à rendre compte de la phénoménologie du passage du temps et notent que, si ses propositions d’alternatives se sont révélées peu fécondes (pour la production en physique, sur la question du temps, Bergson a bien influencé Jankélévitch qui a, lui aussi, pas mal pondu sur la question), la critique n’en demeure pas moins tout à fait valide un siècle après avoir été émise malgré des changements de paradigmes notables en physique. Les premiers chapitres portent sur la vulgarisation de cette question et un rappel historique de son traitement en physique. En effet, depuis la mécanique classique, le temps se réduit en physique à une variable mathématique pour l’intégration ou la dérivation des quantités intéressantes (position, vitesse, débit, charge…) mais son caractère directionnel n’apparaît plus que dans le choix des solutions qui collent avec la réalité. En somme, en mécanique classique, le temps peut aller dans les deux sens… et pourtant dans le monde réel il va dans un sens unique. Ce sens du temps (on parle de flèche du temps) ne se retrouve que dans une seule théorie physique: la thermodynamique (et oui, c’est aussi pour ça que j’ai fait de la thermodynamique et de la phy. stat.). Le second principe qui postule que l’entropie ne peut que rester constante ou augmenter au cours d’une réaction est la seule loi permettant de choisir explicitement un chemin de réaction physique en fonction du temps qui passe. Mais la physique de la fin du 19em siècle était alors traversée par une profonde contradiction. Après quelque illustrations et vulgarisations de ces questions, le livre propose un résumé de cette période passionnante de l’histoire de la physique.
Boltzmann et l’irréversibilité
Boltzmann est aujourd’hui connu pour sa formule S=k*ln(W) et son théorème H. Grand défenseur du caractère atomique de la matière à une époque où la théorie cinétique peinait à s’imposer, il s’était attelé à essayer de résoudre le paradoxe théorique suivant: si la matière est composée d’atomes, et que ces atomes suivent les lois de la mécanique classique (à une vache quantique prêt c’est le cas pour les gaz à température ambiante), comment expliquer l’irréversibilité des phénomènes macroscopique (que la chaleur aille dans un sens, que les gaz se mélangent, ou que les athéniens atteignent finalement)? Malgré un travail remarquable, la tentative de Boltzmann se soldera pour un échec (et j’ai toujours sa biographie écrite pas Penrose à lire pour en apprendre plus)1Boltzmann était apparemment bipolaire et ses discussions sur le sujet avec Ernst Mach, philosophe et physicien (oui c’est le mec de la vitesse du son à cause de qui les avions font BOUM), l’auraient beaucoup affecté. Mach était un défenseur de la continuité de la matière avec des arguments phénoménologiques, philosophiques et un style assez rentre dedans. Il se suicidera en 1906, un an avant que Perrin ne commence la série d’articles sur le sujet, démontrant le caractère atomique de la matière, qui lui vaudront le prix Nobel en 1926. Nul/20. Je reparlerai de Perrin un jour et de Mach un autre jour, notamment quand j’attaquerai Feyerabend et Einstein.. L’augmentation de l’entropie en physique statistique aura une probabilité gigantesque d’arriver, mais ne sera pas systématique et la théorie classique ne pourra pas exclure les phénomènes diminuant l’entropie de son formalisme (bien que leurs probabilité soient infimes, de l’ordre de celle qu’à un singe d’écrire les œuvres complètes de Shakespeare en tapant au hasard à la machine). Si les mathématiciens travaillent encore dessus, il faut avouer que la situation en est resté là pour les physiciens. Je crois même me souvenir que Stengers a écrit dans un autre livre que les physiciens sont essentiellement démissionnaires sur cette question. En gros, tout le monde s’en fiche.
« So what? » La physique en mode Miles Davis.
Et qui pourrait en vouloir au monde? Les chapitres suivant se penchent sur la mécanique quantique (MQ) et la relativité (RG pour relativité générale), montrant comment l’irréversibilité héritée de la mécanique classique pose encore des problèmes spécifiques à chacune des théories: comment comprendre la réduction des paquets d’ondes en MQ? comment comprendre l’extension de l’univers décrit par la RG? (et puis « pk la vie? »… Non, sérieusement, c’est toujours une question ouverte et le bouquin en parle aussi.) Je suis beaucoup plus sceptique sur les solutions proposées (par Prigogine, qui cite ses papiers).
Pour chacune des disciplines concernées les auteurs proposent en effet un « formalisme alternatif » mais qui ne peut laisser le lecteur connaisseur que très sceptique. Depuis Boltzmann les problèmes à N corps et les systèmes chaotiques ont effectivement été beaucoup étudié notamment par l’essor de l’informatique. Si les auteurs montrent effectivement comment on peut aujourd’hui simuler les phénomènes irréversibles à l’aide de loi déterministes (et je me suis même plié à l’exercice de la reproductibilité ici), leur compréhension de la notion d’horizon temporel et d’exposant de Lyapounov est relativement lâche. Le livre passe son temps à confondre déterminisme et prédictibilité et tiens comme argument que l’irréversible émergerait de l’impossibilité à prédire l’état d’un système passé un certain horizon temporel. Le problème étant que cette impossibilité ne vient pas du caractère chaotique des équations mais de la précision du calcul en fonction des conditions initiales. Contrairement à ce que prétendent les auteurs ces objections ne répondent pas aux critiques déjà adressées à Boltzmann citant la récurrence de Poincaré 2Un système de N corps est supposé retourner dans un état extrêmement proche d’un état de référence à t=0 après un temps colossal. Donc, d’après la théorie statistique classique, après un mélange de deux gaz, on devrait les voir se séparer, ce qui ne s’observe jamais.. ou la réversibilité 3Deux états d’un gaz ne différant que par le sens des vitesses des particules sont aussi probables l’un que l’autre. Un état issu du mélange de deux gaz est donc aussi probable qu’un était aux vitesses inverses. Hors, si les vitesses sont inverses, on pourrait observer une séparation des gaz.. Si Boltzmann a répondu en montrant que les temps en question sont gigantesques (plusieurs fois l’âge de l’univers), les réponses des auteurs de ce livre tombent carrément à coté. De la même manière, la considération des collisions impliquant la création de corrélations entre les particules ne répond pas à la question de la réversibilité. Si le calcul est intéressant, il n’apporte rien à la phénoménologie de l’irréversibilité. Les idées sur une nouvelle formulation de la MQ à l’aide d’une théorie cinétique (sans vraiment expliquer en quoi elle consisterait mathématiquement4 S’il s’agit de comprendre les corrélations entres particules, on appelle ça l’intrication et c’est déjà extrêmement compliqué) ou sur l’introduction de termes de pression dans l’univers pour expliquer son expansion (sans justification physique autre que « ça fonctionne ») n’ont pas fait d’émules 30 ans plus tard. Je ne sais pas à quel point les travaux publiés mentionnés dans le livre ont percolé dans la communauté, mais je doute qu’ils aient eu une influence notable.
Exception à tout ce bazar, la chimie et la biochimie où la question de l’émergence de la vie a effectivement tiré partie de la thermo hors équilibre chère à Prigogine (prix Nobel sur le sujet, quand même), et de la théorie de l’information comme le mentionnent les auteurs. C’est pas un de mes sujets de prédilection… mais pourquoi pas le creuser à l’occasion pour voir où tout ça en est?
Conclusion
Ah purée, j’aime bien ce livre mais plus comme une madeleine de Proust que comme un bouquin profond que je relirai souvent. Toute les parties sur l’histoire de la physique, le problème du temps, la thermo hors équilibre de l’époque ou les quelques questions philosophiques que tout ça pose sont intéressantes mais les spéculations physiques et la compréhension approximative de la théorie du chaos rendent le tout un peu confus. C’est ben triste, parce que c’est un livre assez optimiste et plein de bonnes idées mais qui n’ont pas donné beaucoup de choses. Je pardonne le traitement approximatif des simulations parce que je sais à quel point le sujet est difficile, surtout que les résultats datent du début de la discipline. Pour un traitement plus détaillés de la question du chaos et de l’irréversibilité émergeant des simulations classiques, je pense que les travaux de William G. Hoover 5dont je ne peux que regretter le soutien à Trump et le climatoscepticisme… sont beaucoup plus pertinents (et récents). Juste pour la partie historique je recommande quand même le livre, mais soyez très critiques sur le reste. On en ressort malheureusement avec autant de questions sur le temps qu’on en avait en commençant la lecture.
- 1Boltzmann était apparemment bipolaire et ses discussions sur le sujet avec Ernst Mach, philosophe et physicien (oui c’est le mec de la vitesse du son à cause de qui les avions font BOUM), l’auraient beaucoup affecté. Mach était un défenseur de la continuité de la matière avec des arguments phénoménologiques, philosophiques et un style assez rentre dedans. Il se suicidera en 1906, un an avant que Perrin ne commence la série d’articles sur le sujet, démontrant le caractère atomique de la matière, qui lui vaudront le prix Nobel en 1926. Nul/20. Je reparlerai de Perrin un jour et de Mach un autre jour, notamment quand j’attaquerai Feyerabend et Einstein.
- 2Un système de N corps est supposé retourner dans un état extrêmement proche d’un état de référence à t=0 après un temps colossal. Donc, d’après la théorie statistique classique, après un mélange de deux gaz, on devrait les voir se séparer, ce qui ne s’observe jamais.
- 3Deux états d’un gaz ne différant que par le sens des vitesses des particules sont aussi probables l’un que l’autre. Un état issu du mélange de deux gaz est donc aussi probable qu’un était aux vitesses inverses. Hors, si les vitesses sont inverses, on pourrait observer une séparation des gaz.
- 4S’il s’agit de comprendre les corrélations entres particules, on appelle ça l’intrication et c’est déjà extrêmement compliqué
- 5dont je ne peux que regretter le soutien à Trump et le climatoscepticisme…