entropie de Boltzmann

Un groupe de points lumineux nage dans l'obscurité, tantôt se resserrant en îlots, tantôt se dispersant en vagues. Ce ne sont ni des poissons ni des oiseaux : c'est un modèle mathématique de matière active, où chaque particule dépense sa propre énergie pour se déplacer, tout en naissant, en mourant et en rivalisant avec ses voisines pour…

La complexité biologique s'est longtemps dérobée : on peut compter les gènes, les cellules aussi, mais comment saisir l'organisation même du protéome — cet ensemble de milliers de protéines tissé de carbone, d'oxygène et d'hydrogène ?

Une soupe bouillonnante dans une casserole — mais chaque grain n'est pas un simple point, c'est une toupie minuscule qui tourne sur son axe. Tel est le monde des particules de spin 1. Par exemple, certains mésons à vie courte qui naissent lors de collisions dans les accélérateurs.

Chaque système quantique — que ce soit un atome, un cristal ou l'Univers entier — possède son propre ensemble d'énergies autorisées, comme les marches d'un escalier. Plus le système est chaud, plus les particules grimpent volontiers les marches.

Dans un univers éternel où le désordre augmente (entropie), la majeure partie du temps se déroule dans un vide homogène. De temps à autre, des structures complexes s'assemblent par hasard, comme des consciences éphémères — les « cerveaux de Boltzmann ».

L'espace-temps n'est pas une feuille plane, mais un tissu froissé : les étoiles et les planètes y laissent des plis. Dans chaque pli est inscrite de l'information, et pour l'effacer, il faudrait dégager de la chaleur — c'est ainsi que fonctionne le principe de Landauer.

Dans un stade de football, l'émotion de la foule est la somme des conversations des supporters individuels. Si l'humeur pouvait être à la fois joyeuse et triste, on aurait une superposition quantique. Mais le murmure de milliers de voix fait basculer instantanément ce mélange dans un état bien défini.

Un orchestre sans chef joue, et soudain — sans ordre visible — les violons commencent à sonner plus fort, et les cuivres se décalent légèrement dans le temps. De l'extérieur, rien ne semble avoir changé, mais à l'intérieur de l'ensemble, il y a eu une réorganisation. C'est à peu près ainsi que se comportent les petits systèmes physiques lors des pseudotransitions du troisième ordre.

Au Grand collisionneur de hadrons, ce ne sont pas seulement les noyaux qui entrent en collision, mais aussi des protons individuels. Même dans de si petits systèmes, on observe un comportement collectif semblable à l'écoulement d'un fluide.

L'eau peut être de la glace, du liquide ou de la vapeur. Les physiciens appellent ces états des phases. En théorie, chaque phase a sa propre mesure — une façon de décrire à quel point elle est probable. Mais toute mesure que l'on peut imaginer ne se rencontre pas dans la nature. Certaines phases sont réelles, d'autres ne sont qu'une illusion mathématique.

Dans un orchestre où chaque musicien joue la même note, le son se fond en un puissant unisson. C'est ainsi que naît le condensat de Bose-Einstein : une multitude de particules bosoniques, à température extrêmement basse, se comportent comme un tout.

Une particule chargée, enroulée par un champ magnétique, ne reste pas silencieuse : elle émet de la lumière. Cette lumière est appelée rayonnement synchrotron, et on la rencontre partout – des galaxies lointaines aux accélérateurs de laboratoire.

Le plasma chaud dans un futur réacteur de fusion ressemble à une piste de danse surpeuplée : des milliards de particules tourbillonnent dans un rythme complexe, se heurtant et changeant de vitesse. Comprendre à quel point cette danse est enchevêtrée n'est pas une mince affaire.

Si l'on fait passer un courant dans un fil, le fil chauffe. Tout le monde le sait, surtout ceux qui ont déjà touché un chargeur de téléphone. Les physiciens appellent cela l'effet Joule, en l'honneur de James Joule, qui, au milieu du XIXe siècle, a mesuré la quantité de chaleur produite par l'électricité.

Un nuage d'atomes ultra-froids, semblable à un brouillard, suggère que la gravité pourrait ne pas suivre les lois de Newton. Aux confins des galaxies, les étoiles se déplacent plus vite que prévu, et la théorie MOND modifie la loi de l'attraction à grande distance, éliminant le besoin de matière noire.

Un corps supersolide, c'est de la glace qui coule. Comme un étang pris par une croûte, mais avec des profondeurs liquides sans frottement. D'habitude, on fabrique cette croûte en modifiant les propriétés du liquide dans tout son volume.

Une vague déferle sur le sable, laissant un motif d'écume et de coquillages. Un instant plus tard, elle se retire, mais les traces ne sont plus les mêmes : le sable est lissé, les coquillages retournés. Quelque chose de semblable se produit dans le monde quantique lorsqu'un système passe d'un état hors d'équilibre à l'équilibre.

Au sommet de la colline de la physique classique, une particule est figée dans un équilibre instable. La moindre impulsion — et elle dévale la pente à une vitesse croissante.