Auguste Comte est un philosophe du 19ème siècle connu en particulier pour sa classification des sciences. J’ai fait référence à celle-ci dans mon exposé à Salernes (billet précédent). L’ordre proposé par Auguste Comte est le suivant: mathématiques, astronomie, physique, chimie, biologie.

D’après Auguste Comte chacune de ces sciences établit des lois qui lui sont propres, mais fait appel aussi aux lois introduites par les sciences qui la précèdent. Par exemple, les lois établies en mathématiques s’appliquent à toutes les sciences, mais l’étude de l’astronomie fait appel à des lois additionnelles. De même les lois établies en astronomie s’appliquent à la physique, mais l’étude de la physique nécessite en plus l’introduction de lois qui lui sont propres. Ces lois supplémentaires s’appliquent nécessairement à la chimie qui, à son tour, fait appel à des lois additionnelles qui s’ajoutent aux précédentes, etc …

Modifierait-on aujourd’hui la classification d’Auguste Comte? Je pense qu’une première modification porterait sur le rôle joué par l’astronomie. À l’époque d’Auguste Comte, l’astronomie se limitait à l’étude des positions et des mouvements des astres, étude qui a permis d’établir les lois de la mécanique céleste, c’est-à-dire les lois de Newton et la gravitation universelle. De nos jours l’astronomie ne joue plus ce rôle particulier. Les lois de la mécanique céleste sont devenues les lois de la mécanique tout court, une branche de la physique, tandis que l’astronomie s’est étendue à l’étude de la composition physico-chimique des astres, étude qui semblait impossible à l’époque d’Auguste Comte, la spectroscopie n’ayant pas encore été inventée. Devenue « astrophysique » et reliée à la géophysique sous le vocable de science de l’univers, l’astronomie n’est plus aujourd’hui une science fondamentale, mais une science appliquée qui peut sans inconvénient être supprimée de la liste.

Par contre, à la liste d’Auguste Comte devrait impérativement être aujourd’hui ajoutée une nouvelle science: la thermodynamique. On peut dater son origine de la publication du livre de Sadi Carnot sur la puissance motrice du feu, en 1824. Le mot « thermodynamique » a été proposé par Lord Kelvin au moins une décennie plus tard. Cette science était donc encore beaucoup trop jeune pour pouvoir être prise en considération par Auguste Comte. Elle ajouta à la physique des lois qui s’appliquaient aussi à la chimie. Suivant Auguste Comte, la thermodynamique doit donc être intercalée entre la physique et la chimie.

Ceci dit, une percée intellectuelle entièrement nouvelle s’est produite à la fin du XIXème siècle. Elle est due au physicien autrichien Ludwig Boltzmann. À cette époque les lois de la physique comprenaient non seulement les lois de la mécanique dues à Newton mais aussi les lois de l’électromagnétisme formulées un peu plus tard, principalement par le physicien anglais James Clerk Maxwell. Une particularité de ces lois est d’être indépendantes du sens du temps. Les lois de la thermodynamique introduisaient au contraire une assymétrie dans le temps. Les phénomènes de dissipation d’énergie sont irréversibles. Si l’énergie mécanique peut être intégralement convertie en chaleur, la réciproque n’est pas vraie. La chaleur ne peut être que partiellement convertie en énergie mécanique. Carnot avait montré qu’une partie de celle-ci devait nécessairement être rendue à une source froide, limitant le rendement de la transformation à un rendement maximum dit rendement Carnot.

À l’époque de Boltzmann, on commençait à se rendre compte que la matière est formée de particules, atomes ou molécules. La chaleur apparaissait comme une manifestation du mouvement désordonné de ces particules. Celles-ci devaient nécessairement obéir aux lois de la mécanique. Ces lois étant réversibles, d’où venait l’irréversibilité de la thermodynamique? Le génie de Boltzmann est d’avoir compris que l’irréversibilité thermodynamique provenait du passage de l’ordre au désordre. L’énergie mécanique est toujours associée à un mouvement ordonné de particules. Ce mouvement a naturellement tendance à devenir désordonné. On perd alors l’information sur la trajectoire particulière de chacune des particules. L’ensemble des mouvements désordonnés des particules apparait sous la forme de chaleur. Cette perte d’information, liée au passage de l’ordre au désordre, est irréversible. C’est un phénomène statistique. On pouvait ainsi déduire les lois de la thermodynamique des lois fondamentales de la mécanique par des méthodes statistiques. La mécanique statistique, appellation moderne donnée à la thermodynamique, était née.

Au début du XXème siècle, on s’était aussi aperçu d’une incompatibilité entre les lois de la mécanique, établies par Newton et les lois de l’électromagnétisme. En mécanique, la vitesse d’un objet dépend du référentiel auquel on se rapporte, alors qu’en électromagnétisme, la vitesse de la lumière apparait comme une constante universelle. Introduites par Albert Einstein, les lois dites de la relativité modifièrent les lois de Newton aux très grandes vitesses, résolvant cette incompatibilité. Sous leur forme générale, ces lois rendirent compte du phénomène de la gravitation universelle. Il fallu aussi modifier les lois de Newton pour rendre compte des phénomènes mécaniques à très petite échelle. C’est le domaine de la mécanique quantique.

Il devenait alors possible d’appliquer les lois de la mécanique aux atomes et aux molécules. Cela permit de rendre compte des lois de la chimie à partir des lois fondamentales de la physique. De nos jours, grâce aux ordinateurs, il est possible de prévoir les propriétés chimiques d’une molécule à partir de sa constitution physique. Le calcul devient cependant laborieux dès que la molécule est un peu compliquée. L’important est que, de nos jours, les lois de la chimie, comme celles de la thermodynamique, n’apparaissent plus comme des lois indépendantes de celles de la physique, mais comme des conséquences de celles-ci.

Revenons maintenant à la classification d’Auguste Compte. Je pense que de nos jours on adopterait l’ordre suivant: mathématiques, physique, thermodynamique, chimie, biochimie, biologie, sciences humaines. Si les lois de la thermodynamique et celles de la chimie apparaissent comme des conséquences des lois fondamentales de la physique, ils devrait naturellement en être de même des lois de la biochimie. Mais que dire de la biologie? Pour une grande majorité des biologistes, la biologie a ses lois propres. Un nombre croissant de physiciens s’intéressent cependant à la biologie, notamment à l’étude des écosystèmes. Pour eux, les lois de la biologie se rattachent directement aux lois de mécanique statistique. Un problème cependant subsiste: la mécanique statistique n’explique pas le processus de sélection naturelle.

Dès 1922, le statisticien américain Alfred Lotka constatait que les organismes vivants tendent à maximiser le flux d’énergie qui les traverse. Aujourd’hui, les physiciens s’intéressant aux écosystèmes pensent qu’une nouvelle loi de la thermodynamique est nécessaire pour rendre compte de ce phénomène. Ils l’appellent la loi dite de « production maximale d’entropie » (en anglais MEP ou MaxEP, c’est-à-dire « Maximum Entropy Production ». Il s’agit d’une loi générale s’appliquant aussi bien à la physique qu’à la biologie. Son intérêt en biologie est d’expliquer le processus de sélection naturelle.

Les géophysiciens ont pu vérifier MEP dans le cas d’un certain nombre d’atmosphères planétaires. MEP s’applique à tous les systèmes thermodynamiques hors équilibre, notamment aux organismes vivants. Un physicien spécialiste des écosystèmes, Roderick Dewar, a même tenté d’en donner une démonstration dans le cadre de la mécanique statistique. Cette démonstration est encore discutée. Si l’on admet MEP, alors les lois de la biologie deviennent toutes des conséquences de la mécanique statistique. Cela veut dire qu’elles peuvent être entièrement déduites des lois de la physique fondamentale.

Il semble aujourd’hui naturel d’ajouter les sciences humaines à la liste d’Auguste Comte. Biologiquement, l’homme est un animal. La composition de ses gènes ne diffère que de quelques pour cents de celle des chimpanzés. Bien que très faible cette différence a entraîné un changement considérable dans la manière dont l’homme échange de l’information avec ses semblables, d’abord par la parole puis par l’écriture. L’écriture et aujourd’hui l’informatique permettent de mémoriser une quantité sans cesse croissante d’information. En mécanique statistique, cette mémorisation d’information correspond à une diminution d’entropie. Elle permet aux sociétés humaines de s’organiser et de dissiper une quantité d’énergie bien supérieure à celle de toutes les autres espèces animales.

L’astronome Éric Chaisson a montré que l’univers évolue en créant des structures capables de dissiper de plus en plus d’énergie par unité de masse. Le passage des plantes aux animaux puis à l’homme et aux sociétés humaines a, à chaque fois, augmenté d’un ordre de grandeur le taux d’énergie dissipée. Vues ainsi, l’apparition de l’homme et la formation des sociétés humaines apparaissent totalement conformes à nos connaissances sur l’évolution de l’univers. En accord avec les lois de la mécanique statistique, elles apparaissent également comme des conséquences des lois fondamentales de la physique. C’est la thèse de mon livre sur la thermodynamique de l’évolution.

Il s’en suit que les lois introduites tout au long des sciences classifiées par Auguste Comte, seraient toutes des conséquences des lois fondamentales de la physique. Elles ne différeraient que par la complexité du sujet d’étude abordé. La classification d’Auguste Comte devient une classification des sciences par ordre de complexité croissante. D’où l’intérêt d’aborder d’abord les phénomènes les plus simples avant d’aborder les plus complexes, dans le cadre d’une approche multidisciplinaire. On s’aperçoit aujourd’hui que l’auto-organisation de la matière inerte permet de mieux comprendre l’auto-organisation de la matière vivante qui, elle-même, permet de mieux comprendre l’auto-organisation des sociétés humaines. C’est le principal message de mon livre sur la thermodynamique de l’évolution.