De tous les progrès scientifiques, l'évolution a été la plus difficile pour l'ego humain. La théorie révolutionnaire de Charles Darwin, exposée dans son livre novateur de 1859, L'origine des espèces, menaçait de renverser la position exaltée de l'humanité dans l'univers. Pourtant, à la même époque, une révolution scientifique plus calme - et apparemment sans rapport - se produisait.
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Le concept d' entropie en physique a commencé assez inoffensivement, pour expliquer pourquoi les machines à vapeur ne pourraient jamais être parfaitement efficaces. Mais en fin de compte, l'entropie menaçait également une hiérarchie établie. Et en fait, l'entropie et l'évolution étaient plus que simplement liées.
Le physicien autrichien Ludwig Boltzmann, qui était également l'un des plus grands promoteurs de Darwin dans le monde de la physique, s'est fait le champion de l'Entropie. En 1886, quatre ans après la mort de Darwin, Boltzmann donna une conférence populaire sur l'entropie dans laquelle il déclara: «Si vous me demandez quelle est ma conviction la plus profonde, si notre siècle s'appellera le siècle du fer ou le siècle de la vapeur ou de l'électricité, je réponds. sans hésiter: on l'appellera le siècle de la vision mécanique de la nature, le siècle de Darwin. ”
Pourtant, Boltzmann était bien plus qu'une pom-pom girl de Darwin. Il comprenait la théorie de l'évolution plus profondément que la plupart à cette époque et reconnaissait toutes les implications de ses idées fondamentales. Plus précisément, il a compris comment l’évolution et la physique de la chaleur reposaient à la fois sur la compréhension de l’histoire et sur l’accumulation de petits changements au fil du temps. Au 19ème siècle, ces idées étaient si révolutionnaires qu’elles étaient considérées comme hérétiques.
En plus de leurs magnifiques barbes, Darwin et Boltzmann n’avaient pas beaucoup en commun en tant que personnes. Bien que leur vie professionnelle se chevauche depuis de nombreuses années, les deux hommes ne se sont jamais rencontrés. Darwin avait plus d'une génération de plus et était devenu un gentilhomme débarqué d'une famille célèbre; la maladie l'a gardé à la maison une grande partie de sa vie ultérieure. Boltzmann a enseigné dans des universités et a enseigné à de nombreux futurs pionniers de la physique du XXe siècle. Il a inventé des gadgets, écrit de la poésie et a beaucoup voyagé. Il a par la suite lutté contre des épisodes dépressifs qu'il a décrits par écrit et s'est suicidé en 1906.
En apparence, leurs théories semblaient aussi très éloignées les unes des autres. Mais regardez plus profondément, et ils sont inextricablement liés.
Tant l'évolution que l'entropie ont bouleversé l'opinion de beaucoup de gens sur l'ordre «naturel». Darwin a dit que les humains descendaient d'autres animaux; que nous faisons partie du même arbre généalogique que tous les êtres vivants, soumis à un processus universel appelé sélection naturelle. Boltzmann a déclaré que les lois ordonnées de la physique conduisent au désordre et nous obligent à utiliser le langage des statistiques et des probabilités pour comprendre. Les deux idées ont interféré avec les points de vue du 19ème siècle sur le progrès et l'amélioration perpétuelle, mais les théories étaient aussi étroitement liées d'une manière que Boltzmann était peut-être le premier à reconnaître.
Les pinsons des îles Galapagos ont fourni un exemple clé pour la théorie de l'évolution de Darwin de la sélection naturelle. (MarcPo / iStock) L'entropie a été découverte par des ingénieurs travaillant sur des moteurs à vapeur. Ils se sont rendus compte que peu importe l’efficacité de leurs machines, il restait toujours de l’énergie perdue au cours du processus. L'énergie n'a pas été détruite (c'est impossible); ce n'était tout simplement pas disponible pour être utilisé. Rudolf Clausius a nommé la quantité définie par cette perte d'énergie "entropie", du mot grec pour la transformation et le fait que cela ressemble à de "l'énergie".
Les physiciens ont enchâssé l'objectif de l'entropie dans la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule: Dans tout processus coupé des influences extérieures, l'entropie augmente ou reste constante. C'est une façon de dire, dans un sens cosmique, qu'il n'y a pas d'argent gratuit. Chaque transaction coûte quelque chose. Mais le définir de cette façon ne dit pas vraiment ce qu'est l'entropie - et Boltzmann voulait en savoir plus.
Au XIXe siècle, les scientifiques ont unifié différents aspects du savoir humain: relier l'électricité au magnétisme, utiliser de nouvelles méthodes physiques pour identifier les éléments chimiques, etc. Boltzmann a voulu utiliser les lois du mouvement de Newton, qui régissent le comportement des objets macroscopiques, pour comprendre le comportement des gaz.
Son précédent était "la théorie cinétique", un modèle proposé par James Clerk Maxwell (dont la plus grande revendication est la théorie unifiant l'électricité et le magnétisme, montrant que la lumière est une onde électromagnétique) et ses collègues. La théorie cinétique connectait les vitesses de particules de gaz microscopiques à des quantités mesurables telles que la température. Selon les lois de Newton, les collisions individuelles entre ces particules devraient avoir le même aspect si vous inversez la direction du temps. Cependant, l'entropie doit toujours augmenter ou rester la même, elle est irréversible.
L'irréversibilité fait partie de la vie. Casser un verre et renverser de l'eau sur le sol est irréversible. Les fragments de verre et les molécules d'eau ne se reformeront pas spontanément. La pâte à gâteau ne démantelera pas, le parfum répandu dans une pièce ne refluerait pas dans la bouteille. Boltzmann a voulu expliquer ces événements irréversibles réalistes en utilisant la physique microscopique. Il l'a fait en montrant comment un nombre considérable de particules de gaz pouvait toujours produire des résultats irréversibles.
Pensez à une boîte scellée avec une cloison mobile la divisant en deux. Dans notre expérience, nous remplissons la moitié de la boîte avec une sorte de gaz, puis ouvrons légèrement la cloison. Une partie du gaz passera par l'ouverture de la cloison, de sorte qu'après un certain temps, il y aura à peu près la même quantité de gaz des deux côtés de la boîte.
Si nous commençions avec la moitié de l'essence des deux côtés de la boîte et ouvrions ensuite la partition, nous ne pourrions certainement pas finir avec tout cela d'un côté de la boîte, pas même si nous avions attendu très longtemps. Même si chaque collision entre particules ou entre particules et les parois du conteneur est réversible, le résultat ne l’est pas.
Bien sûr, il est possible que toutes les particules de gaz s'écoulent spontanément d'un côté à l'autre du récipient. Mais comme l'a souligné Boltzmann, il est si peu probable que nous n'ayons pas à nous en préoccuper. De même, l'entropie peut spontanément diminuer, mais elle ne le fait presque jamais. Il est beaucoup plus probable que cela augmente ou, une fois que les particules de gaz sont uniformément réparties entre les côtés du conteneur, restez identiques.
Il en résulte une directionnalité et une irréversibilité, même si le comportement microscopique est complètement réversible. Boltzmann y voyait des liens entre entropie et évolution.
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En biologie, les petits changements d’une génération à l’autre sont, à notre sens, sans direction et aléatoires. Mais la théorie de la sélection naturelle de Darwin a montré comment elles pourraient éventuellement conduire à un changement irréversible, en fournissant une explication sous-jacente de la façon dont les nouvelles espèces naissent des espèces existantes. Darwin a qualifié ce phénomène de "descendance avec modification" et a introduit l'idée de la sélection naturelle pour le faire fonctionner.
Boltzmann a reconnu qu'il s'agissait d'un moyen profond de comprendre la prolifération de la vie sur Terre, tout comme son explication de l'entropie fournissait une compréhension profonde des processus irréversibles de la physique. Mais au-delà de l'irréversibilité, il a également reconnu que la vie impliquait une compétition pour l'énergie disponible - ou, pour le dire d'une manière équivalente, une bataille pour minimiser l'entropie.
Les êtres vivants sont un ensemble de traits. Certains de ces traits sont adaptatifs, ce qui signifie qu'ils aident un organisme à survivre: lui permettre de trouver de la nourriture ou d'éviter de devenir nourriture pour autre chose. D'autres traits sont désavantageux, et certains sont neutres, n'étant ni utiles ni nuisibles. La sélection naturelle est la manière dont l'évolution identifie les traits adaptatifs des traits défavorables.
(Boltzmann a même utilisé la théorie de Darwin pour affirmer que notre habileté à créer des conceptions du fonctionnement du monde permettait à l'humanité de survivre et de réussir. Cela signifiait que l'esprit humain - objet de nombreuses spéculations philosophiques - était un trait adaptatif, selon les principes darwiniens. .)
La sélection naturelle est une vision sévère de la vie. Mais les êtres vivants ont besoin de nourriture - des produits chimiques contenus dans l'air, le sol ou en mangeant d'autres organismes - et cela implique une concurrence. Les organismes qui survivent transmettent leurs traits d'adaptation à leur progéniture, tandis que les traits nuisibles disparaissent. Si suffisamment de ces traits se développent au fil des générations, de nouvelles espèces peuvent naître. Une de ces espèces était la nôtre: les humains sont nés des processus de sélection naturelle et d’adaptation, comme toute autre vie.
Boltzmann a utilisé les deux théories pour affirmer que la lutte de la vie ne porte pas sur l'énergie. La Terre tire beaucoup d’énergie du Soleil, bien plus que ce que la vie utilise réellement sous la forme de la photosynthèse (et d’autres organismes qui mangent des plantes et d’autres photosynthétiseurs). Au lieu de cela, la vie est un combat pour minimiser l'entropie en capturant autant d'énergie que possible.
La vision de Boltzmann connectait la théorie de Darwin à la physique fondamentale, une prouesse intellectuelle étonnante. Il a montré comment l'évolution et l'entropie ont une influence au-delà de leurs domaines d'origine. Nous disposons aujourd'hui d'algorithmes évolutifs et d'entropie dans la théorie de l'information, et l'évolution est basée sur les critères que la NASA utilise dans sa recherche de la vie sur d'autres mondes.
Les deux révolutions jumelles de Darwin et de Boltzmann se poursuivent. Peut-être que vous pourriez même dire qu'ils ont co-évolué.
