PRIGOGINE (I.)

PRIGOGINE (I.)

PRIGOGINE ILYA (1917- )

Chimiste et philosophe belge né à Moscou qui a reçu le prix Nobel de chimie en 1977 pour ses contributions à la thermodynamique des processus irréversibles et spécialement à la théorie des structures dissipatives . Après avoir fait ses études secondaires à l’Athénée d’Ixelles, un faubourg de Bruxelles, Ilya Prigogine entre à l’Université libre de Bruxelles pour étudier la chimie et la physique. Dès la fin de ses études, il se tourne vers la thermodynamique, où, après diverses contributions à la physique moléculaire (polymères, solutions, basses températures), il aborde pour la première fois l’étude des processus irréversibles, et en fait l’objet de sa thèse d’agrégation à l’enseignement supérieur (1945). Prolongeant la voie ouverte par L. Onsager avec l’établissement de la relation de réciprocité qui porte à présent son nom (1931), Prigogine en déduit son théorème de production d’entropie minimale à l’état stationnaire qui domine toutes les évolutions irréversibles de la région linéaire caractéristique du voisinage d’un état d’équilibre. Il déterminera ensuite les limites de validité de ce théorème et établira les modifications à lui apporter pour en déduire un critère universel applicable à grande distance de l’équilibre, dans le domaine qui relève généralement d’une thermodynamique non linéaire aux propriétés beaucoup plus complexes. Sur ce point, c’est surtout l’étude de la diversité des effets engendrés par l’irréversibilité sur le comportement de la matière en évolution qui a le plus contribué à la renommée de Prigogine. On lui doit notamment une découverte de grande conséquence, propre à ce domaine non linéaire, d’après laquelle un milieu matériel peut y accomplir un processus d’organisation désordreordre , tout en restant en parfait accord avec le second principe de la thermodynamique tel qu’il est exprimé par l’inégalité de Carnot-Clausius. On sait que ce même principe affirme aussi que l’état d’évolution le plus probable pour tout milieu isolé est l’état désordonné d’équilibre (maximum de l’entropie) et que cette propriété a souvent été invoquée en faveur d’une prétendue incompatibilité entre les lois d’évolution de la matière et celles de l’ordre biologique qui gouverne l’apparition de la vie. Les conclusions de Prigogine, et d’une façon générale l’ensemble des résultats obtenus par l’école thermodynamique de Bruxelles, ont permis d’éliminer cette incompatibilité apparente. L’interprétation nouvelle fait appel au mécanisme sous-jacent d’intervention des fluctuations. Au voisinage de l’équilibre, celles-ci disparaissent dès leur formation et peuvent donc être ignorées. Toutefois, dans la région non linéaire, certaines d’entre elles peuvent s’amplifier à proximité d’un premier état critique et, conformément à des lois stochastiques, venir perturber l’état macroscopique établi et le déstabiliser. Il en résulte un changement de branche ou bifurcation vers un nouvel état stable pouvant être plus structuré que le précédent devenu instable et, dès lors, éliminé. Des perturbations d’origine extérieure peuvent avoir le même effet. Les structures dynamiques ainsi formées sont essentiellement non isolables des contraintes extérieures imposées, ce qui détermine une distinction fondamentale avec les cristaux qui sont des structures statiques, donc d’équilibre. Comme les structures dynamiques exigent une dissipation constante d’énergie et de matière, Prigogine leur a donné le nom de structures dissipatives . Un premier exemple particulièrement édifiant par sa simplicité est celui de l’auto-organisation cellulaire de H. Bénard, lors de l’apparition de la convection libre dans une couche horizontale de fluide chauffé par le dessous. L’apparition des cellules de convection se produit à partir d’un seuil critique, c’est-à-dire d’un gradient thermique, et donc d’une activité productrice d’entropie suffisamment intense.

Mais c’est dans le domaine de la chimie que le «rôle constructif» des processus irréversibles se manifeste avec le plus de diversité: «horloge chimique» au comportement périodique dans le temps, structuration spatiale, «ondes» chimiques spatio-temporelles. Les structures dissipatives chimiques répondent à deux conditions: l’écart à l’équilibre et l’existence de relations d’intercatalyses se traduisant par le caractère non linéaire de la description cinétique. Il faut souligner que ces conditions sont éminemment satisfaites par tout système vivant. La pertinence de l’approche thermodynamique a été vérifiée notamment à propos de la glycolyse et d’autres régimes métaboliques caractérisés par une périodicité temporelle déterminée. Du point de vue de l’école de Bruxelles, la question du vivant n’est pas centrée sur l’information et son traitement (l’organisme étant considéré comme une traduction de l’information génétique) mais sur l’«auto-organisation» de la matière loin de l’équilibre. Cette auto-organisation ne constitue pas une réponse à la question de l’origine de la vie mais donne les conditions reproductibles qui rendent non miraculeuse la possibilité d’une histoire comme celle qui a dû mener de la chimie au vivant.

Les propriétés générales de l’auto-organisation loin de l’équilibre, et notamment la cohérence collective surgissant spontanément dans une population désordonnée à l’équilibre, les bifurcations où les fluctuations deviennent susceptibles de transformer le régime d’activité globale du système, et la sensibilité du système (le fait que des facteurs insignifiants à l’équilibre peuvent jouer un rôle déterminant dans les possibilités de structuration du système loin de l’équilibre) ont suscité des échos dans les domaines les plus divers. À partir des années 1980, un grand nombre de centres interdisciplinaires, se référant aux dynamiques non linéaires ou à la complexité, ont entrepris de développer ces concepts dans le domaine de l’économie, de l’écologie, des sciences sociales, etc.

Prigogine a accompagné et promu ce développement, mais a consacré l’essentiel de sa recherche à un autre problème, celui de la réouverture de la question de l’irréversibilité considérée comme close depuis l’interprétation probabiliste de l’entropie par L. Boltzmann. Pour lui, le rôle constructif joué par les processus irréversibles loin de l’équilibre constitue un argument supplémentaire décisif contre la plausibilité de la solution traditionnelle qui identifie l’irréversibilité à une simple conséquence du caractère approximatif de la définition macroscopique des systèmes.

Dès 1962, Prigogine avait publié un ouvrage fondamental Nonequilibrium Statistical Mechanics , dans lequel la théorie cinétique de Boltzmann est reprise dans le contexte d’une dynamique des corrélations. Cependant, l’ambition de Prigogine ne s’est pas limitée au domaine de la mécanique statistique. Tant la dynamique classique que la mécanique quantique semblent exclure que la «flèche du temps» ait un caractère intrinsèque. L’entreprise de Prigogine revenait donc à rien moins qu’à remettre en cause l’ambition de ces deux sciences à constituer le point de vue idéal, exhaustif, sur leur objet. Il s’agissait de démontrer que les systèmes dont le comportement observable impose la notion d’approche irréversible vers l’équilibre autorisent au niveau dynamique ou quantique des questions exactes , qui pourtant ne peuvent être formulées ni en termes de trajectoires ni en termes de fonction d’onde.

Cette entreprise a été fécondée par le développement de la dynamique des systèmes instables, qui a suivi les travaux d’A. Kolmogorov, V. Arnold et J. Moser. Les «applications chaotiques» ont fourni un champ d’expérimentation physico-mathématique éminemment plus simple que les «grands systèmes» qui sont l’objet de la théorie cinétique. Parallèlement, la question de la non-intégrabilité liée par Poincaré (1892) à l’existence de résonances entre les degrés de liberté du système désignait l’enjeu physique de cette expérimentation. Les systèmes où une approche vers l’équilibre est observable sont tous caractérisés par des résonances (au sens de Poincaré), et ils comportent de plus un nombre infini de degrés de liberté (limite thermodynamique). Il s’agissait d’aboutir à un formalisme qui permette de donner une représentation intrinsèquement probabiliste, à symétrie temporelle brisée, aux grands systèmes non intégrables, au sens de Poincaré.

Dans les années 1970, la démonstration de Prigogine impliquait encore un «principe de raison finie»: l’exclusion de toute description physique qui implique non pas une connaissance aussi précise que l’on veut mais une connaissance actuellement infinie de l’état initial du système. Dans les années 1990, Prigogine et ses collaborateurs ont incorporé de nouveaux instruments mathématiques, issus du champ contemporain de l’analyse fonctionnelle. Cette innovation physico-mathématique mène à la formulation d’une évolution probabiliste fléchée dans le temps qui peut désormais prétendre constituer une généralisation rigoureuse des lois de la dynamique et de la mécanique quantique. Les propriétés dissipatives que cette formulation permet d’attribuer au système ne sont pas liées à une approximation mais résultent du fait que la description de l’évolution physique incorpore des propriétés non locales déterminées par la topologie complexe de l’espace des phases des systèmes hautement instables (chaotiques). De ce point de vue nouveau, les «lois» usuelles, dont l’objet est le comportement individuel d’un système classique ou quantique, constitueraient seulement un cas particulier, traduisant la structure régulière de l’espace des phases des systèmes dynamiques stables.

Ilya Prigogine est professeur émérite à la faculté des sciences de l’Université libre de Bruxelles, où il a dirigé le service de chimie-physique II de 1951 à 1987. Il assume en outre, depuis 1959, la direction des Instituts internationaux de physique et de chimie, fondés par Ernest Solvay, ainsi que depuis 1967 la direction du Centre de mécanique statistique et de thermodynamique de l’université du Texas (rebaptisé Centre Prigogine en 1977) à Austin. Il est l’auteur d’un grand nombre de communications et de plusieurs monographies sur des sujets de thermodynamique et de mécanique statistique relatifs aussi bien aux états d’équilibre que de non-équilibre. Il publie aussi des ouvrages de nature philosophique et épistémologique, inspirés par ses travaux scientifiques et destinés au grand public: La Nouvelle Alliance (1979) et Entre le temps et l’éternité (1988) écrits en collaboration avec I. Stengers, Les Lois du chaos (1994).

Encyclopédie Universelle. 2012.