103 – Les oscillations du cerveau et le rôle du sommeil

Durant les années 80, un certain nombre d’informaticiens se sont intéressés au cerveau en tant qu’architecture informatique. Cela les a conduit à la notion de réseaux neuronaux et à l’étude de leurs propriétés.

La question s’est d’abord posée de la programmation d’une telle architecture. Dans le cas des ordinateurs, un ingénieur étudie le problème à résoudre et écrit un programme qui est enregistré dans l’ordinateur. Par contraste, un cerveau se programme tout seul. On dit qu’il apprend, d’où l’intérêt pour les réseaux neuronaux. Encore faut-il poser le problème à résoudre, ce qui nécessite une intervention extérieure.

Durant les années 90, il est devenu clair que l’intérêt des réseaux neuronaux se limitait aux problèmes d’optimisation et que la nécessité pour la machine de s’autoprogrammer imposait une complication supplémentaire rarement utile. Par contre, l’étude des réseaux neuronaux restait intéressante pour comprendre le fonctionnement du cerveau, mais le cloisonnement des disciplines fait qu’aucun biologiste ne s’y est vraiment intéressé.

Nous avons vu que les structures dissipatives s’auto-organisent. Le physicien danois Per Bak a montré qu’elles s’auto-organisent toutes suivant le même processus qu’il a appelé «criticalité auto-organisée». On peut donc s’attendre à ce que le cerveau s’auto-organise à l’aide d’oscillations autour d’un point critique. C’est bien ce que suggèrent les simulations numériques de Stassinopoulos et Bak, dont les résultats ont été publiés en 1995 (voir l’article décrit au billet précédent).

Dans ce modèle, le réseau neuronal reçoit des signaux sur ses neurones d’entrée dits neurones sensoriels et émet des signaux sur ses neurones de sortie dits neurones moteurs. Lorsque le résultat recherché est atteint, un signal de statisfaction est envoyé «démocratiquement» à tous les neurones, indépendemment de leur contribution. L’auto-organisation se fait à l’aide de deux paramètres: l’intensité des connections entre les neurones et le seuil à partir duquel l’information est transmise d’un neurone à l’autre. Ces paramètres oscillent au cours du temps de façon à maximiser la «satisfaction» générale.

Nous avons vu que toutes les structures dissipatives produisent du travail mécanique en décrivant des cycles semblables aux cycles de Carnot. Cela nous a conduit à modéliser l’économie à l’aide de deux paramètres l’offre et la demande dont on a montré que l’un joue le rôle d’une température et l’autre le rôle d’une pression (billet 89). En serait-il de même des paramètres de Bak et Stassinopoulos?

Leur algorithme modélise un être vivant. Celui-ci produit bien du travail mécanique par l’intermédiaire des neurones moteurs. Les signaux de satisfaction proviennent d’un apport d’énergie sous forme de nourriture: ce sont les calories fournies par l’équivalent d’une source chaude. Quant aux signaux d’entrée, ils apportent de l’information de l’environnement, ce qui correspond à une exportation d’entropie. De la chaleur est nécessairement évacuée vers une source froide: c’est la chaleur latente de changement d’état liée à la réorganisation du cerveau.

J’ai dit que l’auto-organisation se faisait à l’aide de deux paramètres. Clairement les seuils jouent le rôle d’une température. Des seuils bas facilitent leur franchissement, comme le ferait une température élevée; des seuils élevés empêchent leur franchissement comme le ferait une température basse. L’intensité des connections joue le rôle d’une pression. Elle mesure un flux de charge comme la pression mesure un flux de particules qui frappent une paroi.

Le modèle de Stassinopoulos et Bak implique que, pour fonctionner, le cerveau doit nécessairement osciller de part et d’autre d’un seuil de percolation. Dans mon dernier billet, j’ai parlé de la conscience. Celle-ci implique un état d’éveil durant lequel notre cerveau percole. Lorsque nous dormons, nous ne somme plus conscients. C’est donc un état durant lequel notre cerveau ne percole plus. Curieusement, Stassinopoulos et Bak ne semblent pas avoir vu que leur modèle impliquait l’existence du sommeil: il en montre le rôle et la nécessité.

Rappelons que toute structure dissipative oscille autour de son point critique et que ces oscillations, parfois qualifiées d’oscillations de relaxation (!), n’ont pas de périodes propres. On sait que de telles oscillations se synchronisent aisément sur des phénomènes extérieurs. Il est donc naturel que le cerveau se synchronise sur le cycle diurne, soit en phase (animaux diurnes) soit en opposition de phase (animaux nocturnes). Pour certains la synchronisation se fait sur les saisons. C’est le cas des animaux qui hibernent.

Le sommeil apparait ainsi comme une phase nécessaire du cycle d’oscillation du cerveau. Dans le prochain billet, nous comparerons ces oscillations aux cycles d’une machine à vapeur, ce qui nous éclairera encore sur leur fonctionnement, et nous généraliserons ces concepts à un réseau neuronal quelconque.


102 – Qu’est-ce que la conscience?

Dans mon billet 100, je parle d’une prise de conscience globale des problèmes de l’environnement. J’ai déjà parlé de conscience dans mon billet 62. Je propose de préciser ici cette notion. Nous verrons plus tard comment la généraliser à l’ensemble de l’humanité.

Le problème de la conscience a fait couler beaucoup d’encre, notamment chez les philosophes. Beaucoup pensent qu’une notion aussi subjective ne saurait faire l’objet d’une étude objective. Avec les ordinateurs accomplissant aujourd’hui des tâches que l’on croyait réservées à l’esprit humain, les idées ont évolué. Un philosophe comme Daniel Dennett fait aujourd’hui davantage appel à la biologie et aux sciences dites cognitives. Des neurobiologistes comme Antonio Damaso ont largement montré que la conscience peut faire l’objet d’une étude objective. Ainsi Benjamin Libet a pu détecter des intentions avant que le sujet en soit conscient, mettant en question la notion de libre arbitre. Le sujet peut toutefois ne pas donner suite à ses intentions. En tant que physicien, je propose ici une interprétation physique de la notion de conscience.

Dans mes billets précédents, j’ai montré que le concept de réseau neuronal peut s’appliquer à toute structure dissipative considérée comme un ensemble d’agents échangeant de l’énergie et de l’information. On sait aujourd’hui que ces agents s’auto-organisent pour maximiser la vitesse à laquelle ils dissipent l’énergie. C’est apparemment le cas des molécules d’air dans un cyclone, des bactéries dans une colonie, des fourmis dans une fourmilière comme des neurones dans notre cerveau. C’est aussi le cas des sociétés humaines. Peut-on leur appliquer à tous le même modèle d’auto-organisation?

Je pense que oui. Le physicien danois Per Bak a montré que tous s’auto-organisent suivant un processus qu’il a baptisé « criticalité auto-organisée ». Avec Stassinopoulos, il a construit un modèle informatique de cerveau (1). Quoique très élémentaire, ce modèle fonctionne parfaitement. J’ai montré qu’il a les propriétés d’une machine de Carnot et peut se généraliser à n’importe quelle structure dissipative. Cela signifie que, fondamentalement, un cyclone et notre cerveau s’auto-organisent de la même manière. C’est ce qu’intuitivement nos ancêtres exprimaient en disant qu’un cyclone a une âme.

Aujourd’hui, notre civilisation matérialiste nous les fait considérer comme très différents. Nous disons en particulier que notre cerveau est conscient, tandis qu’un cyclone ne l’est pas. Mais qu’entend-on par conscience? Peut-on en donner une définition précise conforme à l’idée intuitive que nous nous en faisons? On désigne souvent sous le nom de robot tout appareil susceptible d’accomplir des tâches normalement réservées aux êtres humains. La cybernétique nous a appris qu’il n’est pas possible de construire un robot sans boucle de contrôle. Lorsqu’un robot envoie une commande à un moteur, des senseurs vérifient constamment que le moteur accomplit bien l’action programmée dans le robot et envoient, si nécessaire, des signaux indiquant la correction à effectuer.

Le modèle de cerveau de Stassinopoulos et Bak cherche à maximiser l’arrivée des « cacahuettes », mais ne comporte pas de boucle de contrôle. Lorsque ses actions ne déclenchent plus une arrivée de cacahuettes, il continue à effectuer des actions jusqu’à ce qu’il « découvre » par hasard la nouvelle action qui maximise l’arrivée des cacahuettes. Notre propre cerveau dispose-t-il de boucles de contrôle? On sait aujourd’hui qu’il en possède de très nombreuses. Il possède en particulier une boucle dite de rétroaction, plus globale que toutes les autres, que nous nommons la réflexion. Par lui-même, le mot « réflexion » évoque bien la notion de rétroaction.

J’ai dit plus haut que les neurobiologistes peuvent détecter des intentions dont nous ne sommes pas conscients et que ces intentions ne sont pas nécessairement suivies d’effet. Cela veut dire que nous réfléchissons avant d’agir. Il est facile de montrer que la réflexion est consciente. Beaucoup de gens parlent aujourd’hui plusieurs langues. Chacun peut dire dans quelle langue il réfléchit. Ayant vécu aux États-Unis, je peux dire que j’y ai très souvent réfléchi en anglais. Il m’arrive encore aujourd’hui de le faire, notamment lorsque je dois rédiger un texte dans cette langue. Ainsi, lorsque nous réfléchissons, un signal normalement destiné à l’élocution est renvoyé à notre propre système auditif. Bien qu’aucun son ne soit émis, nous nous parlons littérallement à nous-même.

Rien n’empêche d’ajouter une boucle de rétroaction à l’algorithme de Stassinopoulos. Le problème de cet algorithme est que lorsqu’il découvre une nouvelle façon d’obtenir des cacahuettes, il oublie la façon précédente. En ajoutant systématiquement au nouveau signal d’entrée une fraction du signal précédent, on prolonge sa mémoire du résultat des actions passées, ce qui logiquement améliore ses chances de réussite. J’ignore si cette modification a été tentée, mais il est clair que tout ce qui peut aider à mémoriser le résultat des actions passées ne peut être que favorisé par l’évolution, d’où l’évolution du cerveau humain.

Il est intéressant de noter que cette boucle de contrôle que nous appelons réflexion se fait essentiellement à travers le langage. Boileau disait: «ce que l’on conçoit bien s’énonce clairement». C’est bien le développement du langage qui a permis à l’homme d’améliorer ses facultés de réflexion et de prolonger sa mémoire à long terme. En prolongeant encore davantage cette mémoire, l’invention de l’écriture a continué à améliorer sa faculté de réflexion. C’est ainsi qu’avant de prendre une décision, chacun d’entre nous utilise son expérience passée. Elle nous permet d’estimer au mieux le résultat de nos actions.

En termes techniques, cela s’appelle une inférence bayésienne. Le problème est que chacun d’entre nous a une expérience différente, ce qui fait que nos estimations sont différentes. Chacun d’entre nous a ses idées a priori. Il est intéressant de noter qu’à la suite des travaux de E.T. Jaynes, l’estimateur qui minimise l’information a priori s’appelle un estimateur d’entropie maximale. Le sous-titre de son livre posthume sur la théorie des probabilités est « la logique de la science ». On retrouve bien le fait que la science progresse grâce à l’entropie que l’humanité produit, c’est-à-dire à l’énergie qu’elle dissipe.

Comme l’avait vu François Rabelais, science sans conscience n’est que ruine de l’âme. Toute savoir implique le développement de cette boucle de contrôle que nous nommons la conscience. Le savoir est une information mémorisée dans le cerveau. Les êtres vivants mémorisent aussi de l’information dans leurs gènes. Si un savoir culturel implique une conscience culturelle, un «savoir génétique» doit impliquer une conscience génétique. Comme le préssentait Pierre Teilhard de Chardin, le développement de la conscience est un processus naturel et universel. Il pensait que même une pierre possédait en germe des éléments de conscience. En cela, je lui donne tort, mais j’irai volontiers jusqu’à dire qu’un thermostat possède un élément de conscience. En tant que boucle de contrôle, il est «conscient» de la température qu’il est en charge de maintenir.

(1) Dimitris Stassinopoulos and Per Bak, Democratic reinforcement: A principle for brain function. Phys. Rev. E 51, 5 (May 1995). Pour une description de leur modèle de cerveau, voir aussi le livre de Per Bak «How Nature Works» (traduit en français sous le titre: «Quand la nature s’organise»), ou mon propre livre «Thermodynamique de l’évolution» (section 9.3).


101 – Sur l’évolution des idées politiques

De même que les règles de reproduction des gènes permettent de distinguer les espèces en biologie, de même les règles d’héritage permettent de distinguer les cultures en sociologie. Emmanuel Todd classifie les cultures à l’aide de deux paramètres: égalitaire/inégalitaire et libéral/autoritaire, ce qui conduit aux quatre types de cultures indiqués sur la figure 10 de mon livre (Thermodynamique de l’évolution, page 113).

À la page 114, je compare le fonctionnement de la société au fonctionnement d’un cerveau. La culture autoritaire-égalitaire maintient la tradition en l’imposant également à tous les descendants, tandis que la culture libérale-inégalitaire favorise l’innovation. La culture autoritaire-inégalitaire favorise l’ordre et la subordination, c’est-à-dire les organisations hiérarchiques. Ce mode favorise le passage à l’action. Au contraire, le mode libéral-égalitaire laisse la voie libre à toutes les éventualités. Il favorise la réflexion.

billet-101

Géométriquement, l’état moyen du « cerveau » de la société peut être représenté dans un plan par un point ayant pour coordonnées les deux paramètres d’Emmanuel Todd (figure ci-dessus). Comme pour l’état de l’économie, ce point tourne autour de l’origine qui est le point critique. Le cycle commence avec la tradition, puis la réflexion, l’innovation et l’action. Cette dernière modifie l’environnement auquel nous étions adapté. Cela nous oblige à nous réadapter d’où la nécessité d’une restructuration (transition de phase que nous nommons effondrement). Après l’effondrement on revient à une tradition améliorée par le fruit de l’expérience (leçons de l’effondrement) et un nouveau cycle recommence. Il s’agit bien d’un algorithme d’apprentissage.

Politiquement, cela signifie qu’après un effondrement une société doit être d’abord autoritaire-égalitaire (extrême gauche), puis libérale-égalitaire (gauche), libérale-inégalitaire (droite) pour finir autoritaire-inégalitaire (extrême droite) juste avant l’effondrement suivant. L’élection de Donald Trump à la présidence des États-Unis semble confirmer ce schéma. En France, François Hollande se prétend socialiste mais mène une politique de droite tandis que l’extrême droite de Marine Le Pen a le vent en poupe. Historiquement, l’extrême droite du Maréchal Pétain a pris le pouvoir alors que la France s’enfonçait dans une deuxième guerre mondiale. À la libération, le parti communiste était à son apogée. Ces quelques exemples nous conduisent à penser que le cerveau global d’une société tourne ainsi régulièrement comme un moteur bien huilé.

Ce n’est bien évidemment pas le cas. Un contre exemplaire est facile à trouver: l’union soviétique s’est effondrée alors qu’elle était communiste. Le gouvernement chinois se prétend toujours communiste alors que, devenue libérale, sa politique est de plus en plus inégalitaire. Pourquoi cela? La réponse est très simple: un moteur bien huilé ne dissiperait pas d’énergie, il s’emballerait. Pour dissiper l’énergie il est nécessaire d’introduire des « frottements mécaniques », en l’occurence ce que les physiciens appellent de l’hystérésis, c’est-à-dire un retard entre la cause et l’effet. C’est le décalage qu’on observe entre la culture d’un pays et la politique qu’il est amené à suivre. Historiquement, les cultures ont toujours cherché à s’adapter à l’état d’évolution de leur société, mais plus vite elles s’adaptaient plus vite la société évoluait. C’est le phénomène d’accélération connu sous le nom d’effet « reine rouge » (section 6.1 de mon livre). C’est lui qui maintient un décalage permanent causant des tensions. Ce sont ces tensions qui font qu’occasionnellement les sociétés s’effondrent.

Dans mon livre (section 3.2.2), je montre que le modèle d’Ising s’applique à la propagation des croyances. Dans mon billet 57, je l’applique à la propagation des opinions politiques. En période d’élections, leur domaine d’Ising est visualisé sur les cartes électorales. Les opinions politiques font généralement partie de la culture transmise à travers l’éducation. Dans son livre « L’invention de l’Europe », Emmanuel Todd montre que les cultures familiales persistent sur de nombreuses générations. Il en est de même des idées politiques, mais celles-ci sont aussi influencées par l’entourage. Un individu dont la culture est en phase avec celle de son entourage transmettra facilement ses idées politiques. Au contraire, un individu dont la culture est en opposition de phase aura du mal à transmettre ses idées. Influencé par son entourage, il pourra même les abandonner.

Dans mon billet 57, j’explique pourquoi l’Union soviétique s’est effondrée. Parfaitement adaptée à la réorganisation des années d’après guerre, sa culture autoritaire s’est montrée économiquement très efficace, mais elle a rapidement manqué de résilience. Parce que libérale, la culture occidentale était plus résiliente. Elle a alors pris le dessus. Tandis que le pétrole faisait monter la température économique (billet 49), le bloc soviétique s’est décomposé en morceaux plus petits, comme un cristal éclate à la chaleur.

Aujourd’hui la situation a bien changé. Remise de cet effondrement, la Russie est devenue plus libérale, tout en restant égalitaire. Pendant ce temps, la culture occidentale devenait de plus en plus inégalitaire. Le pétrole est plus difficile à extraire et l’activité économique mondiale stagne. La température générale de l’économie se rapproche de la température critique. À l’heure actuelle, les États-Unis ne peuvent maintenir leur dissipation d’énergie qu’à travers une politique autoritaire. Mais celle-ci est en désaccord avec la culture libérale du pays. En votant pour Trump, l’Amérique profonde des cow-boys a franchi le pas. Elle a montré qu’elle était lasse des mensonges de marketing de l’élite financière et a préféré élire un richissime américain se présentant pour ce qu’il est. Il est clair cependant que passer d’un régime libéral traditionnel vers un régime autoritaire, plus éloigné de la culture du pays ne se fait pas sans tensions.

Que va-t-il se passer? Comme l’était l’union soviétique, les États-Unis sont une réunion d’États initialement indépendants. Toute union de cette ampleur est nécessairement fragile. Nous avons vu que lorsque l’économie d’un pays lui impose de suivre une politique trop éloignée de celle de sa culture traditionelle des tensions se produisent. Ces tensions ont fait éclater l’Union soviétique. Je surprendrai peut-être mes lecteurs en disant qu’elles risquent aujourd’hui de faire éclater les États-Unis. Si les États-Unis éclatent, l’Europe en fera autant. Fragilisée par le départ de la Grande Bretagne, elle ne repose déjà plus que sur deux piliers: la France et l’Allemagne. Des deux, la France est de beaucoup la plus fragile. Sa culture majoritairement libérale-égalitaire est en complète opposition de phase avec la culture autoritaire-inégalitaire d’un pays comme l’Allemagne. On peut donc s’attendre à ce que tôt ou tard la France quitte l’Union européenne, ou bien se scinde en deux. Le sud-est pourrait quitter l’Union avec d’autres pays méditerranéens, dont la Grèce, tandis que le Nord, plus proche de Bruxelles, resterait lié à l’Allemagne. Tout dépend des sources d’énergie auxquelles chacun aura accès.

Je vais maintenant m’aventurer à faire un pronostic. De tous les pays européens, celui qui s’en tirera le mieux est sans conteste l’Allemagne. Sa culture à la fois autoritaire et inégalitaire est celle des familles souches, capables de résister aux adversités. Elle partage cette caractéristique avec le Japon. Au chapitre 9 de son livre « Collapse », Jared Diamond montre que le Japon est une des rares civilisations à avoir su éviter un effondrement. Il l’explique par son organisation hiérarchique, une caractéristique que possède aussi l’Allemagne. C’est donc d’Allemagne que repartira la civilisation occidentale, mais son caractère inégalitaire l’empêchera de devenir le germe d’une civilisation nouvelle. C’est là que la Russie, par l’intermédiaire de l’Allemagne de l’Est, jouera un rôle essentiel. À la fois égalitaire et autoritaire, la Russie a toutes les caractéristiques nécessaires pour créer une nouvelle civilisation. Elle possède encore des réserves d’énergie fossile et sera moins affectée que les autres pays par le réchauffement climatique. Enfin elle partage une culture commune avec la Chine à laquelle elle pourra venir en aide. Il semble que Poutine en soit parfaitement conscient (1).

(1) Voir: http://www.comite-valmy.org/spip.php?article7776.


100 – Gaïa ou l’éveil d’une conscience

C’est le titre de l’exposé que j’ai fait (en anglais) le 7 octobre dernier au siège de l’ESA (European Space Agency) à Paris. J’ai été invité à faire cet exposé à l’occasion du lancement d’un livre intitulé: « SOS Treaty. The Safe Operating Space Treaty ». Écrit en coopération par des scientifiques et par des juristes, ce livre montre l’urgence de développer des accords internationaux pour la protection de l’environnement.

Le mot « Gaïa » fait référence ici au concept par lequel James Lovelock exprime le fait que l’ensemble des structures qui dissipent sur Terre l’énergie solaire se comporte comme un même être vivant. Cerveau de Gaïa, l’humanité prend conscience qu’elle est en charge des écosystèmes et de l’atmosphère terrestre, comme un individu prend conscience qu’il est en charge de son propre corps pour se nourrir et se maintenir en bonne santé.

Le lecteur intéressé trouvera ci-joint les projections à l’aide desquelles j’ai illustré mon exposé (format pdf ou diaporama). Mon intervention du 18 octobre à Salon de Provence et ma prochaine intervention à Toulon ne sont que des versions françaises pour grand public de ce même exposé.

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97 – L’interconnectivité

Voici la période des vacances. J’ai retrouvé cette courte vidéo. Il s’agit d’un exposé improvisé que j’ai fait à Porquerolles en septembre 2012 pour les membres de l’Institut INSPIRE (voir billet 47). Je termine mon discours sur le rôle joué par l’interconnectivité dans l’évolution, un rôle fondamental sur lequel je reviendrai. Bonnes vacances.


96 – Qu’est-ce qu’un point critique?

Dans mon billet précédent, j’ai parlé de la machine de Newcomen. Son faible rendement est dû au fait qu’elle soumet non seulement le fluide mais aussi le cylindre et le piston à des variations très rapides de température. En 1769 James Watt fait breveter une machine dans laquelle la vapeur se condense dans un récipient séparé, améliorant ainsi considérablement le rendement de la machine. À cette époque, les ingénieurs s’interrogent sur la façon d’améliorer encore le rendement.

L’intérêt de la vapeur d’eau est de se condenser, permettant le retour du piston. Plus on se rapproche de son point critique, plus l’eau se condense facilement. Ne pourrait-on pas opérer au voisinage de son point critique (374°C et 220 atmosphères)? voire utiliser un autre fluide pour lequel le point critique est plus facile à utiliser. Quel rendement peut-on espérer? 

La réponse a été donnée en 1824 par une jeune français de 27 ans, Nicolas Léonard Sadi Carnot, dans un petit livre intitulé «Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance»:  Le rendement maximal d’une machine thermique ne dépend que de la température de sa source chaude et celle de sa source froide, rien d’autre. Ce rendement maximum n’est obtenu que si la machine est réversible, et il est proportionnel à la différence entre ces deux températures. En écrivant son livre, le jeune Carnot créait de toute pièce une nouvelle branche de la physique que Lord Kelvin appela bien plus tard la thermodynamique.

De santé fragile, Sadi Carnot est mort à 36 ans, victime d’une épidémie. On lui doit le second principe de la thermodynamique alors que le premier, celui de l’équivalence de la chaleur et du travail mécanique n’avait pas encore été expérimentalement vérifié. Il ne l’a été qu’en 1843, plus de dix ans après la mort de Carnot, par le brasseur anglais James Prescott Joule. À l’époque de Carnot, on considérait encore la chaleur comme une substance physique appelée le «calorique». Il a fallu attendre la fin du 19ème siècle, avec Boltzmann et Gibbs, pour comprendre qu’il s’agit d’une grandeur statistique décrivant le comportement des molécules, comme le sont également la pression et la température. À travers ce blog, j’essaye d’expliquer qu’en économie, l’offre et la demande sont aussi des grandeurs statistiques. Elles décrivent le comportement des individus dans une société. De la même façon, elles obéissent à des lois que l’on peut modéliser.

Le petit livre de Carnot laissait entendre que si la vapeur d’eau était commode à utiliser, à cause des larges variations de volume qu’elle procure, elle limitait les différences de température à moins de 100° et, par là, limitait considérablement le rendement de la machine. Utiliser un fluide au voisinage de son point critique serait encore pire, car le rendement de la machine tendrait vers zéro. Ce n’est que petit à petit, tout au long du 19ème siècle, qu’on est arrivé à l’idée du moteur à combustion interne, mais pour cela le charbon ne convenait pas… Il a fallu découvrir le pétrole et le raffiner pour que les premiers moteurs à essence apparaissent et, avec eux, l’industrie automobile.

Prenez maintenant votre bicyclette. Vous avez là un bon petit moteur: vos jambes. À quelle différence de température opère-t-il? Apparemment aucune. La température de votre corps est même très bien régulée au voisinage de 37° C. Comment fonctionne-t-il? Un peu comme un moteur électrique muni d’une bonne pile, grâce à l’énergie chimique. Ce qui joue le rôle de la pression et la température, ce sont maintenant des potentiels, appelés potentiels de Gibbs, du nom du thermodynamicien américain Josiah Willard Gibbs. Les potentiels aux bornes d’une pile, sont des potentiels de Gibbs. Le français Pierre Duhem a appliqué le concept de potentiel de Gibbs à la chimie. On parle alors de potentiels chimiques. Les progrès dans la fabrication des batteries et accumulateurs font que les moteurs électriques tendent de plus en plus à remplacer les moteurs à combustion interne. On fabrique aujourd’hui des voitures hybrides.

Revenons à l’idée de point critique. Si les moteurs électriques fonctionnent, comme nos jambes, sans différences de température, fonctionnent-ils autour d’un point critique? C’est bien ce qu’ils font effectivement: ils oscillent autour d’un potentiel critique. Le physicien danois Per Bak a montré que c’est la façon dont fonctionnent tous les systèmes auto-organisés. Ils sont parcourus par un flux permanent d’énergie et oscillent autour d’instabilités critiques. Ce ne sont pas des points critiques statiques, mais des points critiques dynamiques. C’est ce que font les cellules de Bénard, les cyclones, mais aussi tous les êtres vivants. Un être vivant est par nature un système auto-organisé. Il vit grâce à un flux permanent d’énergie que lui apporte sa nourriture. Les réactions chimiques qui lui permettent de se mouvoir forment des cycles comme le cycle de Krebs.

Revenons maintenant à notre sujet, l’économie. Une société humaine est un organisme vivant. Son métabolisme est l’économie. Il est donc naturel que celle-ci soit constituée de cycles autour d’un point critique. Dans mes précédents billets, j’ai décrit les oscillations de l’offre et de la demande. Le point critique est un point d’équilibre entre les deux. Mais une économie en équilibre, pour laquelle l’offre répondrait exactement à la demande, ne peut pas évoluer, ce qui est impossible parce que notre environnement évolue continuellement, en particulier nos ressources s’épuisent. Comme le font les animaux, les sociétés humaines doivent rechercher sans cesse de nouvelles ressources. C’est pourquoi l’offre change sans cesse, créant de nouvelles demandes puis de nouvelles offres. Le décalage entre l’offre et la demande est ce qu’en physique on appelle l’hystérésis. Les cycles économiques sont des cycles d’hystérésis sur lesquels je reviendrai. Ils sont le moteur de l’économie.

On peut comparer l’économie à un cyclone. La partie en équilibre est l’œil du cyclone, un point de calme plat. Un cyclone se renouvelle constamment en aspirant l’air tout autour. Il ne traverse pas de crise particulière. De même, il faudrait pouvoir renouveler l’économie de façon continue. C’est ce que font les ingénieurs dans un moteur d’automobile. On ne construit pas un moteur à un seul cylindre. On en met au moins deux en opposition de phase, de préférence quatre en quadrature. Certaines voitures de luxe ont un moteur à huit cylindres en V, appelé V8. On répartit ainsi les phases de crises tout autour du cycle. Il faudrait suggérer à nos économistes d’en faire autant.

À l’instar des êtres vivants, les cycIones sont constamment à la recherche de nourriture, en l’occurence le moindre gradient de température. Leur trajectoire est imprévisible. Lorsque j’habitais Honolulu, la ville a été menacée par un cyclone. L’alerte a été donnée. La mer était spectaculaire. Nous avons soigneusement emballé tout ce que nous avions de fragile, mis de la toile adhésive sur les fenêtres et attendu les instructions à la télévision. Au dernier moment, le cyclone s’est dirigé sur l’île de Kauai qui a été en partie dévastée. L’évolution économique de l’humanité aura toujours un certain caractère imprévisible. Il faudra apprendre à nous y préparer.


94 – La solution de Papin, Savary et Newcomen

Tout au long de ce blog, nous avons vu que l’énergie se dissipe grâce à des cycles de transformations en tout point comparables aux cycles d’une machine thermique. Cela va des cyclones, aux cycles biologiques, pour aboutir aux cycles économiques. Dans mes précédents billets, j’ai montré qu’il existe une correspondance étroite entre d’une part l’offre et la demande en économie et, d’autre part, la température et la pression d’un fluide.

On pourrait penser qu’il s’agit d’une simple analogie. Une analogie est généralement approximative et ne permet pas de faire des prédictions. Ici, il s’agit d’un parallélisme étroit en ce sens que les deux processus obéissent aux mêmes équations. Cela signifie que les propriétés de l’un peuvent être utilisées pour prédire les propriétés de l’autre. Un physicien ira jusqu’à dire qu’il s’agit du même processus (voir billet 80).

Cela implique que nos connaissances sur les machines thermiques peuvent être utilisées en économie. Dans mon dernier billet, j’ai décrit les quatre phases de l’économie telles que je les ai vécues. On peut les comparer aux quatre phases que suivrait une machine à vapeur équivalente.

Contrairement à ce que son nom semble indiquer, la phase de dépression économique correspond à celle où le fluide est le plus dense (demande forte). Sa température est initialement basse (offre faible), mais elle augmente progressivement (l’offre croit). Dans le cas d’une machine à vapeur, il s’agit d’eau liquide qu’on fait bouillir.

La phase d’expansion économique correspond à la phase motrice durant laquelle la vapeur chaude arrive provoquant le mouvement du piston. Le volume du cylindre (production économique) augmente tandis que la pression de la vapeur (demande) diminue.

La phase de stagflation correspond à celle où le piston arrive en bout de course. La pression (demande) a fortement diminué, tandis que la température (offre) tend à baisser, sans toutefois que la vapeur puisse se condenser. Mais, sans condensation, il est impossible de ramener le piston à son point de départ, c’est-à-dire de fermer le cycle.

C’est la situation devant laquelle s’est trouvée Denis Papin au 17ème siècle, lorsqu’il a imaginé la première machine à vapeur. Frappé par l’énorme puissance motrice de la vapeur d’eau, il s’est demandé comment répéter l’opération afin de fournir continuellement un travail moteur. Il s’est alors alors rendu compte que la seule possibilité était de refroidir le cylindre pour condenser la vapeur.

Envoyé en exil par la révocation de l’édit de Nantes, Denis Papin n’a jamais construit sa machine. Émigré en Allemagne puis en Angleterre, il a laissé aux anglais Savary et Newcomen le soin de le faire. On trouvera sur l’article Thomas Newcomen de Wikipédia un très joli dessin animé de leur machine. On y voit la vapeur chaude (en rouge) remplir le cylindre. Au moment précis où le piston arrive en haut de sa course, un petit jet d’eau froide (en bleu) condense la vapeur et permet au piston de redescendre.

Si nos connaissances sur les machines thermiques peuvent être utilisées en économie, alors la machine de Newcomen apporte une solution à nos problèmes économiques: il faut refroidir l’économie. L’équivalent économique de la température étant l’offre, cela implique de réduire l’offre donc la production. Cela résoud du même coup le problème du réchauffement climatique et celui de la transition énergétique.

Cette solution n’est pas nouvelle. Elle est la base d’un mouvement d’écologie politique né en France dans les années soixante dix et connu sous le nom de « la Décroissance ». Ce mouvement se réfère à l’œuvre de l’économiste Georgescu Roegen dont les travaux reposent précisément sur les lois de la thermodynamique… Au lieu d’attendre que l’économie s’effondre d’elle-même, le mouvement propose de réduire dès maintenant l’ensemble de la production industrielle, c’est-à-dire le PIB. On peut comparer cette approche à un effondrement économique préventif dans l’espoir d’atténuer les effets d’un effondrement incontrôlé.

On voit mal aujourd’hui un gouvernement élu proposer de réduire la production économique. Bien que difficile à contrôler, une diminution du PIB est cependant envisageable par le biais d’une réduction volontaire de la consommation individuelle. C’est ce que propose le mouvement à travers ses publications et son mensuel « La Décroissance » dans lequel il incite ses partisans à la « simplicité volontaire », tout en militant pour une décroissance de la production industrielle (1). Nous en verrons les implications dans nos prochains billets .

Chacun sait les progrès techniques qu’ont fait les machines thermiques depuis Newcomen jusqu’aux moteurs à essence modernes. Si chacun d’eux a un équivalent transposable en économie, alors tous ouvrent de vastes perspectives d’amélioration pour l’organisation économique des sociétés futures. L’humanité n’échappera pas à l’effondrement économique qui s’annonce mais celui-ci créera la prise de conscience nécessaire à la réorganisation des sociétés futures.

(1) Pour un kaleidoscope montrant les opinions de très nombreux adeptes de la Décroissance, je recommande le récent livre: « Le Progrès m’a tuer » coédité par « L’échappée » et « Le pas de coté ».