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source et auteur: François Roddier, http://www.francois-roddier.fr/
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La thermodynamique de lvolutionFranois Roddier CERN, le 16 novembre 2011
2004
2005
2005
2007
Un point de vue diffrent:Les lois de la thermodynamique permettent de comprendre lvolution. Elles sappliquent :
lvolution de lunivers. lvolution des espces. lvolution de lhumanit.
Approches historiques
Frederick Soddy Prix Nobel de chimie 1921 1926 : La vritable richesse est lnergie dont on dispose.La passion fondamentale de notre poque est de convertir la richesse en dette
Approches historiques
Nicholas Georgescu-Roegen1971: La thermodynamique et la biologie sont les ambeaux indispensables pour clairer le processus conomique.
Pourquoi la thermodynamique?Lesautres lois de la physique ne dpendent pas du sens du temps. Elles ne permettent de comprendre que les phnomnes rversibles. Si tous les phnomnes taient rversibles, ilny aurait pas dvolution. Seule la thermodynamique permet de comprendre les phnomnes irrversibles cest--dire lvolution.
Que dit la thermodynamique?Les deux lois fondamentales de la thermodynamique: conserve, Lnergie sele conserve: parcequiquelle se de suivre lnergie est l dAriane permet lvolution. Lnergie La dissipation direction se dissipe:volution. de lnergie indique la de cette La thermodynamique est la cl de lvolution.
Les machines thermiquesSadi Carnot (1824): On ne peut durablement produire du travail mcanique que par des cycles ferms de transformations extrayant de la chaleur dune source chaude pour en rendre une partie une source froide.
Sadi Carnot
Le rendement est maximal lorsque toutes les transformations sont rversibles.
e XIX
sicle: lquilibre thermodynamique
Un systme ferm tend vers lquilibre thermodynamique:Il se dsorganise: toute structure (diffrences) tend disparatre. Il tend au repos: tout mouvement sarrte (mort = quilibre thermo-dynamique). Systme ferm
Il y a perte dinformation.Dsordre = perte dinformation = augmentation dentropie.
e XX
sicle: La thermodynamique hors-quilibre
Un systme ouvert est en dsquilibre thermodynamique: Il sauto-organise: des structures ordonnes apparaissent. Il y a apparition de mouvements: dsquilibre thermodynamique.
nergie Systme ouvert
Il y a apparition dinformation (imprdictibilit). Apparition dordre ou dinformation = diminution dentropie.
Les structures dissipativesPrigogine a donn le nom de structures dissipatives aux structures qui apparaissent dans les systmes ouverts. Celles-ci ne subsistent que si elles sont traverses par un ux permanent de matire ou dnergie.Ilya Prigogine (1962)
Exemples de structures dissipatives
Un cyclone Latmosphre terrestre Un organisme vivant Une espce animale ou vgtale Lhomme Une socit humaineToutes produisent du travail mcanique.
Lauto-organisation des structures dissipativesPourquoi sauto-organisent-elles? Conjecture: pour maximiser la vitesse laquelle lnergie se dissipe*. Comment sauto-organisent-elles? Les physiciens ont maintenant une rponse cette question.*3e loi de la thermodynamique dite de production maximale dentropie (MEP ou MaxEP)
Le phnomne dauto-organisation
Transition de phase abrupte
La condensation au point critique
Transition de phase continue (au point critique)
La condensation au point critiqueProprit: Les structures qui apparaissent au point critique ont le mme aspect vue lil nu, la loupe ou au microscope. On dit quelles sont invariantes par changement dchelle. Mathmatiquement, cela implique des lois de distribution de la forme y = xa (lois de puissance).
La condensation au point critiqueDomaines dIsing
Paramagntisme Point critique (point de Curie) Ferromagntisme
Transition de phase continue (au point critique)
Lauto-organisation des structures dissipatives
Les structures dissipatives sauto-organisent la manire des transitions de phase continues, cest--dire suivant un processus davalanches dvnements appels bifurcations ou catastrophes (Ren Thom).
Le processus de criticalit auto-organisePer Bak, Chao Tang, Kurt Wiesenfeld (1987): Les structures dissipatives oscillent constamment au voisinage dun tat critique partir duquel se produisent des avalanches.
Per Bak
Lamplitude des avalanches est inversement proportionnelle leur frquence (loi de puissance en 1/f ou f -1). Exemples: tremblements de terre, avalanches.
Lvolution de lunivers
Lvolution de luniversParadoxe: on sattend ce que lunivers soit un systme ferm. Le rayonnement cosmologique montre qu lorigine lunivers tait trs proche de lquilibre thermodynamique. La formation des toiles et lapparition de la vie montre quil na cess de sen carter. Solution du paradoxe: Riess, Perlmutter, Schmidt (1998, Prix Nobel 2011): Lexpansion de lunivers sacclre. La vitesse de rcession des galaxies augmentent. Elles franchissent lhorizon cosmique: lunivers observable est ouvert.
Lvolution de lunivers
ric Chaisson (2001)
Lvolution de lunivers
?
Daprs Erich Jantsch, The self-organizing universe, Pergamon, 1980
Lalgorithme dvolutionMacrovolution
tat critique
Complexit
Microvolution Algorithme de recuits successifs
Lvolution des espces
Lvolution des espcesCharles Darwin (1859): La slection naturelle maximise les chances de survie et de reproduction des espces. Alfred Lotka (1922): La slection naturelle maximise le ux dnergie qui traverse un organisme vivant.
Darwin
Lotka
La slection naturelle est une consquence des lois de lathermodynamique.
Le nodarwinismeRichard Dawkins (1976): La slection naturelle nagit pas sur les individus mais sur les gnes (nodarwinisme ou thorie du gne goste). Aspect thermodynamique: La dissipation dnergie est lie linformation mmorise donc aux gnes.Richard Dawkins
En biologie, la slection naturelle favorise les gnes qui maximisent la dissipation dnergie.
Lvolution sacclre
Une espce vivante maximise la dissipation dnergie en sadaptant son environnement. Elle mmorise dans ses gnes de linformation sur cet environnement. Plus ses gnes mmorisent dinformation plus elle dissipe dnergie. Plus elle dissipe dnergie plus vite elle modie son environnement. Plus vite elle modie son environnement plus vite ses gnes doivent se radapter.
Leffet de la reine rouge
Ici, il faut courir le plus vite possible pour rester en place
Leigh van Valen (1973)
(Lewis Carroll: De lautre cot du miroir)
Lextinction des espcesUne espce modie son environnement en:
puisant ses ressources naturelles. dgradant son environnement. faisant concurrence dautres espces.Lorsque ses gnes ne sadaptent plus assez vite, une espce disparait: Cest le phnomne dextinction des espces.
Lextinction des espces
Statistique des extinctions despces
Per Bak et Kim Sneppen (1993): lextinction des espces est un processus de criticalit auto-organise.
Lvolution de lhumanit
Lhumanit se condense dans les villes
La population des villes est inversement proportionnelle leur frquence (Loi de Zipf).
volution des supports de linformationStructure dissipative Espces animales Homo sapiens Socits historiques Socits modernes Support de linformation Gnes Cerveau Livres Supports informatiques Code Code gntique Langage criture Codes informatiques
De gntique lvolution est devenue culturelle.
Application lhumanitLa slection naturelle sapplique la culture. Elle favorise les cultures qui maximisent la dissipation dnergie. De mme que: Les organismes qui ont des gnes communs cooprent en formant des socits (socits dinsectes). de mme: Les individus qui ont une culture commune cooprent en formant des socits (socits humaines). Lvolution culturelle est beaucoup plus rapide que lvolution gntique.
Leffet de la reine rouge sapplique aux socits Pour survivre une socit humaine doit sadapter son environnement (ressources naturelles, socits voisines). Mieux elle sadapte, plus elle se dveloppe. Plus elle se dveloppe, plus elle modie son environnement (puisement des ressources, comptition avec les socits voisines). Plus elle modie son environnement, plus vite elles doit se radapter, do une volution de plus en plus rapide. Lorsquelle na plus le temps de sadapter culturellement, la socit seffondre. Lvolution des socits est parseme deffondrements.
Leffet de la reine rouge sapplique aux socits
Leffondrement des civilisationsDe la mme faon que les espces steignent, lorsquune socit humaine narrive plus voluer assez vite, elle seffondre: Exemples deffondrement (disparition) de socits:
Les Pascuans (Rapa Nui) Les Anasazis Les Mayas Les Sumriens Lempire romainLeffondrement est un processus de criticalit auto-organise
Lvolution de socitsDeux tendances opposes saffrontent. La dissipation croissante de lnergie favorise: Lexpansion des socits qui dissipent le plus dnergie. La fragmentation de ces socits due leffet de la reine rouge. Exemples de fragmentation de socits: Empire romain. Empire coloniaux Bloc sovitique Lalternance conduit lapparition de socits de plus en plus complexes qui mmorisent de plus en plus dinformation et dissipent lnergie de plus en plus rapidement.
Le processus de criticalit auto-organiseDomaines dIsing au Chaos voisinage du point de Curie
Biologie Slection r: Petits organismes volution rapide Rsilience
Sociologie Individualisme Mlange culturel Comptition Adaptabilit
tat critique. Invariance dchelle Distribution en loi de puissance Transition vers le chaos Slection K: Grands organismes volution lente EfcacitOrdre
Solidarit Cultures spares Coopration Adaptation
conomie
Benot Mandelbrot 1959: Les uctuations damplitude du march sont inversement proportionnelle leur frquence.
conomie
Per Bak
1996: Lconomie de march est un processus de criticalit auto-organise.
La condensation des richessesDans une conomie de march en expansion, un investissement produit une avalanche de prot. Lamplitude des avalanches est inversement proportionnel leur frquence. ltat critique la distribution des richesses suit une loi de puissance (invariance par changement dchelle de lopalescence critique). Vilfredo Pareto (1896): 20% de la population possde 80% des richesses.
La condensation des richessesAu del de ltat critique, la richesse se condense en deux phases: une phase gazeuse constitue dun petit nombre de gens riches, jouissant dnergie et de libert. une phase liquide dans laquelle sont emprisonns un grand nombre de gens pauvres privs dnergie et de libert.
La classe moyenne deffondre. La croissance conomique sarrte.
Lavenir de lhumanit
La croissance nergtique
volution de la puissance mondiale dissipe par individu au cours du XXe sicle
Lapproche du chaosLhumanit (notamment les pays dvelopps) entre dans une phase dite chaotique, caractrise par:
un ralentissement de la croissance. une monte de lendettement. un effondrement de la classe moyenne. une volution acclre de lenvironnement. de grosses entreprises en faillite. un individualisme et une comptition exacerbs. un mlange de cultures. un effondrement de la transmission culturelle.
La croissance dmographique
La croissance dmographique
10 milliards
Prvisions des dmographes
La croissance dmographique
9 milliards 7 milliards 6 milliards
Prvisions du club de Rome
LeffondrementLeffondrement nest pas un phnomne nouveau:
Centre commercial Dtroit (USA)
Il va stendre tous les pays dvelopps.
La n du genre humain?Lvolution de lHomme nest plus gntique mais culturelle: Extinctions des espces nouveaux gnes Effondrement des civilisations nouvelles cultures
Le XXIe sicle verra la n de la culture productiviste.
La nouvelle cultureElle rsultera dune prise de conscience des raisons de leffondrement: leffet de la reine rouge. Pour lviter il faut courir moins vite, cest--dire ralentir la croissance, mais alors on se fait doubler par les autres: Un gouvernement ne peut prendre le risque de ralentir la croissance conomique de son pays que sil a lassurance que tous les pays concurrents en font autant. Solution: une socit plantaire unique.
La nouvelle cultureDe mme quun individu est un vhicule construit par ses gnes pour assurer leur survie (Dawkins), de mme une socit plantaire est un vhicule construit par ses individus pour assurer leur survie. La socit plantaire sauto-organise comme un tre vivant dont nous sommes les cellules. Cet tre prend conscience de lui-mme. Il sinterroge sur sa survie.
La nouvelle culture
Rponse la question de Jacques Attali: Dveloppement dune culture commune, humaniste, mais dont lexpression est diffrente dans chaque rgion (cf. gnes). Pas de chef mais un ensemble dinstitutions internationales (cf.cerveau).
Une humanit durableSoleil: 6000K Sadi Carnot (1824): On ne peut durablement produire du travail mcanique que par des cycles ferms de transformations extrayant de la chaleur dune source chaude pour en rendre une partie une source froide. Ciel nocturne: 3K
Le rendement est maximal lorsque toutes les transformations sont (quasi)rversibles (trs lentes).
Lvolution nale
Comme tout tre vivant, cette socit plantaire va tendre vers lhomostasie, cest--dire un tat stationnaire constitu de cycles (quasi)rversibles.
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Ltat stationnaire de John Stuart MillLes conomistes nont pas manqu de voir plus ou moins distinctement que laccroissement de la richesse nest pas illimit; qu la n de ce quon nomme ltat progressif, se trouve ltat stationnaire. [] Je ne puis prouver pour ltat stationnaire des capitaux et des richesses cette aversion sincre qui se manifeste dans les crits des conomistes de la vieille cole. Jen suis port croire quen somme il serait bien prfrable notre situation actuelle. Javoue que je ne suis pas enchant de lidal de vie que nous prsentent ceux qui croient que ltat normal de lhomme est de lutter sans n pour se tirer daffaire, que cette mle o lon se foule aux pieds, o lon se coudoie, o lon scrase, o lon se marche sur les talons et qui est le type de socit actuelle, soit la destine la plus dsirable pour lhumanit, au lieu dtre simplement une des phases dsagrables du progrs industriel. Le rsultat est que la vie de tout un sexe est employe courir aprs les dollars, et la vie de lautre lever les chasseurs de dollars. John S. Mill, Principles of Political Economy Book IV, chapter VI (1848). Traduction parue dans lcologiste No. 26,Vol. 9 No. 2, t 2008.
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