L’énergie est au cœur des préoccupations actuelles car elle joue un rôle dominant dans nos vies de tous les jours, mais aussi car elle conditionne l’évolution de notre civilisation technique et industrielle, voir de la planète Terre.
C’est un concept complexe malgré son apparente simplicité ; il a fallu des siècles pour que les scientifiques l’appréhendent dans sa totalité et déterminent les lois physiques qui la gouvernent. En particulier, comme l’énergie a un caractère multiforme, la notion de bilan est centrale -mais complexe- pour aborder nos problèmes actuels.
Le cours se propose d’exposer les grandes lignes de notre savoir actuel sur l’énergie, sans développements mathématiques complexes, avec une mise en perspective historique. On étudiera les différentes technologies en cours ou à créer pour disposer de sources d’énergie pérennes Le cours permettra aussi de comprendre le rôle de l’énergie dans les théories modernes de l’infiniment petit et de l’infiniment grand.
Plus précisément, le cours traitera des thèmes suivants :
L’émergence du concept d’énergie dans l’histoire et de sa mesure
Les différents types d’énergie et leurs transformations réciproques ; les principales technologies de production d’énergie, leurs principes de fonctionnement, leurs rendements,… Les énergies du futur : photovoltaïque, hydrogène, nucléaire(s).
La face cachée de l’énergie : son rôle dans les évolutions des systèmes entre ordre et désordre.
La thermodynamique de la Vie : les lois physiques de l’énergie s’appliquent-elles aux organismes vivants ?
Le bilan énergétique de la planète Terre et son incidence sur le climat
L’énergie de notre Univers : son origine, son évolution, la fin thermique de l’Univers
L’énergie dans l’infiniment petit : les forces fondamentales, l’énergie du vide,…
Chapitres
A partir de février 2024, les documents associés au cours seront proposés ici.
Nous vivons désormais l’époque de l’anthropocène, ère géologique où la planète Terre évolue davantage par l’intervention de l’Humanité que par les forces telluriques ou cosmologiques. Derrière cette révolution, il y a l’exploitation des énergies fossiles, généreusement stockées par la planète pendant des millions d’années. Comment on est arrivés à ce que l’on considère comme une crise majeure de l’énergie et quelles sont les perspectives : après une introduction, une série de 3 podcasts pour faire le point en 2022 :
La série de podcasts "la Science dans l'arène" analyse les relations entre la Science et l'opinion publique en 2022, avec l'impact de la pandémie de la Covid-19 ; durant cette période, la démarche scientifique s'est déroulée en direct dans les médias et sur les plateaux de télévision, sous la pression du public et des politiques en quête de résultats rapides. Le public éberlué a été témoin de débats entre scientifiques qui d'ordinaire ont lieu dans le secret des laboratoires ou des congrès scientifiques. Devant la tournure excessive et parfois violente de ces débats, le public peut s'interroger sur la validité de la démarche scientifique et sa capacité à aboutir à des "vérités" sur lesquelles baser son opinion et fonder des politiques publiques.Après le podcast présentant la démarche scientifique et ses aléas, ce deuxième a pour objectif d'analyser la notion de "vérité scientifique", qui résulte du consensus de la communauté scientifique sur des faits et des conclusions. Ce consensus est loin d'être atteint (début 2023) pour les causes et traitements de la pandémie. Les errements de la recherche telle qu'elle a été médiatisée est à l'origine d'une perte de confiance du public en l'expertise scientifique et le développement de para-sciences et fausses croyances.
Depuis le début de la pandémie de la COVID 19, les journaux, les chaînes d’information continue et les réseaux sociaux se font l’écho des querelles entre scientifiques ; des professeurs bardés de titres, en blouse blanche adossés à leurs paillasses, affirment des vérités premières qui seront démenties par d’autres ou par eux-mêmes le lendemain, se balancent des accusations mutuelles d’incompétence ou de conflits d’intérêt. Le public est le témoin éberlué de cet étalage ; certains sont perturbés, car cela écorne leur perception des savants médecins comme des saints laïcs tout dévoués au bien de l’humanité. Pour d’autres, cela confirme leur vision d’un système pourri dont les scientifiques sont les acteurs ou les jouets.
Le doute, la polémique font partie de la démarche scientifique
Procès et polémiques jalonnent l’histoire des Sciences : notre « saint laïc » Louis Pasteur savait polémiquer, se contredire, voire s’approprier les résultats de chercheurs plus obscurs que lui. Douter de ses observations, remettre en question les résultats des autres font partie des conditions pour faire progresser les connaissances.
Qu’un spécialiste des maladies infectieuses préconise un antiviral qu’il connait bien est légitime, s’il accepte que ses observations soient passées à l’examen critique de ses collègues, en particulier des spécialistes des vaccins, qui eux pensent que les vaccins sont la solution. La sagesse populaire dit bien que « quelqu’un qui n’a qu’un marteau comme outil ne voit que des problèmes de clous » !
Mais alors qui est le juge de paix ? Le temps, l’accumulation des observations et l’analyse critique de la communauté scientifique. Or le temps, c’est ce qui manque le plus en période de pandémie.
La démarche chaotique vers la « vérité » scientifique
Une « vérité » scientifique est établie lorsqu’elle rend compte d’un éventail d’observations et que cela fait consensus dans la communauté scientifique. Elle résulte d’une démarche complexe qui s’apparente à celle d’une colonie de fourmis cherchant ses sources d’alimentation :
D’abord, exploration désordonnée dans toutes les directions
Puis, échange d’information pour déterminer les voies plus prometteuses
Enfin, établissement progressif d’un consensus sur la meilleure solution
Une fois établi, le caractère pandémique de la COVID 19 a provoqué une mobilisation sans précédent des chercheurs et des laboratoires de tous horizons. Le travail de fourmis de ces milliers de chercheurs se traduit par une profusion inouïe de travaux rendus publics (actuellement, environ 200 par semaine sur la COVID 19).
Comment déterminer ceux qui sont les plus fondés scientifiquement et les plus prometteurs ? Le filtre habituel est l’examen critique par les pairs, qui analysent les méthodes, valident les résultats et conclusions, avant publication dans une revue professionnelle, sous la responsabilité d’un comité éditorial. Ces filtres sont actuellement débordés et sous la pression des politiques et du public avides de certitudes ; ils laissent passer, même dans les revues les plus sérieuses, des articles douteux (voir aparté « la cueillette des cerises »).
Par ailleurs, fleurissent des revues dites prédatrices, au titre ronflant et proche de celui d’une revue réputée, qui publient tout ce que vous voulez moyennant finance. Ci-contre un article fameux, volontairement caricatural, signé en particulier par le chien du président Macron, accepté pour publication dans une revue prédatrice.
Un nombre significatif d’articles sont donc rétractés après publication ; un site (retractionwatch.com) en recense plus de 200 sur la COVID 19 (début 2022) : combien sont-ils toujours utilisés comme arguments dans les débats publics ? La rétractation est une arme à double tranchant, elle attire l’attention sur un travail qui serait peut-être passé inaperçu (effet Barbara Streisand) ; elle renforce l’opinion des sceptiques : « si le papier est retiré, c’est qu’il disait la vérité et gênait les intérêts des grands groupes pharmaceutiques ».
Dans ce contexte confus, et en un temps record si l’on fait le parallèle avec l’histoire du Sida, des vérités se dégagent quand même sur la Covid 19 : le code génétique du virus et ses modes d’action dans les cellules sont avérés ; le consensus se construit sur l’efficacité des vaccins. En revanche, il n’y a pas consensus (début 2022) sur l’origine du virus et sur les traitements les plus efficaces pour traiter la maladie.
Aparté – La cueillette des cerises
« En rhétorique ou dans toute forme d’argumentation, le cherry picking (litt. « cueillette de cerises ») est la mise en avant des faits ou données qui donnent du crédit à son opinion en passant sous silence tous les cas qui la contredisent. Ce procédé trompeur, pas nécessairement intentionnel, est un exemple typique de biais de confirmation » (Wikipédia). Dans l’avalanche de publications, il est toujours possible de trouver la publication (la cerise) qui confirmera votre opinion, même la plus extravagante. Sur un plateau télé, il est classique d’entendre « ce n’est pas moi qui le dis, mais un éminent (toujours éminent !) scientifique australien, chinois, tchèque ou marseillais (rayer la mention inutile !), qui l’a publié dans une revue internationale (toujours internationale) ! ».
Une belle cerise
Il est possible par exemple, d’affirmer : Une équipe internationale a publié dans un journal international une étude prouvant que la technologie 5G pouvait induire le coronavirus dans les cellules de la peau («5G Technology and induction of coronavirus in skin cells », M.Fioranelli et al. J. Biol. Regul. Homeosts Agents, 34 (4), Juillet 2020). Mais l’article a été rétracté piteusement, au motif que le comité éditorial était débordé. Cette référence convaincra surtout ceux qui font coller leurs clés sur leur front, après avoir été vaccinés. Un autre exemple (voir figure) est un article volontairement caricatural, signé en particulier par le chien du président de la République, accepté pour publication dans une de ces revues prédatrices.
Une cerise d’un autre genre
Le phénomène n’atteint pas que les revues prédatrices. La revue « Lancet », souvent qualifiée de prestigieuse, a publié un article tendant à prouver que l’hydroxychloroquine, promue notamment par le Pr. Raoult, était inefficace, voire dangereuse pour les patients. Cet article a été rétracté : la base de données ayant servi à l’étude étant d’origine très douteuse et biaisée statistiquement. Dans les mois qui ont suivi, plus de 50% des articles publiés citaient ce travail sans signaler qu’il était rétracté (source Science, 371, Janvier 2021). D’autres articles plus fondés allaient suivre et aboutir aux mêmes conclusions.
Une cerise gâtée pollue la récolte
Une « cerise gâtée » polluera le débat pour longtemps. Un article sur le lien entre l’autisme et la vaccination (RRO) publié dans la revue « Lancet » en 1998, a été rétracté en 2004, en raison de biais méthodologiques majeurs et de conflit d’intérêt de l’auteur principal (A Wakefield) ; 10 des 13 co-auteurs se sont rétractés sur les conclusions de l’étude. A. Wakefield a été radié de l’ordre des médecins britanniques. Plus de 20 après, cette étude est toujours la base d’un mouvement puissant antivaccin.
Le consensus – le talon d’Achille de la recherche scientifique
La reproductibilité des résultats est la clé de la construction du consensus. Est-ce que ce médicament, ce vaccin ont bien les effets bénéfiques et les effets secondaires annoncés par leurs promoteurs ? Ce sera une « vérité » si d’autres équipes font l’analyse critique des protocoles et concluent à leur validité, et reproduisent les résultats dans des conditions similaires.
C’est le stade le plus critique de la démarche, où se disputent les « nuages de fumée » des promoteurs qui protègent ou cachent leurs méthodes, les critiques malveillantes des équipes concurrentes, les intérêts financiers ou politiques. Le cas des « Tobacco papers » a été bien documenté après révélation des archives des industriels du tabac, qui démontrent que pour entretenir le doute sur le caractère cancérigène de la cigarette, ils ont financé des études douteuses induisant le contraire et sapé la réputation de leurs adversaires scientifiques.
En physique, le consensus sur la détection des ondes gravitationnelles a été acquis en quelques semaines, car 2 équipements (aux USA et en Italie), conduits par des équipes indépendantes, ont fait au même moment les mêmes observations.
Pourquoi est-ce si compliqué pour la lutte contre la COVID ? La recherche médicale, et surtout clinique (celle qui étudie les effets sur les malades) pose des problèmes spécifiques.
La recherche médicale est-elle une science exacte ?
Un scientifique connu (Donald Trump) a soutenu que l’eau de Javel combat efficacement le virus de la COVID. C’est un fait avéré en laboratoire ; en revanche il a été peu suivi sur l’idée d’en faire boire aux malades. C’est toute la différence entre la recherche médicale in vitro et celle in vivo : la recherche en laboratoire sur des milieux artificiels et la recherche faite sur les êtres vivants et à fortiori sur les humains.
Comme le démontre le consensus rapide obtenu pour le décodage des gènes du virus ; cette recherche in vitro donne peu lieu à polémique : des équipes dotées des équipements nécessaires trouveront le même résultat : c’est un fait scientifique reproductible, une « vérité ».
Etablir la vérité sur l’efficacité de tel ou tel vaccin ou traitement est une autre affaire : la non-reproductibilité des résultats de recherche clinique est un enjeu formidable, dont les acteurs sont conscients, mais qui transparait peu dans le public. Car la caractéristique du vivant est sa grande variabilité : tout résultat obtenu sur un échantillon de X personnes ne sera pas exactement semblable à celui d’une étude sur un autre échantillon. Sans compter les biais statistiques cachés et les confusions entre corrélations et liens de causalité (voir aparté sur « vin et santé »).
Aparté – Boire un verre de vin à chaque repas est bon pour la santé ?
« C’est bon pour la santé -notamment pour le cœur », concluaient plusieurs publications scientifiques : les unes -in vitro- basées sur la présence de polyphénols dans le vin, les autres « in vivo » sur le suivi statistique d’un échantillon de population. « L’alcool est mauvais pour la santé dès le premier verre » affirme une autre étude internationale de grande ampleur (Lancet, 2018). Cet exemple, qui peut paraitre anecdotique, est exemplaire des difficultés de la communication scientifique médicale : publications contradictoires, suspicion de conflits d’intérêt, impacts potentiellement importants sur l’économie et la santé.
Pour le rôle du vin dans la santé, cité ci-dessus, l’étude statistique positive a compté parmi les abstinents absolus (0 verre) ceux pour qui l’alcool est interdit (les déjà malades et les anciens alcooliques) ; il n’est pas étonnant que leur état de santé soit moins bon que celui des buveurs (très) modérés. L’effet disparait si on les sort de l’échantillon.
Donc la « vérité » semble être du côté de l’étude du « Lancet », mais reste à déterminer la part de la causalité dans la corrélation.
L’impact sur l’opinion publique
Comme le confirme les récents sondages (enquête IPSOS-CEVIPOF), l’opinion favorable sur la Science et la recherche scientifique -déjà à un très haut niveau- en sort plutôt confortée. Comment ne pas être impressionné par la découverte d’un virus et la délivrance de vaccins à des milliards d’humains dans un délai de 2 ans ?
Mais cet avis positif est ambivalent : 86 % des sondés sont d’accord avec l’affirmation « Les chercheurs sont des gens dévoués qui travaillent pour le bien de l’humanité », mais 73 % sont d’accord avec « Les chercheurs servent trop souvent les intérêts de l’industrie, notamment pharmaceutique ».
Le public se leurre-t-il sur la capacité de la recherche à résoudre les problèmes de la société ? Si l’on considère les grands projets comme « Manhattan » (construction de la première bombe atomique) ou « Apollo » (un homme sur la Lune), il suffirait de mobiliser des moyens humains et financiers pour réussir. D’ailleurs certains concluent que si on ne « trouve » pas, c’est que l’on ne « veut » pas (on n’y met pas les moyens) ou que l’on nous cache les résultats (ils lèseraient des intérêts politiques et/ou financiers puissants).
Pas si simple. Depuis 50 ans on consacre des moyens gigantesques pour la recherche sur le cancer, avec comme résultat … un meilleur taux de guérison. Il y a des projets qui sont plus techniques que scientifiques (comme Apollo) : il s’agit de mettre en œuvre des savoirs déjà existants. La recherche sur la COVID 19 a bénéficié d’années de progrès sur le génie génétique et de la mise au point de vaccins ou de sérums tests pour des maladies moins symptomatiques (ou ne concernant pas les pays riches !). Le cancer pose des problèmes scientifiques fondamentaux non résolus à ce jour.
Les grands perdants sont les « experts » scientifiques, tant dans les débats actuels, il est difficile de faire la part dans leurs affirmations entre les faits avérés et les opinions personnelles. La notion de gouvernement par les experts, avancée par certains pour gérer les problèmes de nos sociétés, est mise en cause : le traitement de la COVID a démontré que les experts ne peuvent (ne devraient) parler que dans leurs domaines de compétence, alors que les problèmes de nos sociétés comme une pandémie, sont par nature complexes et multifactoriels. Les arbitrages entre les expertises médicales, économiques, sociétales, psychologiques … ne peuvent être faits que par des politiques, sous le contrôle démocratique.
La crise de la COVID 19 a renforcé une forme de relativisme dans une part de la population, minoritaire mais très présente dans les médias : « les affirmations des scientifiques ne sont que des opinions parmi d’autres » ; ils sont complices ou acteurs d’un « système » qui cache la vérité au peuple et veut l’asservir. Pour eux, l’avis tranché d’un naturopathe autoproclamé a plus de valeur que celui d’un spécialiste s’appuyant sur les travaux d’une communauté de chercheurs.
Comme le note le philosophe Jean-Jacques Rosat, il ne s’agit pas en démocratie d’interdire l’expression de telle ou telle opinion : « le droit égal de chacun à défendre A ou B (est la) norme fondatrice du débat scientifique comme du débat démocratique, (il n’implique pas) l’égale validité d’A et de B ».
Faut-il regretter l’ère du positivisme où la Science était considérée comme un absolu, source de Progrès infini pour l’humanité ? Certainement pas, la Science connait davantage ses limites et sait le caractère ambivalent de ses retombées sur le quotidien de tous. « Mais faut-il considérer qu’il n’existerait que des raisons, celles de chacun, et (qu’) il serait autoritaire de se réclamer de la raison commune et universelle ? ».
Si la Science est faillible et peut décevoir les attentes, faut-il faire le pari de l’illettrisme scientifique, voire celui de l’Ignorance ?
Nous vivons désormais l’époque de l’anthropocène, ère géologique où la planète Terre évolue davantage par l’intervention de l’Humanité que par les forces telluriques ou cosmologiques.
Derrière cette révolution, il y a l’exploitation des énergies fossiles, généreusement stockées par la planète pendant des millions d’années.
Les évènement récents : le pic passé de production du pétrole, la guerre en Ukraine et la détérioration du climat mettent en lumière l’importance de l’énergie dans notre civilisation et donc sa fragilité liée à cette dépendance.
Malgré leur apparente simplicité, des questions comme : qu’est-ce que l’énergie ; quelles sont ses formes ; comment en faire le bilan pour nos activités, comment caractériser la qualité des différentes sources, comment prendre en compte la notion d’entropie qui caractérise l’évolution irréversible de notre environnement etc. n’ont pas de réponses évidentes. Ceci rend les débats publics confus, comme ceux concernant les usages de la voiture électrique, des éoliennes ou des panneaux solaires.
Une fois ces points discutés, il faut s’interroger sur la nature de la crise actuelle (crise de fin du mois ou crise de fin d’un temps) et sur notre capacité à y faire face.
La série de podcasts "la Science dans l'arène" analyse les relations entre la Science et l'opinion publique en 2022, avec l'impact de la pandémie de la Covid-19 ; durant cette période, la démarche scientifique s'est déroulée en direct dans les médias et sur les plateaux de télévision, sous la pression du public et des politiques en quête de résultats rapides. Le public éberlué a été témoin de débats entre scientifiques qui d'ordinaire ont lieu dans le secret des laboratoires ou des congrès scientifiques. Devant la tournure excessive et parfois violente de ces débats, le public peut s'interroger sur la validité de la démarche scientifique et sa capacité à aboutir à des "vérités" sur lesquelles baser son opinion et fonder des politiques publiques.Après le podcast présentant la démarche scientifique et ses aléas, ce deuxième a pour objectif d'analyser la notion de "vérité scientifique", qui résulte du consensus de la communauté scientifique sur des faits et des conclusions. Ce consensus est loin d'être atteint (début 2023) pour les causes et traitements de la pandémie. Les errements de la recherche telle qu'elle a été médiatisée est à l'origine d'une perte de confiance du public en l'expertise scientifique et le développement de para-sciences et fausses croyances.
Ces thèmes ont fait l’objet de conférences dans le cadre de l’Université Permanente de Nantes. Les liens ci-dessous donnent accès à la présentation : au format universel pdf ou au format spécifique Powerpoint. La vidéo reprend l’essentiel de ces conférences
« La 5G est dangereuse, elle est nécessaire au développement économique, elle va à l’encontre du développement durable, etc. »
La 5 G fait l’objet d’un débat légitime car elle fait partie des évolutions (progrès ?) techniques qui impactent fortement la vie quotidienne et la société en général. Ces débats comportent et souvent mélangent des arguments scientifiques, économiques et politiques. Le débat sur la téléphonie 5G fait partie du thème plus général de l’impact des ondes et champs électromagnétiques (cf. le compteur Linky, les lignes à haute tension, …).
Cet article apporte l’éclairage d’un scientifique sur ces phénomènes physiques et leur interaction avec la matière, notamment vivante. Les effets potentiels, physiques et physiologiques, sur les personnes seront analysés.
Les aspects multiples des débats sur les ondes : la Science dans l’arène.
Dans ce genre de débats, les aspects scientifiques sont entremêlés avec les aspects économiques, politiques et sociétaux ; les arguments scientifiques ne servant souvent que d’alibi pour conforter des opinions préétablies. L’objectif ici n’est pas de prendre position pour ou contre la 5G, mais de fournir les bases scientifiques, pour que chacun puisse se prononcer sur les autres aspects en toute connaissance de cause.
Cliquez sur les boutons ci-dessous pour avoir accès à la présentation et à la vidéo.
Cette présentation a été préparée pour un webinaire du CNAM-Pays de la Loire, le 10 Janvier 2022.
Pour en savoir plus
Dans la série de cours “Comprendre le monde moderne … débutant “, le chapitre 1 est dédié aux ondes. Ce cours fait l’objet de 2 vidéos sur YouTube “La Science de Bernie”, on trouvera une vidéo “les ondes introduction” et sa suite “Les effets des ondes“.
Le cours se propose d’exposer les grandes lignes des sciences de la complexité, dont les principes sont présentés ailleurs dans le blog (voir ” comprendre le monde et sa complexité “).
« C’est une chose étrange que les hommes aient voulu comprendre les principes des choses, et de là arriver à connaître tout, par une présomption aussi infinie que leur objet »
Pascal, Pensées 72-299
Chapitre 0 – Introduction
La quête de l’unité a été l’axe dominant de la physique depuis 3 siècles ; depuis le milieu du XXème siècle, la science de la complexité est apparue, notamment grâce à l’arrivée des ordinateurs. Cette introduction présente les objectifs de ce cycle et le contenu de chacun des chapitres.
A la fin de chaque chapitre, les boutons pdf, ppt et vidéo donnent accès aux différentes ressources :
pdf : présentation sans animation
ppt : présentation lisible avec Powerpoint, avec animations et effets dynamiques
En ce début de XXIème siècle, la Physique a fortement progressé vers une vision unifiée des forces, composants et lois qui constituent notre Univers, à toutes les échelles.
Ce chapitre expose la démarche -théorique et expérimentale- qui a construit au fil des siècles cette vision unifiée. Cette quête de l’unité -non encore aboutie- fournit une base solide pour tenter la reconstruction des objets de l’Univers à partir de ses “atomes”.
Une section de ce chapitre – “L’arpentage du monde” – a été développée. Elle présente la démarche vers la définition unique et cohérente des grandeurs fondamentales et d’un système d’unités pour les mesurer. Désormais (en 2018), le rêve de la Révolution Française d’établir un système de mesures simple et universel, est devenu réalité.
Nous prenons conscience que la structure actuelle de notre univers dépend d’un réglage extrêmement fin d’un petit nombre de constantes universelles.
Les différents champs de la physique sont structurés en une hiérarchie de disciplines emboîtées. Chaque discipline (nucléaire, atomique, moléculaire, …) s’appuyant sur le niveau inférieur en “cachant” sa structure interne.
Cette hiérarchisation de systèmes physiques encapsulés s’applique aussi dans la vie moderne. En effet, on y manipule beaucoup d’objets technologiques, sans connaître leurs structures internes. On applique -sans le savoir- les principes de l’encapsulation.
Au cours du XIXème siècle, avec l’essor des machines à vapeur, la physique statistique a été élaborée pour comprendre l’origine des comportements des gaz, c’est-à-dire relier leur comportement macroscopique (à notre échelle) à leur organisation microscopique. La physique statistique fait apparaître la notion d’émergence, qui dominera la suite du cycle de cours.
Chapitre 3 – La complexité – survol épistémologique
La notion de système est relativement récente (XVIIIème siècle) : “ensemble de constituants reliés par des relations de dépendance et ayant un comportement collectif vis-à-vis de leur environnement”. Les notions de système complexe et de science de la complexité sont apparues au milieu du XXème siècle, notamment en lien avec la puissance croissante des ordinateurs.
La science de la complexité apparait comme alternative à la “quête de l’unité” (Chapitres précédents) avec l’objectif de reconstruire l’Univers à toutes ses échelles et dans sa diversité. Que ce soit en Mathématiques ou en Physique, au-delà des obstacles techniques, il y a des limites fondamentales à la réalisation du rêve de Laplace.
Le rêve de Laplace
La notion de complexité est un concept-valise, qui a envahi tous les champs des sciences exactes, humaines et sociales. Il est cependant possible de classer et de “mesurer” la complexité des systèmes de la nature.
Chapitre 4 – Les systèmes dynamiques – les automates
L’étude de la dynamique des systèmes est un des champs les plus actifs de la physique : par les applications qui en découlent (mécanique classique, mécanique quantique, etc.), et par les développements mathématiques qu’elle a, soit utilisés, soit suscités. La dynamique des systèmes se caractérise par des équations différentielles liant l’évolution au cours du temps à la structure de l’espace (champ de forces, gradients,…).
Le nombre des solutions analytiques de ces équations est très limité ; les méthodes de résolution discrètes ouvrent -avec l’ordinateur- un espace immense de solutions numériques.
La mise en œuvre de ces méthodes numériques fait apparaître la notion d’automate, comme outil de modélisation des phénomènes de la Nature. La première section du chapitre montre les applications de ces automates à l’étude des systèmes dynamiques ; mis en œuvre sur ordinateur, ce sont des outils puissants pour la résolution de nombreux problèmes (par exemple, le “problème à N corps”), avec des limitations fondamentales qui font l’objet de la section suivante
L’utilisation des automates de calcul -par exemple pour la météo- va mettre en lumière le phénomène de chaos déterministe, pressenti par Poincaré au début du XXème siècle. Le chaos met fin au rêve de Laplace, puisque il dissocie la prédiction de l’explication et de la compréhension : les phénomènes expliqués par des lois parfaitement déterministes peuvent avoir un comportement imprédictible.
Le papillon et le cyclone
La 2ème section du chapitre 4 est dédiée à l’étude du chaos déterministe, ses propriétés et les conditions d’apparition des régimes chaotiques dans la dynamique des systèmes.
À notre échelle, “le hasard est le principe déclencheur d’événements non liés à une cause connue” (Wikipédia). Pour des savants comme Einstein, tous les évènements de la Nature sont reliés à des causes et si des causes nous paraissent inconnues, c’est que nos théories sont imparfaites; alors que les théoriciens de la Mécanique Quantique – en majorité- pensent qu’il y une part de hasard irréductible dans les phénomènes physiques de l’infiniment petit.
Le hasard et la pandémie COVID – 19
Il y a un paradoxe à vouloir simuler les phénomènes aléatoires (au hasard) sur la machine déterministe qu’est l’ordinateur. Ce problèmes résolu, un large domaine de phénomènes physiques est ouvert à la modélisation et à la simulation sur ordinateur, par les méthodes dites de Monte-Carlo.
Les organismes vivants – pour leur survie ou leur reproduction – résolvent des problèmes complexes sans mathématiques, ni ordinateur. De capacités individuelles limitées, ils agissent collectivement pour s’adapter à l’environnement. On parlera d’intelligence distribuée ou d’intelligence en essaim.
A partir des années 1960, des modèles inspirés par la Nature et la Biologie ont été développés, pour traiter, notamment, les problèmes de parcours optimaux dans les réseaux . Les algorithmes qui en résultent (par exemple, “algorithmes de fourmis” ou “algorithmes génétiques”), permettent de résoudre de manière efficace des problèmes de logistique, de routage, de distribution, etc.
La première section montre l’application de ces modèles d’intelligence distribuée à différents problèmes d’optimisation combinatoire.
Alors que la puissance des processeurs d’ordinateur se développe de manière exponentielle, les modèles bio-inspirés montrent que des réseaux de processeurs (automates) aux capacités limitées ont des propriétés collectives émergentes exceptionnelles.
Modèle du perceptron – Y. Le Cun – “Quand la machine apprend” – Odile Jacob
La section suivante étudie les réseaux d’automates (jeu de la vie, automates cellulaires), avant d’aborder les réseaux neuronaux. Inspirés des neurones animaux (humains), ils ont atteint des performances que l’on croyait réservées au cerveau humain (reconnaissance et synthèse de la parole, reconnaissance d’écriture, traduction dans des dizaines de langues, etc.). Se pose alors la question de l’intelligence artificielle : ses possibilités, limites, voire dangers.
Les objets qui composent notre univers ont des formes qui nous permettent de les reconnaître et de les classer (avec nos réseaux neuronaux) : montagne, chou-fleur, flocon de neige etc… Nous nous interrogeons rarement sur l’origine de ces formes, de leurs régularités ou absences de régularités.
Ce chou Romanesco a une forme bien particulière – entre ordre et désordre. La morphogénèse se pose la question de l’origine de la forme des objets de la Nature.
La morphogénèse est un vaste domaine scientifique encore balbutiant ; nous traiterons 3 aspects : – Les objets fractals : objets de la Nature de structure intermédiaire entre le désordre et l’ordre parfait, où se mêlent autosimilarité et aléatoire. – L’entropie est une mesure du désordre des systèmes et ne peut que croître. Ce principe vérifié à toutes les échelles, implique que le désordre ne peut que croître dans la Nature. Et pourtant nous sommes entourés de structures ordonnées, en particulier par des organismes vivants. Comment cela est-il compatible avec l’entropie ? – Si l’on admet que les flux d’énergie permettent de lutter contre l’entropie, voire créer des structures ordonnées ; comment ces structures apparaissent-elles ; il y a-t-il un principe (ou plusieurs) à la base de la morphogénèse ?
Pourquoi la planète Terre (comparée à la Lune) est-elle dynamique ; pourquoi héberge-t-elle des structures organisées comme les êtres vivants ? Alors que le principe général de l’entropie devrait la conduire vers le désordre.
Bilan d’énergie et d’entropie de la Planète Terre
Sa capacité à produire de l’énergie libre est la clé. Le chapitre expose les bilans énergétique et entropique de la Terre, et montre que son avenir est conditionné par sa capacité à évacuer vers l’espace l’énergie et l’entropie qu’elle génère.
————— Bibliographie – Extraits de ma bibliothèque ——————-
Dans la mesure du possible, les liens vont vers les sites des éditeurs, quand ils existent … Certains livres sont moins récents -mais toujours d’actualité ; on peut les trouver en bibliothèque ou en occasion.
“A la découverte des lois de l’Univers – La prodigieuse histoire des mathématiques et de la Physique”, R. Penrose, Odile Jacob. Une vision encyclopédique par l’un des plus féconds et originaux physiciens de ce temps. Un peu ardu parfois, mais “ad augusta, per angusta”…
Epistémologie, Histoire des Sciences
“La quête de l’unité – l’aventure de la physique”, E.Klein, M Lachièze-Rey, Albin Michel “Sciences d’aujourd’hui”. L’histoire des succès de l’approche réductionniste en Physique
“Le grand Tout”, S.Carroll, Quanto, EPFL Press. L’existence de l’homme a-t-elle un sens et un but dans une vision scientifique de l’univers – le point de vue abordable d’un physicien.
“Logicomix“, A Doxiadis, C. Papadimitrou, A. Papadatos et A. Di Donna, Vuibert. Une bande dessinée très documentée sur l’histoire de la recherche des fondements des mathématiques.
“Eléments d’Histoire des Sciences“, dir M. Serres, Bordas, Cultures. Un ouvrage de référence sur les grandes “bifurcations” dans l’Histoire des Sciences.
“Chaos, conscience, auto-organisation – méditations sur l’unité du Monde”, D.Idier, auto-édition, materianumerica.net. Un ouvrage très personnel, avec des ouvertures métaphysiques (au-delà de la physique), illustré par des images de synthèse construites à partir d’algorithmes mettant en œuvre les principes du chaos.
“Comme un vol d’étourneaux“- Une introduction personnelle à la science de la complexité, Giorgio Parisi, Prix Nobel 2021, Flammarion, récit d’une aventure scientifique qui est une excellent introduction à la science de la complexité.
“Au-delà de la physique” – L’émergence de la vie, Stuart A. Kauffman, Dunod ; une réflexion personnelle et originale sur la (im)possibilité de l’émergence de la vie à partir des lois de la physique.
“John von Neumann – L’homme qui venait du futur” A. Bhattacharya. La biographie d’un scientifique exceptionnel, qui permet de parcourir la Science du XXème siècle au traver de ses multiples contributions.
Ouvrages thématique
“La théorie du chaos”, J.Gleick, Champs, Flammarion. Un classique, plusieurs fois primé, de vulgarisation scientifique, rigoureuse et agréable à lire.
“Le mètre du monde” .Guedj, Seuil, la relation très vivante de l’aventure de la mesure du méridien terrestre pour fixer la valeur du mètre. Une version plus fouillée par un historien américain “La mesure du monde – La méridienne“, K.Alder, Robert Laffont.
“L’importance des constantes” – de la mesure au cosmos, JP Uzan et B.Leclercq, Dunod, la quête de l’unité en physique illustrée par la recherche des constantes fondamentales de notre Univers et leur détermination.
“La fin des certitudes – temps, chaos et les lois de la nature-” I.Prigogine (I.Stengers),Odile Jacob. Une réflexion d’un des pionniers de la thermodynamique hors équilibre. Voir aussi le livre plus pointu, moins récent: “Physique, temps, devenir”, I.Prigogine, Masson.
“Dynamique des systèmes complexes” G.Weisbuch, CNRS InterEditions. Introduction très complète aux réseaux d’automates. Ouvrage épuisé accessible en ligne.
“The self-organizing universe” (en anglais) E Jantsch, Pergamon. Un livre fondateur sur les paradigmes émergents d’auto-organisation et de l’évolution vers la complexité des systèmes physiques, biologiques et sociaux.
“Modèles mathématiques de la morphogénèse“, René Thom, 10-18 puis réédition Eyrolles ; livre fondateur donc un peu ancien sur la morphogénèse, pas si mathématique que cela.
“Quand la machine apprend – la révolution des neurones artificiels et de l’apprentissage profond”, Y. Le Cun, Odile Jacob. Une vision historique et un état de l’art, par un des fondateurs de ce champ disciplinaire.
“L’IA peut-elle penser ? Miracle ou mirage de l’intelligence artificielle”, H. Krivine, De Boeck Supérieur. Une analyse des potentialités et limites de l’IA, l’auteur penche plutôt vers le mirage que vers le miracle.
Encyclopédie en ligne
Usez et abusez de l’encyclopédie en ligne Wikipédia. Par exemple, les articles :
Beaucoup de rumeurs circulent sur le COVID19 ou les nouvelles technologies, comme la téléphonie 5G ou le compteur Linky. Vous subissez des messages viraux qui envahissent vos réseaux sociaux. Ne subissez plus, créez les vôtres. Voici un tuto par l’exemple :
La part d’Internet dans la consommation de l’énergie mondiale est toujours croissante. Quel est l’impact écologique d’Internet sur la Planète ? Comment le calcule-t-on ?
Ces questions sont l’occasion de revenir sur la notion d’énergie. L’énergie se présente sous différentes formes, mais elles n’ont pas toutes la même qualité. L’entropie permet de caractériser la part de l’énergie qui est inutilisable et donc de déterminer la notion d’énergie libre.
La planète Terre reçoit d’énormes quantités d’énergie du Soleil. Seule un petite partie apparait sous forme d’énergie libre, qui est à la source de toute la dynamique terrestre : dynamique de l’atmosphère, de la biosphère, des activités humaines, donc … d’Internet.
La vidéo expose les différents mécanismes de la planète Terre pour maximiser son énergie libre et donc contrôler son entropie. Internet est une activité humaine qui pèse 2% de la consommation totale d’énergie libre ; même en forte croissance, Internet pourrait avoir un impact mineur sur l’équilibre terrestre et son climat, dans la mesure où toute sn cycle d’activité (fabrication des machines, alimentation des ordinateurs et serveurs, alimentation des lignes, déconstruction) devient en totalité alimentée en électricité d’origine non carbonée.
Voir la présentation Powerpoint ou pdf , et la vidéo sur YouTube
Un effort de recherche scientifique sans précédent est fait à l’échelle mondiale pour traiter la pandémie du Covid-19.
Ce petit organisme d’environ 0,1 micron (1/10 000 000 m) est la cause d’une pandémie en cours (mai 2020) qui bouleverse la vie des gens et l’économie d’une bonne partie de la planète (voir l’article “Covid-19” dans Wikipedia).
Ces recherches se font sous la pression de l’opinion publique et des politiques, qui exigent que les chercheurs rendent compte journellement de leurs travaux et de leurs éventuels progrès( ou échecs).
L’opinion publique suit donc en direct, dans les médias et sur les réseaux sociaux, l’évolution de ce gigantesque programme de recherche. Avec étonnement et souvent incompréhension, il suit le débat scientifique avec ses emportements, ses approximations et ses contradictions. Le débat fait partie du processus normal de recherche de la “vérité” scientifique ;mais il reste en général “confiné” dans le cercle restreint des scientifiques. Le public découvre ainsi en “live” le processus de la recherche scientifique, dans un contexte exacerbé par la pression médiatique et par l’urgence des orientations politiques à prendre.
Pour mieux comprendre les enjeux
Ce thème a été l’objet de conférences à l’Université Permanente de Nantes.
à Pornic, le 10 novembre 2021.
à La Roche sur Yon, le 24 février 2022
à Ancenis, le 25 avril 2022
Les présentations supports de ces conférences sont accessibles sous 2 formats, le format “ppt” de Powerpoint (le plus complet mais nécessite une application spécifique) et “pdf” (plus accessible, mais ne conserve pas les animations du fichier “ppt”). Cliquez sur les boutons ci-dessous.
Comprendre la complexité du monde à partir de ses composants ultimes est l’enjeu de la Science moderne. Cette section est la présentation générale du cours “Comprendre le monde … autrement “.
Classifier les composants du monde
Depuis les Grecs, les savants ont cherché à dominer la complexité apparente de notre monde. Du moins à notre échelle, car les Grecs admiraient la régularité des mouvements des étoiles (un peu moins celle des planètes) par comparaison avec le désordre de notre monde sub-lunaire.
Empédocle et Aristote distinguaient 4 composants de bases. La combinaison de ces éléments et de leurs propriétés permettait déjà une première classification des “choses” observables sur Terre. Il était admis que ces éléments sont constitués de particules ultimes (“atomes” insécables). Mais c’était plus une idée philosophique, car les atomes étaient considérés comme inaccessibles à toute expérience sensible.
A partir du XVIIème siècle et avec le développement des instruments scientifiques, les physiciens ont commencé l’exploration du monde à des échelles de plus en plus petites. Cette démarche réductionniste a abouti au modèle standard des particules élémentaires. Ce modèle pose que les constituants ultimes de la matière sont des quarks et des leptons, avec des bosons porteurs des 4 forces fondamentales. Pour en savoir plus, voir le cours sur le site.
Vers la théorie du Grand Tout
Le modèle standard, sans être la théorie du Grand Tout, permet de décrire de façon précise et très prédictive la dynamique des particules élementaires et leurs interactions. Alors la Physique a-t-elle réussi ? Ne reste-t’il que des problèmes marginaux à résoudre, comme (excusez du peu !) la composition de la matière noire qui semble ne pas rentrer dans le modèle standard, ou marier la Relativité et la Mécanique Quantique pour mieux comprendre le Big Bang ? Il y a là des enjeux formidables qui occupent des cohortes de théoriciens et d’expérimentateurs, sans grands succès depuis des dizaines d’années.
Mais ces paris réussis, cela veut-il dire que nous serons capables de “reconstruire” la complexité du monde à partir de ses composants. Reconstruire la composition d’une cellule vivante et prédire son comportement à partir des quarks et des électrons qui la composent, est-ce possible ? Sans parler du fonctionnement du cerveau humain.
Les sytèmes complexes
En même temps, qu’ils progressaient dans leur démarche réductionniste, les physiciens se rendaient compte de la difficulté du processus inverse : réinventer le monde à partir de ses “atomes”.
Mais, est-ce que la connaissance des constituants et lois ultimes de l’Univers permettra la réalisation du rêve prométhéen de tout comprendre, tout embrasser, tout prévoir. Dans le même temps que progressait notre quête de l’Unité, se dressait le mur de la Complexité, c’est-à-dire les difficultés théoriques et pratiques pour maîtriser la connaissance des systèmes à partir de leurs composants.
Reconstruire le monde et sa complexité
Après une synthèse des succès et échecs dans la quête de l’Unité (voir la section ” comprendre le monde “), le cours se propose d’exposer les enjeux et méthodes de l’étude des systèmes complexes : les différentes « couches » de complexité à partir de l’infiniment petit ; la notion d’émergence ; l’existence et les lois du hasard ainsi que les modèles pour simuler les phénomènes aléatoires. Les principes des modèles à automates, et en particulier les systèmes neuronaux seront exposés.
En particulier, la vidéo ci-dessous qui illustre l’articulation des sciences de la “simplicité” (ce qui ne veut pas dire faciles) et celles de la “complexité”.
De la physique de la simplicité à celle de la complexité
