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Boltzmann - Ostwald – le démon de Maxwell
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Elaine interroge à présent, Yvain, sur le principal détracteur de Boltzmann, Wilhelm Ostwald (1853-1932).
Wilhelm Ostwald est un chimiste allemand renommé, il eut très tôt, contre l'avis de son père, la passion pour la chimie. Il est devenu l'un des chimistes les plus influents du XIXe siècle, et il a reçu le prix Nobel de chimie en 1909. Ses recherches portaient sur les vitesses des réactions chimiques et les effets des catalyseurs sur ces réactions.
Il était également très respecté pour ses travaux en philosophie.
« Notre siècle mourant fait au siècle naissant le legs scientifique le plus fécond en espérances : il lui lègue la théorie énergétique ». Ce sont ses propres mots, en 1895, lors d'un congrès. L’énergétique interpelle les savants français, la même année par un article scientifique titré: « La déroute de l’atomisme contemporain »
Il considérait l’atomisme comme un produit de la mécanique classique qui suppose une nature réversible alors que les phénomènes qu’on observe présentent de l’irréversibilité.
Il affirmait que l’énergie est un concept nécessaire et suffisant pour embrasser l’ensemble de la physique, et que « l’usage du mot matière a cessé de convenir au langage scientifique ».
Ostwald voyait la science remplacer légitimement la religion, et offrir des réponses à des questions philosophiques et éthiques. Il imaginait une science unifiée, naturelle, autour de l'énergie.
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Yvain tient à remonter un peu dans le temps, et nous présenter James Clerk Maxwell ( 1831-1879)
Ludwig Boltzmann s'était appuyé sur les travaux de Maxwell, un physicien et mathématicien écossais, afin de tenter d'expliquer les comportement d'un gaz. Il s'agissait de modéliser, imaginer les mouvements, les échanges d'énergie... L'hypothèse moléculaire avait été avancée, et la difficulté était d'étudier un grand nombre de molécules.
Voir aussi: L'Unité des forces du Monde - Les légendes du Graal
Maxwell est décédé en 1879, alors que Boltzmann était encore en pleine carrière. Il avait exprimé son admiration pour le travail de Boltzmann plus théorique et mathématique. Leurs travaux sont liés; en effet:
Maxwell a introduit la distribution des vitesses des molécules dans un gaz, posant ainsi les bases de la théorie cinétique des gaz. Elle se concentre sur le mouvement des molécules individuelles et relie les propriétés microscopiques (comme l'énergie cinétique moyenne) aux propriétés macroscopiques (comme la température et la pression). Il utilise l'approche statistique comme la "loi des erreurs" qui décrit comment les erreurs ou les variations aléatoires se distribuent autour d'une valeur moyenne.
Boltzmann a étendu cette idée en introduisant des concepts de probabilité, pour mieux comprendre la répartition des énergies des particules: et des concepts d'entropie et de désordre, reliant les comportements microscopiques des molécules aux propriétés thermodynamiques macroscopiques.
Boltzmann a formulé une interprétation statistique de l'entropie. Il a défini l'entropie (S) comme une mesure du désordre ou de la multiplicité des micro-états possibles pour un système donné. Il a introduit la fameuse équation S=k*log(p), où k est la constante de Boltzmann et p est le nombre de micro-états accessibles.
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James Clerk Maxwell, inspiré par Faraday, a unifié l’électricité et le magnétisme en une seule théorie, résumée par quatre équations fondamentales. Il a démontré que la lumière est une onde électromagnétique et a réalisé la première photographie en couleur en 1861.
Les recherches de Maxwell en thermodynamique complètent son travail en électromagnétisme en introduisant une approche statistique et énergétique des phénomènes physiques. Son apport à la physique statistique et son démon de Maxwell ont ouvert des débats encore d’actualité sur la nature de l’entropie et de l’information.
Les lois de la thermodynamique sont perçues avec des aspects déterministes: en effet, chaque changement d'énergie doit respecter : - une loi de conservation, - la tendance générale d'augmentation de l'entropie, et - la règle du zéro absolu qui s'impose....
- N'oublions pas, qu'au temps de Maxwell, le déterminisme thermodynamique n'avait pas pu encore se confronter aux principes de la mécanique quantique, qui introduit des éléments de probabilité et d'incertitude à l'échelle microscopique.
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J.C. Maxwell a défié l'idée de déterminisme, notamment en ce qui concerne la deuxième loi de la thermodynamique, avec une célèbre expérience de pensée ( en 1867) appelée le démon de Maxwell. ( Le démon est une créature hypothétique capable de trier les molécules de gaz pour créer une différence de température sans dépenser d'énergie, semblant ainsi violer cette loi.)
Ce paradoxe remettait en question l’un des piliers du travail de Boltzmann qui affirme que l’entropie d’un système isolé ne peut qu’augmenter. Ce paradoxe, nous interroge, encore aujourd'hui, sur le rôle de la connaissance et de la conscience dans les lois physiques.
Bien-sûr, Léon Brillouin (en 1949), que Lancelot connaît, a montré que le démon devait acquérir de l'information pour fonctionner, et que ce processus augmentait l'entropie du système, préservant ainsi la deuxième loi de la thermodynamique.
Maxwell précise: « le principal objectif de ce démon est de montrer que le second principe de la thermodynamique ne repose que sur une certitude statistique. » En d'autres termes, Maxwell exprime notre incertitude à propos des phénomènes microscopiques.
Aujourd'hui, Maxwell en faisant surgir son démon de sa boîte à molécules, a rejoint l'exploration des instabilités, les singularités, ( chaos...)
De la Science du fin de siècle, à aujourd'hui
Je reviens sur cette période de la '' Vienne fin de siècle '' avec la suggestion d'Yvain de ne pas oublier dans ce phénomène viennois que constituent Hofmannsthal, Loos, Musil, Zweig, Kraus, Freud, Mahler, Schnitzler; ne pas oublier sa facette scientifique...
-Tu veux parler de Wittgenstein ?
- Oui, c'est vrai... répond Yvain; mais je pensais à Ludwig Boltzmann (1844–1906), bien plus vieux que Wittgenstein (1889-1951), Freud ou que Mahler. Boltzmann, après avoir été promu docteur en philosophie en 1866, entre à l'institut de physique de l'Université de Vienne. Boltzmann a aussi étudié le piano avec Bruckner.
En 1890, Boltzmann occupe la chaire de physique théorique à l'Université de Munich. Il développe des théories qui expliquent comment les propriétés macroscopiques des systèmes, comme la température et la pression, peuvent être dérivées des comportements microscopiques des particules. Il jette les bases de la physique statistique moderne.... Nous en avons parlé ici: L'Entropie - Les légendes du Graal et ici: L'Unité des forces du Monde - Les légendes du Graal
Sa formule: S=k*LogW, est au moins aussi importante que les célèbres formules d'Einstein ( E=mc2) ou de Planck ( E=hV)
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Cependant, en 1894, - et en particulier du fait de ses relations tendues avec certains de ses collègues en Allemagne, notamment Ernst Mach et Wilhelm Ostwald, qui étaient sceptiques quant à ses théories atomistiques - Boltzmann s'en est retourné en Autriche pour succéder à son mentor, Joseph Stefan en tant que professeur de physique théorique à l'Université de Vienne.
En cette fin de siècle, la mode est à l'Energétique ( Rankine, Mach, Ostwald, Duhem)
Le chimiste allemand Wilhelm Ostwald à partir des années 1890, défend '' l'énergétisme '': une théorie physique et philosophique qui propose que toute réalité est énergie. Les processus physiques et mentaux sont interprétés comme des échanges d'énergie.
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L'énergétisme cherchait à remplacer la matière comme composant fondamental du monde par l'énergie. Finalement, lors du premier Congrès Solvay en 1911, Jean Perrin a présenté des expériences démontrant l'existence des molécules et des atomes. Le modèle atomique pouvait expliquer de manière cohérente et précise divers phénomènes observés en chimie et en physique. Cette approche expérimentale rigoureuse a convaincu Ostwald.
Lancelot, enchanté par cette discussion, se demande si … Avec Ludwig Boltzmann, James Clerk Maxwell et Albert Einstein, l'atomisme n'a pas progressivement gagné en devenant une pierre angulaire de la physique moderne?
Et c'est dommage! Yvain, regrette qu'aujourd'hui les scientifiques ne soient plus devenus que des super-techniciens, qui se contentent de relever des résultats statistiques. Il aspire, nous dit-il, à n'être qu'un chercheur, c'est à dire avant tout à trouver les bonnes questions.
Son intuition serait que l'atomisme n'explique pas tout. L'atomisme pourrait être comparé à la physique newtonienne, limitée à l'échelle atomique et subatomique, limitée selon les référentiels... Il ne traite pas les systèmes non linéaires et chaotiques, qui sont courants dans la nature, il est insuffisant pour étudier de nombreux phénomènes cosmologiques...
- Dans quels sens pourrait donc aller la physique du futur?
- Sera t-elle encore matérialiste? S'interroge Elaine...
- La matière n'est-elle pas le composant de l'Univers?
- Disons oui. Mais, qu'est-ce qui compose la matière ?
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Certains scientifiques proposent que l'information, plutôt que la matière, pourrait être la composante fondamentale de l'univers. Cette perspective suggère que la réalité physique pourrait être une manifestation de l'information, remettant en question la primauté de la matière...
Lancelot se souvient d'avoir travaillé cette notion, en lisant Léon Brillouin qui établissait une relation logique entre le H de Shannon et le S de Boltzmann (S = – K log p) ... Selon ce point de vue, il est possible d'inscrire l'information telle que définie par Shannon dans la physique. ( 1950-51 - La Cybernétique 2 - Les légendes du Graal )
Aujourd'hui, l'atomisme doit se mesurer à plusieurs autres théories et concepts modernes qui remettent en question ou complètent notre compréhension de la matière. Je pense à:
La théorie des cordes : Cette théorie propose que les particules fondamentales ne sont pas des points, mais des objets unidimensionnels appelés cordes. Les vibrations de ces cordes déterminent les propriétés des particules. La théorie des cordes cherche à unifier la gravité avec les autres forces fondamentales de la nature.
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Théorie quantique des champs : Cette théorie combine la mécanique quantique et la relativité restreinte pour décrire les interactions entre les particules subatomiques. Par exemple, un photon est une excitation du champ électromagnétique. Lorsque ce champ est excité à un certain point, il crée une onde qui se propage et que nous percevons comme une particule de lumière. Toutes les particules élémentaires (électrons, quarks, photons, etc.) seraient des manifestations de champs quantiques sous-jacents. ''Sous-jacents'', parce que '' sans l'eau, les vagues n'existeraient pas. '' ( analogie).
Théorie des boucles quantiques de gravité : Cette théorie cherche à unifier la mécanique quantique et la relativité générale en proposant que l'espace-temps lui-même est quantifié. Elle suggère que l'espace-temps est composé de boucles discrètes, remettant en question cette fameuse notion de '' continuité ''. Carlo Rovelli et Lee Smolin introduisent le concept de réseau de spin pour décrire la structure discrète de l'espace-temps
L'Entropie
Les unités de l'Armée française en Algérie ont basculées du côté des '' Alliés ''. L'amiral Darlan aurait ordonné aux soldats, marins et aviateurs de se joindre aux Anglo-Saxons afin d’être fidèles à la vraie pensée du maréchal Pétain dont il serait, lui Darlan, le véritable interprète.
Une manifestation doriotiste aux Champs-Élysées n'a pas de succès ; ils crient '' Guerre aux anglais '' et ne sont pas suivis.
En réaction, les Allemands ont donc franchi la ligne de démarcation et envahi la zone libre ; le gouvernement de Vichy est sous-contrôle de l'occupant. Pétain ne devrait-il pas partir pour Alger ?
La Gestapo s'est aussi installée à Vichy, et prépare des arrestations. Le 12 novembre, des SS s'emparent de Weygand.
Le nazisme est à l’œuvre !
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Nous sommes face à un nouveau facteur de désorganisation. Dans un système fermé, nous parlons aujourd'hui d'Entropie... Peut-on parler, comme J. Schumpeter de '' destruction créatrice''... ? Il n'y a plus le choix, il faut s'adapter. Du côté de la vie, nous parlons de '' néguentropie '' pour s'organiser, s'adapter, fonctionner...
Pour l'instant, je reviens à la physique.... Le terme entropie a été forgé en 1865 par le physicien allemand Clausius, qui introduit cette grandeur afin de caractériser mathématiquement l'irréversibilité de processus physiques tels qu'une transformation de travail en chaleur.
Arrêtons-nous sur cette notion de '' l'Entropie ''.
Rappelez-vous, notre rencontre avec Russell, à ce propos : Bertrand Russell et l'Entropie - Les légendes du Graal (over-blog.net)
A l'origine, l'entropie exprime une dissipation de l'énergie en chaleur... C'est ce qui rend le temps irréversible, la vieillesse, la mort... Alors, constatons que la vie, c'est ce qui résiste à l'entropie...
L'énergie se conserve, se transforme et une partie fuit ( chaleur ). L'énergie est de moins en moins ''disponible''. Mais, l'entropie n'est pas l'énergie ( Joule) .
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L'énergie s'exprime lors de ses formes utiles ou libres ( qui développent un travail) , et les formes inutiles ( chaleur).
L'Entropie S= Q / Température. Où, Q est la quantité de chaleur ( Energie inutile) en Joule reçue par un système thermodynamique et T sa température thermodynamique en Kelvin.
Si on brûle un combustible, on passe de l'énergie chimique à de l'énergie thermique, et on peut s'en servir pour faire de l'énergie mécanique... Pas entièrement, un moteur thermique doit être refroidi... Par exemple, dans un moteur à quatre temps : la chaleur engendrée doit être expulsée vers le monde extérieur, pour que le cycle reprenne. Un moteur thermique n'est pas un système isolé ; il arrive à fonctionner parce qu'il redonne à l'extérieur son augmentation d'entropie.
L'entropie serait nulle au zéro absolu. Les mouvements des particules d'un gaz s'arrêteraient.
Le zéro absolu est la température la plus basse possible, impossible à dépasser. Il correspond à la limite basse de l'échelle de température thermodynamique, soit l'état dans lequel l'entropie d'un gaz parfait atteint sa valeur minimale, notée : 0 °Kelvin ou -273,15 °Celsius. .
On dit aussi, qu'une diminution locale de l'entropie serait une création d'ordre, et un gain d'ordre d'un côté doit se payer par un désordre plus grand de l'autre...
Que signifie réellement cette notion d'ordre ? Comment lui donner un sens ?
L'ordre serait ici l'interaction entre atomes ; le désordre, le déplacement libre des atomes. Un système de basse entropie est plus ordonné qu'un système ayant une entropie élevée.
La croissance de l’entropie est une croissance de la complexité à l’œuvre au sein d’un système fermé. C’est le cas de l’Univers. Au sein du système, elle permet , ici et là, à l’ordre et à l’organisation de voir le jour, la vie par exemple est grande fabricante d’entropie.
Il y a un problème : plus d'ordre local, signifie plus d'entropie globale … ! Le système s'ordonne et libère de l'entropie. C'est donc que le système est ouvert ; il est alors parfaitement possible de faire diminuer son entropie.
Par exemple si on comprime un gaz à température constante, son entropie diminue (les molécules seront plus "tassées" et donc le désordre va diminuer), mais pour cela, il faut fournir de l'énergie en appuyant sur le piston. Un autre exemple : je mets un morceau de sucre dans un verre d'eau chaude (isolé). Initialement l'entropie est faible : le sucre est concentré dans le morceau solide (une seule configuration) et l'eau à part, puis le sucre se dissout et diffuse dans l'eau et évolue vers un état où les molécules de sucre peuvent se répartir suivant un très grand nombre de configurations aléatoires avec une concentration homogène dans tout le volume : le système évolue vers un état d'entropie maximale.
A l'inverse, si le système est ouvert, je peux agir dessus en évaporant l'eau pour re-cristalliser le sucre et reformer le morceau, puis remettre de l'eau : je suis revenu à un état d'entropie plus faible, mais il a fallu fournir un travail pour cela.
A chaque fois que l'on fait fonctionner un moteur thermique, on fait augmenter l'entropie de l'univers. L'énergie thermique ne peut pas se retransformer en énergie utile.
Les pensées de Lancelot, le conduisent sur une réflexion sur nos sociétés. Comme des systèmes physiques composés d'humains ; ne pourraient-elles pas obéir à la thermodynamique ? Elles transforment de la matière, créent de l'énergie utile comme la nourriture, le transport ; et bien-sûr s'ordonnent politiquement, économiquement. Cette complexification et cet ordonnancement diminuent l'entropie, et elles l'évacuent. La terre serait un moteur thermique, la source chaude ( le soleil, et même le noyau terrestre), la source froide, peut-être la nuit. Le système physique Terre comprend le vivant, tout autant que l'atmosphère, les océans...
La Terre se doit d'évacuer ses déchets vers une '' source froide '', pour ne pas accumuler et augmenter le désordre, et à moins de devoir vivre dans un flux de chaleur... les lois de la thermodynamique sont implacables : on ne peut pas lutter contre...
Clausius considérait l'Univers comme fermé et isolé. Aujourd'hui, grâce à Edwin Hubble ( 1889-1953) et depuis les années-vingt nous savons que l'Univers est en expansion. Et, cette expansion s'accélère. L'Univers est donc hors équilibre: il s'auto-organise ; peut-être comme des cycles de Carnot autour d'un point critique, de l'eau par exemple.
Théoriquement, dans un univers qui tend vers l'équilibre, la vie n'aurait pas dû advenir. Mais, l'Univers étant un système ouvert, la vie existe pour dissiper de l'énergie !
Nous augmentons l'ordre ( l'intelligence artificielle pourrait en être le meilleur !), par la biologie, la sociologie...etc
Évidemment, il faut se méfier d'un tel réductionnisme, qui aurait tendance à séduire par la théorie du ''Grand Tout''
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L'autrichien Ludwig Eduard Boltzmann, physicien, est né le 20 février 1844, et s'est suicidé en septembre 1906. Son nom est attaché au concept d'Entropie.
Boltzmann est un contemporain de Georg Cantor, ce dernier a jeté le domaine des mathématiques dans l’incertitude par sa définition de l’infini et l’hypothèse du continuum.
Boltzmann a obtenu son doctorat pour sa thèse sur la théorie cinétique des gaz. L’idée que le mouvement des petites particules – atomes et molécules – définit les propriétés de la matière est très controversée à l’époque. L’un des principaux obstacles à son acceptation était le fait que les molécules et les atomes n’étaient pas visibles, de sorte que les preuves ne pouvaient être déduites.
A 25 ans, Boltzmann était déjà professeur titulaire de physique mathématique à l’Université de Graz. Boltzmann a développé son interprétation statistique de la deuxième loi de la thermodynamique dans son célèbre article de 1877 sur la deuxième loi et le calcul des probabilités.
C’est dans cet article que la célèbre relation de Boltzmann, S = k log W, est apparue pour la première fois. Cette équation relie l’entropie S, au logarithme du nombre de micro-états thermodynamiques possibles de la matière. W.
L’idée de Boltzmann que la matière, et toutes les choses complexes – l’eau, le feu, la vie – étaient soumises à l’entropie et à la probabilité, a déclenché un immense bouleversement dans le monde de la physique, mais non sans une grande résistance entre collègues, y compris Ernst Ostwald et Ernst Mach ( « Atomes? En avez-vous déjà vu un? » ) , deux de ses plus grands adversaires.
L’entropie est irréversible, elle augmente presque toujours, rendant la désintégration inévitable et imparable. Ou, en bref, le désordre est toujours plus élevé dans le futur, vers lequel nous nous dirigeons en spirale.
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Pour lui, science et philosophie, s'imbriquent dans la recherche de la vérité. Ostwald fondait, lui, sa recherche en science physique sur l'énergie. En 1895, il affirmait : « L’irréversibilité réelle des phénomènes naturels prouve ainsi l’existence de processus qui ne peuvent pas être décrits par des équations mécaniques, et avec cela, le verdict sur le matérialisme scientifique est réglé. ». Boltzmann se battait comme un taureau, contre un adversaire qui paraissait plus souple. Arnold Sommerfeld, qui assistait à la confrontation a considéré le taureau comme victorieux : « Les arguments de Boltzmann ont porté le coup. Nous, les jeunes mathématiciens de l’époque, nous sommes tous du côté de Boltzmann... ».
En 1909, Ostwald a fini par accepter qu’il s’était trompé.
Boltzmann était sujet à des périodes de dépression sévère ; et il était très affecté par la non-reconnaissance de ses idées. Sa pierre tombale arbore sa célèbre formule de l'entropie.
