Le principe du tourbillon.
Si le flux d’énergie à travers l’univers s’arrêtait ne serait-ce qu’un instant, quelle part de ce qui paraît solide et permanent disparaîtrait tout simplement ? Non pas lentement, mais instantanément.
Un tourbillon n’est pas un objet. C’est une forme que prend l’eau lorsqu’elle s’écoule dans un conduit, et dès que l’eau s’arrête, le tourbillon ne ralentit pas et ne s’estompe pas, il disparaît tout simplement, car il n’a jamais été un objet à l’origine. C’était une figure, empruntée à un flux.
Le second principe de la thermodynamique stipule que le désordre ne peut qu’augmenter, et pendant un siècle, les physiciens ont interprété cela comme signifiant que l’univers était un long et lent écoulement vers le néant.
Mais les flocons de neige, les galaxies, les villes et les cellules vivantes sont tous, au sens physique le plus strict, des tourbillons.
Ce ne sont pas des choses que le chaos n’a pas réussi à détruire. Ce sont des structures qui n’existent que parce qu’un flux constant les traverse, et dès que ce flux s’interrompt, elles disparaissent.
La loi qui aurait dû rendre toute chose informe
Il s’agit ici d’un principe fondamental de la physique, qu’il convient de rappeler avant toute chose.
En 1850, Rudolf Clausius formalisa ce qui allait devenir le second principe de la thermodynamique : dans tout système fermé, l’entropie, mesure du désordre ou, plus précisément, le nombre de façons dont les composants du système peuvent être agencés tout en conservant une apparence identique vue de l’extérieur, ne peut qu’augmenter avec le temps. Ludwig Boltzmann donna à ce principe son fondement statistique des décennies plus tard, en démontrant que les états désordonnés sont bien plus nombreux que les états ordonnés. Ainsi, un système fermé, laissé à lui-même, tendra inéluctablement vers le désordre, tout simplement parce qu’il existe beaucoup plus de façons d’être désordonné que d’être ordonné. Un jeu de cartes mélangé reste mélangé. Un verre cassé ne se reconstitue pas. La chaleur se propage du chaud vers le froid, jamais l’inverse, sans intervention extérieure.
Il s’agit là d’un principe physique réel, fondamental et largement éprouvé du XIXe siècle. À première vue, il semble prédire un univers glissant inexorablement vers une uniformité sans structure, une « mort thermique » due au désordre maximal. Pendant plus d’un siècle, c’est exactement ce que les physiciens ont supposé être la signification de l’ordre et du chaos : les deux extrémités d’un même cadran, la réalité étant inexorablement entraînée vers l’extrémité chaotique.
Le physicien qui a découvert la faille que la physique avait perdue
C’est là que l’histoire devient vraiment intéressante, et elle concerne un scientifique en particulier, Ilya Prigogine, qui a apporté une correction précise à un siècle de postulat. Né à Moscou en 1917 et ayant passé la majeure partie de sa carrière à l’Université libre de Bruxelles, il a consacré les années 1960 à l’étude d’un phénomène que la formulation classique du second principe de la thermodynamique avait négligé : ce qui se passe dans les systèmes non fermés.
Clausius et Boltzmann avaient décrit des systèmes isolés, coupés de leur environnement. Or, dans l’univers réel, presque rien n’est réellement isolé. Les étoiles déversent de l’énergie dans l’espace. La lumière du soleil déverse de l’énergie sur la Terre. Les rivières transportent de la matière vers le bas des pentes. Prigogine a étudié le comportement de l’entropie dans les systèmes ouverts, c’est-à-dire ceux qui échangent continuellement de l’énergie ou de la matière avec leur environnement, et a découvert un phénomène que le modèle classique ne pouvait expliquer : loin de l’équilibre, sous l’effet d’un flux continu d’énergie, ces systèmes ne dérivent absolument pas vers le désordre. Elles s’organisent spontanément en nouveaux tourbillons stables et complexes, des structures qui n’existent que grâce au flux d’énergie qui les traverse.
Prigogine les a nommées structures dissipatives, un ordre maintenu par la dissipation plutôt que détruit par elle. Il a reçu le prix Nobel de chimie en 1977 pour cette découverte, « pour ses contributions à la thermodynamique hors équilibre, et en particulier à la théorie des structures dissipatives ».
Cette découverte, qui lui a valu un prix Nobel, commence par un phénomène que chacun peut observer sur sa propre cuisinière. Son illustration préférée se déroulait dans une cuisine, et non en laboratoire : chauffer un liquide dans une casserole peu profonde par le bas. En dessous d’une certaine température, la chaleur se propage aléatoirement vers le haut. Au-dessus, le liquide s’organise spontanément en un réseau parfait de cellules de convection hexagonales, des millions de molécules se déplaçant à l’unisson, un phénomène réel, visible et reproductible appelé instabilité de Bénard, la même logique en forme de spirale qu’un tourbillon, mais inversée. Rien n’a conçu ce motif hexagonal. Le flux d’énergie à travers le système l’a organisé de lui-même. C’est étrange de réaliser que les mêmes lois physiques qui expliquent pourquoi une galaxie spirale conserve sa forme se retrouvent, en miniature, sur une cuisinière.
Pourquoi un flocon de neige est déjà une réponse à cette question
L’exemple quotidien mérite une étude physique approfondie, car il est sous nos yeux depuis toujours. Un flocon de neige se forme à partir d’une simple molécule d’eau sans structure, au sein d’un nuage, aussi peu organisée que la vapeur qui l’entoure. En tombant dans l’air à une température et une humidité spécifiques, les molécules d’eau s’y fixent plus rapidement aux pointes de son cristal en croissance, celles qui s’avancent le plus dans l’air environnant, plus riche en humidité. Ce processus est appelé agrégation limitée par la diffusion. Cette seule règle locale – les pointes les plus acérées croissent plus vite – appliquée à un réseau hexagonal de glace déterminé par la géométrie moléculaire de l’eau, produit la symétrie à six branches commune à tous les flocons.
La configuration exacte des ramifications reste cependant différente à chaque fois, car elle est façonnée par les turbulences spécifiques et uniques que traverse le cristal lors de sa chute. Aucune molécule « sait » qu’elle construit un hexagone. Il n’existe aucun plan préétabli dans le nuage. Le cristal est un tourbillon de glace au lieu d’eau : l’énergie et la matière circulent à travers le système, suivant des règles locales simples, et un ordre global complexe et répétable découle directement du flux lui-même, de la même nature que l’eau qui s’écoule en spirale vers un drain.
La même physique, à l’échelle des galaxies
La même logique sous-jacente, à savoir l’émergence des structures issues des flux et des instabilités plutôt que leur imposition extérieure, opère aux plus grandes échelles étudiées par les astronomes. Une jeune galaxie se forme initialement comme un nuage relativement uniforme de gaz et de matière noire, s’effondrant gravitationnellement sous son propre poids. Lors de cet effondrement, la rotation du nuage, présente dès le départ sous forme de variations infimes et aléatoires dans l’univers primordial, s’amplifie : la conservation du moment cinétique implique qu’un nuage en rotation et en effondrement doit tourner plus vite à mesure qu’il se contracte, à l’image d’un patineur qui ramène ses bras contre son corps. Cette rotation plus rapide aplatit le nuage en effondrement en un disque, car la matière peut s’effondrer librement le long de l’axe de rotation, mais est maintenue en place par la rotation dans le plan du disque. Les instabilités gravitationnelles au sein de ce disque, les régions plus denses attirant encore plus de matière, organisent davantage le gaz en bras spiraux que les astronomes observent, un tourbillon d’une largeur de cent mille années-lumière, composé d’étoiles plutôt que d’eau, et maintenu en forme par la gravité plutôt que par un système d’évacuation.
Une physique différente et spécifique de celle de l’agrégation limitée par diffusion d’un flocon de neige, mais le même principe structurel profond : des règles locales simples, appliquées sous un flux continu d’énergie et de matière, générant un ordre à grande échelle qu’aucun concepteur externe n’a besoin de spécifier à l’avance.
Que la vie elle-même ne soit que cette physique, qui s’écoule assez longtemps
Cette question mérite d’être abordée avec rigueur et honnêteté, car il s’agit d’une hypothèse scientifique sérieuse, et non d’un consensus établi. En 2013, Jeremy England, physicien au MIT alors âgé de 31 ans, a proposé ce qu’il a appelé l’adaptation par dissipation : mathématiquement, des groupes d’atomes exposés à une source d’énergie externe continue (lumière solaire, chaleur géothermique, gradients chimiques) tendent statistiquement à se restructurer pour dissiper cette énergie plus efficacement. Or, les structures autoréplicatives sont particulièrement performantes à cet égard, puisqu’une structure qui se réplique double sa capacité à absorber et à disperser l’énergie. England a publié des travaux théoriques à l’appui de cette hypothèse dans la revue Nature Nanotechnology en 2015, et des chercheurs ont depuis testé certains aspects de cette hypothèse en laboratoire, avec des résultats qu’ils jugent très prometteurs, même si la question de l’origine de la vie reste un domaine de débat actif.
La physicienne Sara Walker a émis une mise en garde utile et pertinente qu’il convient de mentionner d’emblée : la Grande Tache rouge de Jupiter est une structure dissipative bien réelle, un exemple classique de structure dissipative, une tempête auto-entretenue qui persiste depuis au moins trois siècles en dissipant continuellement l’énergie atmosphérique. Selon le cadre théorique d’England, elle appartient à la même catégorie de phénomènes qu’une bactérie.
Personne ne considère la Grande Tache rouge comme vivante. Il ne s’agit pas tant d’une faille dans l’hypothèse que d’un rappel pertinent et honnête de l’étendue des progrès nécessaires à la théorie avant que la seule structure dissipative n’explique la vie, au lieu de simplement en décrire une condition nécessaire. Que l’hypothèse d’England soit ou non entièrement vérifiée, le cadre théorique sur lequel elle repose – l’ordre émergeant du flux d’énergie plutôt que de s’y opposer – est le même qui sous-tend toutes les structures mentionnées précédemment, des cellules de convection aux villes.
Les villes fonctionnent selon exactement les mêmes principes mathématiques.
C’est là que ce phénomène s’affranchit totalement de la physique et de la biologie pour façonner directement le quotidien humain. Les recherches qui le sous-tendent sont précises, publiées et véritablement surprenantes. Dans un article fondateur paru en 2007 dans les Actes de l’Académie nationale des sciences, le physicien Geoffrey West, alors président de l’Institut de Santa Fe, en collaboration avec Luís Bettencourt, José Lobo, Dirk Helbing et Christian Kühnert, a analysé des données provenant de centaines de villes à travers le monde et a fait une découverte inédite avec une telle précision : les villes obéissent à des lois d’échelle mathématiques réelles et mesurables, structurellement identiques aux lois d’échelle qui régissent le métabolisme des organismes vivants.
Les infrastructures – routes, lignes électriques, stations-service – évoluent de manière sous-linéaire avec la population, suivant un exposant constant d’environ 0,85 : une ville deux fois plus grande qu’une autre n’a besoin que d’environ 85 % d’infrastructures supplémentaires par habitant, et non pas deux fois plus. Il s’agit là d’une véritable économie d’échelle intrinsèque. Parallèlement, les indicateurs de production socio-économique – salaires, brevets, PIB, mais aussi criminalité, maladies et pollution – évoluent de façon superlinéaire, environ 15 % au-dessus de la linéarité : une ville deux fois plus grande ne produit pas seulement deux fois plus d’innovation, de richesse et, malheureusement, de criminalité, mais bien plus du double.
Aucun urbaniste ne conçoit une ville pour qu’elle se comporte ainsi. Aucune municipalité ne se fixe pour objectif d’accroître son niveau d’innovation par habitant de 15 % avec une population deux fois plus importante. Ce schéma découle directement de la manière dont les êtres humains s’auto-organisent lorsque l’énergie, les ressources et l’information circulent au sein d’un réseau dense, selon la même architecture sous-jacente que la loi de croissance d’un flocon de neige ou le principe de convection d’une cellule de Bénard, à la différence près qu’elle s’applique aux individus plutôt qu’aux molécules d’eau.
Pourquoi Internet a développé des hubs au lieu de rester plat
Cette même architecture se retrouve dans un réseau que personne n’a conçu pour prendre cette forme. À la fin des années 1990, les physiciens Albert-László Barabási et Réka Albert ont démontré que les réseaux qui croissent au fil du temps selon une règle simple – les nouveaux nœuds se connectent préférentiellement aux nœuds déjà bien connectés, un phénomène qu’ils ont nommé attachement préférentiel – développent spontanément un petit nombre de hubs extrêmement bien connectés, entourés d’une vaste majorité de nœuds faiblement connectés : une structure « sans échelle », mathématiquement distincte d’un réseau aléatoire.
Le World Wide Web en est l’exemple type : passé d’une seule page en 1991 à plus d’un billion de pages indexées en 2023, sans autorité centrale pour l’attribution des liens, il a pourtant adopté précisément la structure en étoile sans échelle prédite par les mathématiques : un petit nombre de sites massivement interconnectés (Google, Wikipédia, les principales plateformes) et une immense traînée de pages faiblement connectées. Personne au CERN, en 1991, n’avait imaginé que le Web prendrait cette forme. La forme est née d’une simple règle locale, les nouvelles connexions favorisent les destinations déjà populaires, se répètent des milliards de fois, la même grammaire sous-jacente qu’un cristal de flocon de neige en croissance ou une ville en expansion, un ordre sans architecte, entièrement construit à partir de flux et de règles locales simples répétées à grande échelle.
L’idée elle-même a évolué jusqu’à cette année.
Ce qui est véritablement frappant, si l’on considère l’évolution de ce mécanisme au fil des décennies depuis Prigogine, ce n’est pas seulement sa réapparition constante. C’est surtout la diffusion du concept qui le décrit dans des domaines qui n’existaient pas encore lorsqu’il l’a nommé. Prigogine a d’ailleurs reçu le prix Nobel de chimie en 1977. En moins de dix ans, les biologistes appliquaient ce même cadre théorique au métabolisme et à l’organisation cellulaire.
Dans les années 1990, les physiciens étudiant les réseaux s’appropriaient directement ce langage, et Barabási lui-même a fait référence au vocabulaire plus large de la science de la complexité pour décrire la croissance sans échelle. Dans les années 2000, des chercheurs en urbanisme du Santa Fe Institute, un institut créé spécifiquement pour étudier les systèmes complexes et auto-organisés de manière interdisciplinaire, l’appliquaient aux données urbaines. En 2022, une équipe de chercheurs dirigée par Jason Wei a publié un article intitulé, avec une simplicité déconcertante, « Capacités émergentes des grands modèles de langage », démontrant que les grands systèmes d’IA acquièrent parfois soudainement de nouvelles capacités, à certains seuils d’échelle, d’une manière que les versions plus petites de la même architecture ne présentent tout simplement pas.
Cette affirmation est elle-même activement contestée : un article de Stanford de 2023, signé par Rylan Schaeffer, Brando Miranda et Sanmi Koyejo, soutient qu’au moins certains de ces bonds apparents pourraient être un artefact lié à la manière dont les chercheurs ont choisi de mesurer les performances, un « mirage » plutôt qu’une véritable transition de phase. Un désaccord scientifique réel et persistant existe quant à savoir si l’exemple le plus frappant et le plus récent de ce phénomène relève d’une véritable émergence ou d’une illusion de mesure. Quoi qu’il en soit, le même mot, le même concept centenaire que Prigogine a formalisé, est aujourd’hui le terme précis employé par les chercheurs pour décrire ce qui se passe au sein de la technologie la plus avancée jamais conçue par l’humanité. Cette idée n’expliquait pas seulement le phénomène des flocons de neige. Il s’est développé en même temps que tout le reste, devenant le concept dont les scientifiques avaient besoin lorsqu’ils ont commencé à construire des systèmes suffisamment complexes pour s’organiser d’une manière que leurs propres concepteurs n’avaient pas entièrement prévue.
Ce que cela signifie réellement, et la question plus pertinente que cela soulève.
Il ne s’agit pas ici de métaphores étirées à travers des domaines sans rapport pour un effet poétique. C’est la même physique mesurable, publiée et récompensée par le prix Nobel, qui se manifeste à des échelles radicalement différentes car la logique sous-jacente se moque de ce qui la constitue.
Clausius et Boltzmann avaient raison : les systèmes isolés dérivent vers le désordre. Prigogine a démontré que l’univers est loin d’être aussi isolé que cette image le supposait, et qu’un flux continu d’énergie à travers un système ouvert non seulement permet l’ordre, mais l’organise activement, des hexagones de Bénard aux branches d’un flocon de neige, en passant par les bras d’une galaxie spirale, la théorie encore controversée de Jeremy England sur l’origine de la vie, les mathématiques urbaines mesurées avec précision par Geoffrey West, le réseau sans échelle de Barabási, jusqu’au débat qui anime actuellement les laboratoires d’IA sur ce que leurs propres systèmes font discrètement à grande échelle. Et cela vaut également pour le lecteur qui garde cette phrase à l’esprit.
Presque aucun atome du corps humain ne reste en place toute une vie. La peau, le sang et la muqueuse intestinale se renouvellent en quelques jours ou quelques mois. Même les tissus plus lents, comme les os, se reconstruisent sur plusieurs années. Les atomes sont constamment échangés, inhalés, ingérés, éliminés, remplacés, dans un flux continu de matière et d’énergie qui ne s’interrompt jamais vraiment pendant les quelque quatre-vingts années que dure une vie humaine.
Ce qui demeure constant, ce n’est pas la matière elle-même, mais le schéma à travers lequel elle circule, la même relation qu’un tourbillon entretient avec l’eau qui le traverse, une galaxie avec le gaz qui y orbite, une ville avec les personnes qui arpentent ses rues aujourd’hui et qui n’étaient pas nées lorsque ses bâtiments les plus anciens ont été construits.
Il ne s’agissait jamais vraiment de flocons de neige, de villes ou de chatbots. Il s’agissait toujours d’une question d’émergence elle-même, et d’une chose bien plus concrète : non pas de quoi est fait un être humain, mais de quel schéma il s’inscrit. Nous n’avons plus besoin de nous demander pourquoi l’ordre survit au chaos. Prigogine y avait déjà répondu en 1977.
La question qui reste ouverte est maintenant de savoir pourquoi la réalité est si étonnamment, si implacablement douée pour inventer de l’ordre, suffisamment douée pour construire des galaxies spirales, suffisamment douée pour construire des villes, suffisamment douée, apparemment, pour continuer à construire le lecteur, atome remplacé à la fois.
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