L’énergie est la magnitude la plus fondamentale en physique. La théorie de l’Univers la plus précise à ce jour, le Modèle Standard, décrit tout ce qui existe comme de l’énergie stockée dans des perturbations de champs quantiques, de l’énergie qui est constamment échangée à travers l’interaction perpétuelle entre eux. En unités naturelles, utilisées en physique théorique, toutes les autres magnitudes (masse, quantité de mouvement, potentiel, action, etc.) sont mesurées en unités d’énergie, car ce ne sont que des formes différentes dans lesquelles elle peut être stockée. De plus, nous rencontrons tous le concept d’énergie dans notre vie quotidienne et avons une compréhension plus ou moins intuitive de ce que c’est : l’énergie est ce dont chaque dispositif autour de nous a besoin pour fonctionner, l’obtenant à partir du courant électrique ou de la combustion de carburant ; et évidemment, une horloge consomme moins d’énergie qu’un ordinateur, qui lui-même consomme moins d’énergie qu’un avion, car il « fait moins de choses ». Et malgré tout cela (ou peut-être précisément à cause de cela), l’énergie est sans aucun doute le concept physique qui échappe le plus tenacement à une définition concrète et rigoureuse, et les avancées dans les sciences physiques ont constamment révélé de nouveaux aspects et nuances en ce qui concerne l’énergie. Sa racine étymologique est le mot grec ενέργεια, inventé par Aristote pour se référer à la réalisation d’une potentialité (bien qu’il soit difficile de déterminer le sens exact donné à ce mot même dans le corpus aristotélicien) ; mais la magnitude physique connue aujourd’hui sous le nom d’énergie n’apparaît pour la première fois qu’au XVIIIe siècle, lorsque l’étude de la mécanique newtonienne a conduit au concept de vis viva, connue aujourd’hui sous le nom d’énergie cinétique (l’énergie qu’un corps a du fait de son mouvement). Ce n’est qu’au XIXe siècle, lorsque les nouvelles disciplines de la thermodynamique et de la mécanique théorique ont développé la compréhension moderne de l’énergie, reconnaissant pour la première fois que la chaleur, l’énergie cinétique et l’énergie potentielle ne sont que des formes différentes de cette même quantité en constante transformation ; et en même temps, la nature insaisissable de l’énergie a commencé à se manifester.
La thermodynamique est la branche de la physique qui s’intéresse à l’étude de l’échange d’énergie et de ses effets sur la matière. Mais elle possède un caractère particulier : alors que la plupart des autres branches ont été développées à partir d’un intérêt purement académique et formel pour la nature (souvent par des membres de la noblesse cherchant un loisir intellectuel), la thermodynamique est née en tant que discipline pratique et industrielle : c’est à la fin du XVIIIe siècle et au début du XIXe siècle, dans le contexte de la révolution industrielle, que des ingénieurs tels que James Watt ou Sadi Carnot ont développé pour la première fois la théorie de l’échange et de la transformation de l’énergie dans leur étude et leur conception de machines à vapeur plus efficaces ; une théorie qui, au cours des décennies suivantes, serait largement développée et intégrée dans la physique par des figures telles que Joule, Kelvin et Clausius. La thermodynamique est la première branche de la physique à avoir tenté de décrire non pas le divin (les corps célestes dans l’espace), mais l’humain (les machines et le travail). Il n’est donc pas surprenant que les catégories nées avec la thermodynamique aient une nature remarquablement humaine, comme le travail mécanique et la puissance en tant que mesure physique du travail (dans le sens habituel du mot) fourni par une machine, ou la distinction entre l’énergie libre et liée en tant qu’énergie utile ou non utile aux personnes. En fait, la thermodynamique est même incapable de définir le concept d’énergie lui-même au-delà de la notion intuitive de « ce dont les systèmes ont besoin pour faire des choses » mentionnée précédemment. Dans une certaine mesure, tout le monde né dans une société industrielle en sait autant sur l’énergie qu’un physicien (voire même plus).
Pour exprimer cette idée avec de mots plus élégants, nous pouvons dire que l’énergie est la capacité de produire du changement, car pour qu’un système évolue et ne reste pas dans un état stationnaire, l’énergie doit être échangée, que ce soit entre ses différentes parties ou avec l’extérieur (ce qui illustre la relation étroite entre l’énergie et le temps, confirmée par la relation de conjugaison mathématique qu’ils satisfont en mécanique). Ainsi, comme elle traite de l’échange d’énergie, la thermodynamique peut être comprise comme l’étude du passage du temps. Les lois de la thermodynamique, essentiellement, ne sont rien d’autre que des restrictions aux types de changements et de transformations qui peuvent se produire dans l’Univers. Deux de ces restrictions, les lois fondamentales de la thermodynamique, se distinguent du reste. La première d’entre elles est le principe de conservation de la matière et de l’énergie : la matière et l’énergie ne peuvent pas être créées ni détruites, mais seulement échangées et transformées (il est intéressant de noter que l’équivalence célèbre d’Einstein entre la matière et l’énergie n’a aucune importance à l’échelle humaine, même lorsqu’il s’agit de réactions nucléaires, c’est juste une question technique). Cette loi a été scientifiquement prouvée, car jusqu’à présent, nous n’avons pas encore trouvé de système où elle ne s’applique pas ; mais elle est aussi presque métaphysiquement évidente : si l’on pouvait créer de l’énergie à partir de rien, chaque changement possible pourrait être réalisé dans un laps de temps et d’espace fini, ce qui entraînerait des conséquences terribles. De plus, la deuxième loi stipule que dans un système fermé (isolé de l’extérieur), l’entropie augmente toujours avec le temps. Cela nous amène à considérer le concept d’entropie, l’autre grande magnitude insaisissable en thermodynamique.
La définition et la véritable nature de l’entropie ont été et sont encore débattues, de la même manière que pour l’énergie. Au cours du siècle et demi dernier, de nombreuses définitions pour l’entropie ont été proposées et elle a été identifiée à toutes sortes de phénomènes : elle peut être définie en termes de chaleur, de combinatoire, d’incertitude ou même d’information. Cependant, la notion intuitive sous-jacente à toutes ces définitions (et cette notion intuitive est, encore une fois, la plus élevée à laquelle nous puissions aspirer) est une mesure de la « désorganisation » ou de l' »inutilité » d’un système d’énergie et de matière. Par exemple, supposons que nous avons un glaçon et un verre d’eau chaude séparément, et que nous mettons le glaçon dans le verre. La chaleur de l’eau va faire fondre le glaçon et le froid du glaçon va refroidir l’eau, jusqu’à ce qu’il ne reste plus qu’un verre d’eau tiède. La quantité d’énergie et de matière est la même dans les deux situations (le verre d’eau chaude et le glaçon séparément au début, et le verre d’eau tiède à la fin), car l’eau qui est maintenant dans le verre est celle qui y était auparavant plus le glaçon fondu, et l’énergie sous forme de chaleur stockée dans le verre d’eau a été transférée à la glace pour la faire fondre et augmenter sa température. La différence réside dans l’entropie plus élevée dans le sens calorique qu’il y a dans la deuxième situation (la deuxième loi de la thermodynamique, en termes de chaleur, énonce simplement que la chaleur s’écoule des corps chauds vers les corps froids). La première situation était en quelque sorte plus ordonnée, avec deux parties différenciées ayant des propriétés différentes, que la deuxième, où tout est mélangé. Et elle était sans aucun doute plus utile : nous aurions pu utiliser le glaçon pour garder une boisson gazeuse fraîche, et l’eau chaude pour faire du thé ; mais en mettant le glaçon dans l’eau chaude, nous nous sommes retrouvés avec un verre d’eau tiède qui n’est utile ni pour l’un ni pour l’autre, et tout ce que nous pouvons en faire est de le jeter dans l’évier (l’eau tiède n’est même pas agréable à boire). Si nous voulons récupérer la situation initiale, nous devons refroidir une partie de l’eau et en chauffer une autre, en utilisant l’énergie d’un congélateur et d’un four à micro-ondes. Ainsi, si nous incluons maintenant, dans le système physique que nous considérons, ces appareils ainsi que leurs sources d’énergie, de manière à le maintenir en tant que système fermé, nous constaterons que, dans le processus de récupération du glaçon et du verre d’eau chaude, l’entropie totale aura augmenté.
Le fait que je puisse obtenir de l’eau tiède spontanément à partir de glace et d’eau chaude sans utiliser d’énergie externe, mais pas l’inverse, que ma table se désorganise une semaine après l’avoir rangée et non l’inverse, ou que plus un signal voyage loin, plus il devient bruyant, tout cela découle d’une manière ou d’une autre de la deuxième loi de la thermodynamique. L’ordre et l’utilité d’un système fermé diminuent toujours. Identifier l’entropie élevée avec cette notion de désordre et d’inutilité peut sembler une lecture peu rigoureuse et anthropocentrique de la thermodynamique. Ce que nous considérons comme utile et ordonné, un extraterrestre pourrait le considérer comme absurde et inutile. Cependant, comme nous l’avons déjà mentionné, la thermodynamique elle-même est anthropocentrique depuis sa naissance, tout comme les termes qu’elle implique. De plus (et c’est ce qui la rend vraiment intéressante), cette prétendue « absence de rigueur » n’a pas empêché la thermodynamique d’obtenir des résultats remarquables qui ont résisté à l’épreuve du temps. L’abstraction doit servir la connaissance humaine et non l’inverse. Si la thermodynamique peut fournir une connaissance appropriée (en termes de prédictions empiriques falsifiables), elle accomplit tout ce qu’une science peut espérer. Et le fait est que, selon ce que nous avons observé, cette étrange notion d’inutilité et de désordre que nous appelons entropie est constamment en augmentation. Peut-être existe-t-il vraiment une notion d’utilité naturelle et universelle, ou peut-être que les lois naturelles sont là pour nous nuire et se consacrent à faire évoluer l’Univers de la manière la plus inconfortable pour nous ; mais la deuxième loi de la thermodynamique reste néanmoins, malgré son anthropocentrisme inhérent, une loi naturelle.
Avec cette adaptation de la thermodynamique aux affaires humaines en tête, pourquoi ne pas analyser le processus économique en termes thermodynamiques ? Après tout, la production consiste à transformer des matières premières en biens et services appréciables par les êtres humains ; ainsi, tout comme tout autre processus de transformation, elle doit être soumise aux lois de la thermodynamique. La première loi, la conservation de l’énergie et de la matière, implique que l’entrée d’énergie et de matière du processus de production est nécessairement égale à sa sortie. De cette manière, la production ne peut être une génération spontanée mais une transformation sensu stricto. La différence entre l’entrée et la sortie est donc qualitative plutôt que quantitative : les ressources naturelles sont transformées en produits qui, une fois consommés, ne laissent derrière eux que des déchets. Et c’est dans cette distinction entre ressources, produits et déchets, si liée à leur utilité, que l’entropie et la seconde loi de la thermodynamique entrent en jeu.
Prenons, comme exemple typique, la production d’un appareil technologique moderne comme un téléphone portable. Des minéraux provenant de tous les continents parcourent des milliers de kilomètres à travers le monde, subissant des transformations d’une précision infinie (la complexité nanométrique des circuits intégrés actuels est sans commune mesure, même dans le domaine naturel) jusqu’à prendre leur forme finale de téléphone. Sans aucun doute, ce téléphone portable est une structure incroyablement ordonnée et utile, encore plus que les minéraux dont il est fait. Il peut sembler que nous ayons évité la deuxième loi de la thermodynamique, mais arrêtons-nous un instant et réfléchissons : comment cette transformation s’est-elle produite ? Elle n’a pas du tout été spontanée, car d’énormes quantités d’énergie ont été dépensées pour extraire, transporter, classifier, souder et assembler les minéraux jusqu’à ce qu’ils prennent la forme du téléphone, et dans ces échanges d’énergie innombrables, une quantité considérable s’est dissipée sous forme de chaleur. De plus, dans tous ces processus, une partie de la matière s’est également dissipée : les outils ont usé certains éléments, la terre de la mine a été remuée et la poussière des minéraux s’est dispersée dans l’atmosphère. Même en considérant que nous avons accès à des sources d’énergie inépuisables comme la force du vent ou la lumière du soleil, il est impossible de profiter de cette énergie sans une transformation intermédiaire, médiée par une forme de matière comme le silicium des panneaux solaires ou les pales d’une éolienne ; de la matière qui se dégradera et se dissipera également dans le processus d’obtention de l’énergie. Ainsi, nous constatons que dans tous les cas, l’entropie totale a augmenté et cette dissipation d’énergie et de matière sera nécessairement irréversible. Mais nous devons encore analyser le sort de la plus grande partie de la matière impliquée dans le processus, c’est-à-dire celle qui forme actuellement le téléphone, le produit final. Quelqu’un l’achètera et l’utilisera pendant quelques années. Cependant, même sans tenir compte de l’obsolescence, tous les appareils finissent par cesser de fonctionner. Une petite détérioration dans le silicium d’une puce (inévitable précisément à cause de la seconde loi de la thermodynamique) suffit à empêcher les électrons de sauter comme ils le devraient ; et ce qui était il y a un instant un produit merveilleux de l’ingéniosité humaine et du progrès technologique n’est maintenant rien de plus qu’un déchet inutile. Les matériaux qui composent le téléphone, quand ils étaient encore des minéraux, étaient dans une forme relativement pure et ordonnée. Cependant, ils sont maintenant dans un mélange horrible qui, dès que la plus petite des imperfections l’empêche d’être utilisable, les rend complètement inutiles. Les recycler nécessitera plus d’énergie que sa production à partir de ressources naturelles n’en a pris, et entraînera ainsi une plus grande dissipation de matière et d’énergie. Donc, la faible entropie consommée dans le processus de production est irrécupérable : la seconde loi de la thermodynamique est inévitable.
Au XXIe siècle, nous sommes confrontés à une crise sans précédent. Pour la première fois en 12 000 ans de production organisée, l’épuisement au niveau mondial des ressources naturelles nécessaires pour maintenir notre activité économique actuelle semble non seulement possible, mais presque inévitable dans la durée d’une vie. L’origine de cette crise, après tout ce qui vient d’être expliqué, est facile à élucider : au cours des 200 dernières années, l’accélération jamais vue auparavant dans la production a entraîné une accélération correspondante dans la consommation de la faible entropie fournie par les ressources naturelles. Et la grande augmentation de l’entropie qui s’est accumulée autour de nous, sous forme de déchets, est déjà une réalité tangible. Presque tout le combustible fossile de la Terre a déjà été brûlé en CO2 dispersé dans l’atmosphère ou converti en microplastiques remplissant l’océan, et des milliers de kilos de métaux précieux sont dispersés chaque jour dans des décharges partout dans le monde. Cette génération d’entropie inflige également des dommages incurables à l’écosystème de la Terre (elle altère l’ordre normal de la planète, c’est-à-dire qu’elle la désorganise, en augmentant son entropie), et ses conséquences sociales et politiques sont de plus en plus évidentes chaque jour : les conflits armés pour la possession de ressources naturelles clés se multiplient et le changement climatique déclenche une quantité croissante de catastrophes naturelles. L’Europe tente de mener des travaux pionniers contre cette crise multifacette, avec des plans tels que le Green Deal qui prétendent « détacher la croissance économique de la consommation de ressources » et promouvoir une « transition vers des sources d’énergie propre ». Cependant, il doit maintenant être évident pourquoi ces objectifs sont inatteignables : l’activité économique nécessite la consommation d’entropie faible, et l’entropie ne fait qu’augmenter. Chaque source d’énergie contribue à l’augmentation de l’entropie, que ce soit par la combustion de combustible ou par la détérioration du silicium dans un panneau solaire. Le recyclage des déchets produit nécessairement plus d’entropie qu’il n’en récupère. L’entropie ne peut pas être recyclée, car la deuxième loi de la thermodynamique l’interdit, et aucune nouvelle technologie ne changera cela (se reposer sur la technologie pour lutter contre la rareté de l’entropie faible serait tant irréalisable que faire dépendre notre survie en tant qu’espèce de l’invention d’un vaisseau spatial plus rapide que la lumière). Le recyclage et la transition vers des sources d’énergie alternatives sans diminution de la production ne peuvent que, dans le meilleur des cas, réduire légèrement l’accélération de la consommation d’entropie faible et retarder leur épuisement d’un siècle ou deux (et, dans le pire des cas, augmenter en raison d’une dépendance accrue aux technologies avancées). Le fait qu’il n’y ait pas de substitut possible pour l’entropie faible des ressources naturelles ne laisse qu’une seule issue à cette crise qui soit conforme aux lois naturelles (la réalité matérielle de l’Univers) : mettre fin au besoin incessant d’expansion productive du capitalisme.
C’est Nicholas Georgescu-Roegen, un économiste roumain, qui a d’abord étudié les conséquences de l’activité économique d’un point de vue thermodynamique, confrontant le paradigme mécaniste dominant qui ignorait le rôle de l’épuisement des ressources naturelles dans la production. Dans son travail, j’ai basé cet article. Il a déjà identifié l’indissociabilité de la production et de la consommation de ressources dans les années 70, lors de la crise pétrolière. Malheureusement, ses idées sont restées suffisamment ignorées pour que nous discutions encore de solutions inutiles aux problèmes qu’il a su reconnaître alors et qui, quarante ans plus tard, nous ont frappés en pleine face. Il est de plus en plus courant de trouver des universitaires tels que Serge Latouche qui reconnaissent le rôle de génie et de visionnaire de Georgescu-Roegen. Comme Hari Seldon pour les habitants de Trantor, Georgescu-Roegen nous offre une recette pour éviter l’effondrement de la civilisation : « un précepte approprié à notre époque, lorsque la lutte de l’humanité sur les ressources naturelles menace notre survie en tant qu’espèce, est la devise suivante : ‘Aimez votre espèce comme vous vous aimez vous-même’, afin que les générations actuelles et futures puissent profiter pleinement de la vie ».
Manuel B. Melguizo García
Bibliographie :
- Georgescu-Roegen, N. (1996). La Ley de la Entropía y el Proceso Económico, Fundación Argentaria.
- Georgescu-Roegen, N. (2021). Ensayos bioeconómicos, Catarata
- Saslow W.M. (2020) “A History of Thermodynamics: The Missing Manual”, Entropy (Basel). 2020 Jan; 22(1): 77. doi: 10.3390/e22010077
Né à Jaén (Espagne) et étudiant de physique à l’Universidad Autónoma de Madrid. Part idéaliste et part scientifique, part romantique et part éclairé, part mélancolique et part flegmatique ; mon intention dans la vie (et, particulièrement, dans cette revue) est de conjuguer ma connaissance des mathématiques et des sciences naturelles avec ma passion pour les sciences humaines.