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Raisons d’être

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Solange Lefebvre

Première partie. Au-delà des clivages

De l’atome à la conscience : phénomènes d’émergence et complexité

Normand Mousseau

Texte intégral

1 Vers la fin du XIXe siècle, la physique était considérée comme une science mature. L’électricité et le magnétisme avaient été unifiés quelques années auparavant par James Clerk Maxwell (1831-1879), ce qui avait produit une théorie d’une richesse insoupçonnée. En parallèle, les travaux de Josiah Willard Gibbs (1839-1903) en physique statistique fournissaient une description mécanistique à la thermodynamique, intégrant cette discipline à la mécanique newtonienne, récemment reformulée de manière élégante par Joseph-Louis de Lagrange (1736-1813) et William Rowan Hamilton (1805-1865). La physique classique, déterministe et réductionniste, atteignait son apogée.

2Les percées théoriques du XIXe siècle reposaient sur des travaux expérimentaux de grande précision obtenus grâce à des appareils permettant de sonder toujours plus avant les profondeurs du monde microscopique et macroscopique. En quelques décennies de recherches effrénées, les chercheurs avaient élargi considérablement la plage du réel à laquelle ils avaient accès : de l’atome à la Voie lactée, ils avaient exploré et expliqué la nature sur une trentaine d’ordres de grandeur. Une réussite inégalée dans l’histoire de l’humanité qui poussa plus d’un physicien à annoncer la « fin de la physique » : tout ce qui devait être découvert l’avait été et les générations de chercheurs à venir n’auraient plus à s’occuper que de détails.

3Cette vision d’un monde parfaitement compris ne devait pas durer. Dès le tournant du XXe siècle, la découverte de phénomènes se situant au-delà des limites connues força le développement de nouvelles théories qui ébranlèrent la plupart des fondements de la physique classique. En quelques années, les théories de la relativité restreinte et générale bouleversèrent notre compréhension du temps et de l’espace, montrant que ceux-ci ne constituent pas un référentiel absolu, mais qu’ils ont besoin de la matière même pour exister. En parallèle, la mise en place de la mécanique quantique sonna le glas du déterminisme, exposant un monde microscopique fondé sur l’incertitude et les probabilités. La nature du réel se trouva métamorphosée, exposant l’humanité à un univers complexe, en contradiction flagrante avec notre expérience du quotidien.

4Cent ans plus tard, le paradigme dominant en physique est resté inchangé. Rien n’est venu remplacer la relativité générale ou la mécanique quantique, rien n’indique qu’il y ait des lacunes majeures à combler dans ces théories. Mais nous sommes encore loin de la fin. Au cours des 30 dernières années, des chercheurs ont compris qu’il fallait aller au-delà de ces forces fondamentales si l’on voulait développer une théorie intégrée de l’univers. Les travaux de ces chercheurs se concentrent sur les phénomènes émergents et complexes qui se produisent à tous les ordres de grandeur, de la formation de l’atome à celle de l’univers. Résistant au réductionnisme, ces problèmes furent longtemps boudés par les scientifiques. Si les progrès dans ce domaine sont lents et les résultats encore bien minces, les concepts à la base sont excitants et pourraient bien transformer considérablement notre vision de nous-mêmes et de l’univers qui nous entoure.

La physique du XXe siècle

5L’impact de la révolution scientifique du début du XXe siècle est difficile à sous-estimer. Les physiciens consacrèrent le reste du siècle à comprendre l’implication de ces découvertes qui bouleversèrent les sciences pures et humaines, favorisant en même temps la plus grande explosion technologique de l’histoire de l’humanité. Cent ans plus tard, les physiciens semblent se retrouver à la case départ avec en main un cadre bien établi qui ne laisse pas de place pour de nouvelles révolutions. Faisons-nous de nouveau face à la fin de la physique ou devons-nous prévoir un nouveau changement de paradigme ?

6Tout en reconnaissant que les physiciens d’aujourd’hui ne sont pas moins naïfs que ceux d’hier, plusieurs éléments semblent indiquer que nous ne revivrons pas les bouleversements d’il y a 100 ans. En effet, nous avons continué à étendre les limites physiques de notre connaissance jusqu’à atteindre, il y a une dizaine d’années, les frontières de l’Univers. Depuis le début du XXe siècle, les physiciens ont ajouté une vingtaine d’ordres de grandeur à l’Univers tel qu’on le connaissait alors, tant du côté microscopique que macroscopique. Aujourd’hui, l’Univers connu couvre 10-18 m à 1035 m et de 10-15 s à 15 milliards d’années. Impossible de repousser la frontière supérieure, elle correspond à la taille finie de l’Univers. Quant à la limite inférieure, elle constitue le terrain de jeu idéal pour le développement d’une théorie unifiée de la physique, une théorie qui représente le but ultime de la physique classique.

7Suivant les traces d’Einstein, les physiciens sont en effet à la recherche de la théorie du tout qui permettra d’unifier les quatre forces fondamentales. La recherche d’une telle théorie est très attrayante, car elle représente, pour beaucoup, l’univers résumé à quelques lignes. L’impact d’une telle découverte sur notre réel serait toutefois bien faible puisque l’unification des quatre forces doit se faire à une échelle de grandeur environ 1015 fois plus petite que ce que l’on peut sonder aujourd’hui. De plus, comme l’énergie nécessaire pour interagir avec un objet donné augmente de manière inversement proportionnelle à sa taille, les observations que l’on pourra faire à ces échelles de grandeur ne serviront donc qu’à décrire les tout premiers instants de l’Univers.

8Dans cette optique, une grande partie du programme de recherche de la physique contemporaine perd de son sens puisqu’elle n’aura aucun impact sur les grandes questions que se pose l’Humanité : qu’est-ce que la vie ? qu’est-ce que la conscience ? Elle ne permettra pas non plus de résoudre de vrais problèmes scientifiques, pour lesquels les théories actuelles sont suffisantes. Son impact, au mieux, ne sera que formel. Avec ou sans la théorie du tout, il est donc possible d’affirmer qu’à la fin du XXe siècle, on avait complété la cartographie des forces universelles, refermant un chapitre de la science commencé avec Newton, il y a 300 ans.

9Face à cette constatation, que reste-t-il de la physique moderne ? Il n’est pas question de sonder de nouvelles terra incognita ni de découvrir des lois fondamentales d’une importance similaire à celles du début du XXe siècle. La physique doit plutôt s’ouvrir aux problèmes qu’elle a négligés jusqu’à présent, et redéfinir la notion de « fondamental ».

10Ce besoin n’est pas nouveau. Avant même qu’Einstein ne découvre le photon et n’annonce la théorie de la relativité restreinte, le mathématicien-physicien Henri Poincaré (1854-1912) avait mis en évidence le problème à trois corps. Contrariant les efforts de ses collègues, ce brillant chercheur réussit à montrer qu’il est impossible d’écrire une solution fermée qui permette de décrire le comportement de trois corps célestes interagissant entre eux suivant la loi à deux corps de la gravitation newtonienne. Mieux, il démontra que deux trajectoires proches l’une de l’autre divergeraient rapidement, jetant ainsi les bases de la théorie du chaos. L’impact de cette observation, bien que la découverte ne fut appréciée qu’un demi-siècle plus tard, est majeur : le déterminisme newtonien, tel qu’il était décrit par Lagrange, ne tenait même pas pour un système classique à trois corps !

11À partir de ces résultats, les premières fissures apparurent dans le programme établi par Descartes et Newton. Ces fissures restent largement ignorées des physiciens qui limitent encore souvent leur champ d’études. Ainsi, de larges pans expérimentaux furent même exclus pendant longtemps parce qu’ils ne pouvaient être décrits dans le cadre du paradigme réductionniste. Avec le développement des théories du chaos et des systèmes hors équilibre, de nouveaux problèmes, tels l’hydrodynamique dans des liquides à grands nombres de Reynolds, les systèmes chaotiques et les systèmes biologiques, font maintenant irruption dans le giron de la physique, constituant peut-être le cheval de Troie qui mènera à la prochaine révolution.

Émergence et complexité

12La physique a la mauvaise habitude de s’emparer de termes génériques et de leur donner une signification très précise, créant une ambiguïté pour le grand public. Les termes « émergence » et « complexité » n’échappent pas à cette confusion, car ils sont utilisés quotidiennement et associés à une large gamme de phénomènes et de problèmes. Même en physique, l’utilisation de ces termes demeure mal définie. Ils englobent généralement une série de développements et de concepts apparus depuis une quarantaine d’années. Il est donc essentiel de donner quelques exemples qui permettront de mieux saisir la signification de ces termes.

13Considérons tout d’abord trois classes de problèmes : simples, compliqués et complexes. La chute d’un objet, sous l’effet de la gravitation, est un phénomène simple : un objet et une action sont impliqués. Par comparaison, on pourrait dire que la vie économique d’une grande société ou l’apprentissage du langage sont des phénomènes compliqués.

14Mais comment classer un centimètre cube de liquide ? Celui-ci contient 1022 atomes, un nombre presque inimaginable. Si le système est à l’équilibre, chaque atome suit une trajectoire chaotique. On peut alors prendre la moyenne sur l’ensemble, décrire statistiquement les propriétés de ce cube de gaz ou de liquide, et réduire la complexité de ce système à quelques variables thermodynamiques. Le système peut alors être classé comme simple.

15La situation est tout autre si les mêmes atomes sont étudiés alors qu’ils se transforment en flocons de neige. Mus par une dynamique encore incomprise, les atomes s’organisent dans une structure 100 000 000 de fois plus grosse qu’eux, une structure riche en détails, et avec une symétrie qui n’a rien à voir, contrairement à ce qu’on entend souvent, avec la structure atomique de la glace. Le processus d’assemblage et la structure finale de ce flocon sont certainement complexes.

16La comparaison entre les trois classes de système – simple, compliqué et complexe – offre une définition relativement précise de la complexité : un système est complexe si la dynamique hors équilibre à l’œuvre dans le système mène à une organisation spatiale ou temporelle inhomogène et à de nouvelles propriétés, dites émergentes. Avant d’en arriver au concept d’émergence, il est nécessaire de discuter de quelques concepts qui lui sont souvent associés.

Le chaos

  • 1 Edward. N. Lorenz, « Deterministic nonperiodic flow », Journal of Atmospheric Sciences, vol. 20, 1 (...)

17Le plus classique des phénomènes complexes est le chaos. C’est aussi le seul qui repose sur une théorie bien établie. Ce phénomène fut officiellement découvert dans les années 1960 par Edward Lorenz (1917-)1, un météorologue qui étudiait alors l’impact des phénomènes non linéaires sur la température à l’aide de simulations sur ordinateur. Comparant les trajectoires de systèmes en apparence identiques, il vit que celles-ci divergeaient rapidement les unes par rapport aux autres. En quelques itérations, il était impossible de savoir si ces trajectoires avaient une origine commune. Cette découverte confirme la démonstration de Poincaré : il existe des systèmes classiques et déterministes qui présentent des trajectoires non intégrables et divergent exponentiellement les unes des autres. Le hasard, qui se cache dans les incertitudes, fracasse ainsi le déterminisme newtonien. À moins de connaître avec une précision littéralement infinie les conditions initiales d’un système chaotique, il est impossible de prédire sa trajectoire à long terme.

18Rapidement, on découvrit également que le chaos n’était pas réservé à quelques systèmes exotiques. On le retrouve partout autour de nous : un crayon en équilibre sur sa pointe, les prévisions météorologiques, le jeu de billard, le mouvement des atomes dans un liquide ou un gaz, etc. Lorsque les systèmes chaotiques sont composés de plusieurs composantes, comme c’est le cas pour un gaz, l’impact du chaos est relativement faible. À cause de la loi des grands nombres, on peut ainsi prédire avec une assez bonne précision le comportement statistique des individus. Lorsque le nombre de variables est faible, comme c’est le cas, entre autres, en météorologie, les détails comptent et le chaos se manifeste alors dans toute son ampleur.

  • 2 Mitchell J. Feigenbaum, « Universal behavior in nonlinear systems », Physica D, vol. 7, 1983, p. 1 (...)

19Cette observation ne signifie pas qu’il est impossible de comprendre quoi que ce soit aux systèmes chaotiques. Si la trajectoire d’un système chaotique est difficile à prévoir, le comportement de celui-ci en fonction du paramètre de forçage suit une loi universelle, qu’on appelle la route de la bifurcation vers le chaos2. Tout système chaotique suit la même progression lorsqu’on le déstabilise. Avec un faible forçage, le système est tout à fait prévisible, puis il se met à osciller entre 2 états, puis 4, 8, 16 états et ainsi de suite jusqu’à ce qu’il devienne chaotique, dans une progression indépendante des détails du système. De plus, si les trajectoires chaotiques ne sont pas prévisibles, elles existent dans un espace fractal de solutions qu’on appelle attracteur étrange et qui possède des propriétés particulières. La théorie du chaos est donc plus qu’un concept. Elle est bien établie en physique et offre des prédictions précises. Le chaos permet d’expliquer ou de justifier des phénomènes dans plusieurs branches de la physique. Par exemple, l’existence du chaos est essentielle afin de justifier le concept d’équilibre en thermodynamique.

20Bien que le chaos remette en cause l’idée d’un univers déterministe, il existe avant tout à l’intérieur du cadre de la physique classique newtonienne ; par sa base probabiliste, la mécanique quantique se prête beaucoup moins bien à l’application de ce concept qui requiert des trajectoires bien définies. Le chaos se retrouve donc à la limite entre les systèmes complexes et les systèmes classiques.

Les phénomènes hors équilibre

21Les phénomènes hors équilibre constituent la plus grande classe de phénomènes longtemps ignorés par les physiciens. Ainsi, toute la physique du XIXe siècle et la plus grande partie de celle du XXe siècle se sont concentrées sur la question : « Comment la nature est-elle ? » et non sur « Comment la nature change-t-elle ? » L’évolution temporelle, élément essentiel des phénomènes hors équilibre, fut complètement ignorée et seuls les problèmes à l’équilibre furent considérés comme des sujets de recherche acceptables.

22Les raisons de ce choix sont nombreuses. Tout d’abord, les problèmes hors équilibre sont difficiles ou impossibles à décrire mathématiquement. De plus, ils nécessitent l’introduction d’une orientation privilégiée pour le temps, en contradiction avec la réversibilité des équations de la physique contemporaine. On sait bien, lorsqu’on regarde autour de nous, que la plupart des systèmes ne respectent pas cette équivalence entre futur et passé : un verre qui tombe sur le plancher a assurément un passé, un présent et un futur ; on peut immédiatement identifier la direction d’un film racontant cette histoire. Même chose en ce qui concerne la théorie de l’évolution de Charles Darwin qui repose tout entière sur l’existence d’une flèche du temps. Malheureusement, toutes les lois de la physique contemporaine exigent une symétrie parfaite dans le cheminement du temps.

23Pionnier dans le domaine, le prix Nobel de chimie, Ilya Prigogine (1917-2003), s’est attaqué à ce paradoxe et a proposé une classification des phénomènes irréversibles qui force les physiciens à affronter le problème : a) les processus irréversibles sont aussi réels que les processus réversibles ; les premiers ne constituent pas une approximation aux deuxièmes ; b) les processus irréversibles jouent un rôle éminemment constructif dans le monde physique ; c’est particulièrement vrai dans le monde biologique ; c) l’irréversibilité est d’abord et avant tout dynamique. En effet, seule une dégradation d’énergie, requérant un apport constant, peut permettre d’aller localement à l’encontre de la troisième loi de la thermodynamique.

24En dépit des travaux de Prigogine et de plusieurs autres, les lois physiques telles qu’on les comprend aujourd’hui demeurent fondamentalement réversibles dans le temps. Avec l’arrivée des ordinateurs, on a pu lever certaines difficultés et permettre l’étude de certains systèmes hors équilibre, mais le problème n’est toujours pas résolu à la base, ce qui souligne le besoin urgent d’introduire de nouveaux concepts intégrant la physique contemporaine à une science plus large qui laisse la place à ces phénomènes essentiels.

Les phénomènes émergents

  • 3 P. W. Anderson, « More is different », Science, vol. 177, 1972, p. 393-386.

25Parmi ces concepts, un des plus universels est certainement le concept d’émergence. Bien qu’il existât depuis longtemps, surtout en biologie, sous une forme ou une autre, il fut introduit formellement à la communauté physicienne en 1974 par le prix Nobel de physique Philip Anderson3.

26Lorsque trois quarks s’assemblent pour former un proton, de nouvelles propriétés apparaissent qui ne semblaient pas présentes dans les quarks pris individuellement. Aux énergies qu’on rencontre normalement autour de nous, on peut même considérer le proton comme insécable et ignorer complètement sa structure interne. Ce comportement est caractéristique des phénomènes émergents : les nouvelles structures émergent avec une énergie caractéristique bien séparée de celle de ses composantes. Ainsi, passant à l’ordre supérieur, le noyau atomique qui résulte de l’assemblage de protons et de neutrons peut, lui aussi, être considéré comme un objet solide, chargé positivement et entouré d’électrons, constituant un atome d’un élément bien précis, lorsqu’on étudie les gaz, les liquides ou les matériaux.

27Bien que formés d’un grand nombre d’éléments, l’automobile ou l’avion ne sont pas des systèmes émergents. Chacune des pièces a un but bien limité et la somme de celles-ci nous donne un moyen de transport. Il n’y a pas d’émergence puisque le détail des pièces est important et que le but de l’objet a été défini a priori par les ingénieurs, qui ont ensuite assemblé les pièces.

28Si les phénomènes d’émergence peuvent être associés avec des systèmes à l’équilibre, ils se produisent souvent hors équilibre, dans des systèmes complexes auto-organisés. Considérons, par exemple, la convection thermique, un exemple prototype des phénomènes d’auto-organisation en physique. La convection thermique est à la base de la circulation atmosphérique et océanique, par exemple. La convection est aussi responsable de la dérive des continents. C’est un mécanisme de transfert de chaleur qui passe d’abord par un déplacement de matière. Ce mécanisme fut découvert par le physicien français Henri Bénard et présenté, en soutenance de thèse, au Collège de France le 15 mars 1901 : Les Tourbillons cellulaires dans une nappe liquide propageant de la chaleur par convection en régime permanent.

29L’expérience de Bénard est la suivante. On introduit un liquide entre deux plaques. Si ces deux plaques sont maintenues à la même température, le liquide absorbera ou libérera de l’énergie de telle sorte qu’il atteindra la température des deux plaques. Le système sera alors en équilibre thermique. Si on introduit un faible gradient de température entre les deux plaques, la situation ne changera pas beaucoup : le liquide adoptera un profil thermique statique, atteignant un état stationnaire. Lorsque l’écart de température atteint une valeur seuil, cet état stationnaire ne suffit plus pour transférer la température et le système bascule : tout à coup, des tourbillons s’installent dans le liquide, brisent la symétrie originale et créent de nouveaux patrons dynamiques. Ainsi, en augmentant la température, la cellule de Bénard suit la route de la bifurcation vers le chaos et atteint la turbulence. Cet effet peut s’expliquer qualitativement par la différence de densité : une gouttelette chaude, près de la plaque du bas, va voir sa densité diminuer, et s’élevant par un effet de flottaison, tandis qu’une gouttelette près de la plaque froide aura tendance à sombrer, plus dense que son environnement. Par contre, il n’existe aucune théorie quantitative de ce phénomène hors équilibre où l’énergie est dissipée à des échelles de plus en plus petites, dans une cascade fortement corrélée.

30Ce comportement auto-organisé, dû à la présence de corrélations fortes, est typique de beaucoup de phénomènes autour de nous, de la turbulence au cycle de vie de l’amibe. Sa compréhension représente un des grands défis de la physique moderne.

31Le concept d’émergence est donc essentiel à la compréhension de l’Univers. Sans émergence, il serait impossible de comprendre un phénomène particulier sans comprendre en même temps tout le reste du monde. Heureusement pour nous, les propriétés de la matière qui nous entoure ne dépendent pas finalement, sauf pour quelques paramètres de base, des détails du modèle standard, qui décrit le comportement des particules élémentaires. Nous n’avons donc pas besoin d’attendre la grande théorie unifiée pour étudier la matière. Ainsi, la mécanique quantique, introduite au milieu des années 1920, suffit pour décrire les phénomènes associés avec les atomes.

32En d’autres mots, la connaissance de l’équation fondamentale à un niveau n’implique pas la compréhension des phénomènes à un ordre supérieur. Cela ne signifie pas que ces phénomènes ne respectent pas les lois sous-jacentes, mais seulement que de nouvelles propriétés apparaissent, qui sont difficiles à extraire des équations fondamentales, elles-mêmes trop compliquées. Et comme il n’existe pas de théorie générale des phénomènes émergents, il n’existe pas de façon de transférer directement notre connaissance d’un niveau de complexité à un autre. Les physiciens doivent donc inventer une nouvelle approche pour chaque problème, ce qui exige des efforts considérables.

33L’émergence apparaît donc en opposition avec le réductionnisme introduit par Descartes : il n’est pas possible de comprendre tous les phénomènes en les réduisant systématiquement à des composantes plus simples. Comme toujours, l’application des concepts se fait de manière beaucoup plus souple que leur énoncé ne le laisse croire. Ainsi, les physiciens ne savent résoudre les problèmes que s’ils peuvent être réduits à un système de particules indépendantes. À défaut d’une théorie des phénomènes émergents, leur travail consiste donc à redéfinir le problème complexe dans un langage qui permet l’approche réductionniste. Cette approche a été utilisée avec succès afin d’expliquer la supraconductivité classique, par exemple. Il fallut 40 ans d’efforts avant qu’on ne trouve une manière de réécrire les corrélations entre les électrons et les ions dans les métaux en termes de paires d’électrons presque indépendantes les unes des autres, ce qui permet ensuite de résoudre la question par des méthodes standards.

34Cette approche intuitive n’est hélas pas très efficace et de nombreux problèmes parmi les plus importants résistent depuis des décennies aux efforts des physiciens. Ainsi, les physiciens ont été incapables d’appliquer leurs vieux trucs pour expliquer le comportement des liquides ou la supraconductivité à haute température, cela en dépit d’efforts soutenus durant de nombreuses années. Il n’existe pas vraiment de pistes solides qui nous permettent d’espérer une solution rapide de ces problèmes. Les physiciens ont maintenu leur approche intuitive, ce qui leur a malgré tout permis de résoudre plusieurs problèmes particulièrement épineux au cours du XXe siècle. Malheureusement, l’inspiration peut parfois se faire attendre.

35Avec le concept d’émergence, les physiciens doivent réévaluer la signification du terme « fondamental ». Durant 300 ans, l’approche réductionniste a permis de développer un cadre théorique complexe qui couvre l’essentiel des phénomènes observés autour de nous. Si tous ces phénomènes respectent les lois fondamentales de la physique contemporaine, ils ne sont pas nécessairement expliqués par des lois développées à des échelles différentes. Ainsi, bien que l’existence de l’être humain doive respecter les lois de la physique, la mécanique quantique ne nous est guère utile lorsque vient le temps de traiter une dépression.

36Les phénomènes émergents, qu’ils soient générés par un assemblage à l’équilibre de particules ou par un forçage extérieur, démontrent que la notion de « fondamental » suit l’échelle du système étudié. La quête du toujours plus petit, qui préoccupe encore une fraction importante des physiciens, est donc vouée à l’insignifiance : plus on creuse, plus on s’éloigne de la pertinence à l’échelle humaine.

37Ce message est difficile à accepter, mais il y a du progrès. Au début des années 1980, plusieurs chercheurs de grand renom, physiciens, mathématiciens, biologistes et économistes, s’unirent afin de fonder le Santa Fe Institute, consacré à l’étude des systèmes complexes. D’ici quelques années, promettait-on, les lois de l’économie ainsi que l’origine de la vie seraient mises à nu. Aussitôt, quelques grands banquiers et investisseurs, aguichés par l’idée de pouvoir prédire le marché, offrirent de financer l’institut et ses chercheurs. Durant les premières années, le progrès fut rapide et l’on dégagea plusieurs modèles et concepts importants. Rapidement, toutefois, l’institut se mit à stagner et l’espoir des premiers jours disparut. Il devint clair pour tous que l’étude de la complexité est un sujet difficile qui exigerait des années de travail ardu. Si le Santa Fe Institute ne réussit pas à remplir ses promesses, il eut le mérite de catalyser l’intérêt des chercheurs pour le sujet et de lui conférer un statut de domaine de recherche à part entière.

  • 4 Robert B. Laughlin, A different universe, New York, Basic Books, 2005, 254 p.

38Récemment, Robert Laughlin, prix Nobel de physique, est revenu à la charge en suggérant que le principe d’émergence est à la base des lois de l’Univers et non le contraire4. Il n’y aurait donc pas de loi fondamentale puisque chaque loi serait une propriété émergente des lois à l’échelle inférieure.

39Cette affirmation ne représente certainement pas le point de vue de la majorité des physiciens. Toutefois, elle met en relief une des propriétés les plus intéressantes associées au principe d’émergence : il est possible de s’affranchir des échelles de grandeur nettement inférieures à celles du phénomène étudié. Le principe d’émergence permet donc d’unifier les lois de la physique avec celles de la biologie. Alors que le réductionnisme place l’être humain dans son entièreté à l’extérieur de son champ d’études, l’émergence le ramène parmi les sujets d’étude.

40La promesse la plus importante derrière les concepts de complexité et d’émergence est la possibilité d’une intégration naturelle de l’être humain à son environnement. Il reste à savoir s’il sera possible d’aller au-delà d’une description en termes de ces deux idées et d’obtenir des prédictions ou des explications solides. Jusqu’à présent, rien d’essentiel n’a été expliqué par le concept d’émergence. Le défi du siècle qui commence sera donc de dépasser le cadre conceptuel et d’établir une théorie quantitative de l’émergence et de la complexité qui s’appliquera de l’atome à l’humain. Ainsi donc, la conscience et la pensée de l’humain trouveront un sens qui s’intègre parfaitement dans l’Univers matériel tout en permettant, par l’émergence de ces propriétés complexes, de le transcender. Pour reprendre les termes de ce colloque, c’est par ce processus d’émergence que l’insignifiance de la matière dans ses composantes les plus fondamentales acquiert un sens et, mais cela reste à prouver, une conscience.

41Si la physique du XXe siècle représenta l’apogée de la phase réductionniste des sciences quantitatives, le XXIe siècle ouvre la porte à une forte intégration des disciplines et au renouveau d’une science unifiée par des principes qui transcendent les échelles et les niveaux de complexité. Paradoxalement, si ce pari est relevé, la physique retrouvera sa place au cœur de la philosophie – place perdue avec l’introduction du réductionnisme –, réconciliant ainsi la science et la conscience, l’inerte et le vivant dans un seul ensemble, sans pour autant diminuer la particularité de ce dernier. Nul ne sait où cette quête nous mènera, mais on peut certainement s’attendre à des surprises en chemin.

Notes

1 Edward. N. Lorenz, « Deterministic nonperiodic flow », Journal of Atmospheric Sciences, vol. 20, 1963, p. 130-141.

2 Mitchell J. Feigenbaum, « Universal behavior in nonlinear systems », Physica D, vol. 7, 1983, p. 16-39.

3 P. W. Anderson, « More is different », Science, vol. 177, 1972, p. 393-386.

4 Robert B. Laughlin, A different universe, New York, Basic Books, 2005, 254 p.

Auteur

Professeur de physique et titulaire de la Chaire de recherche du Canada en physique numérique des matériaux complexes à l’Université de Montréal. Ses travaux portent principalement sur les propriétés structurales et dynamiques des matériaux désordonnés, des verres et des protéines. Il s’intéresse également à la place de la science dans la société et à l’impact de la complexité sur la façon de pratiquer la science. Il publie également un billet sur le site « Science, on blogue ! » de l’Agence Science-Presse.

© Presses de l’Université de Montréal, 2008

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