La curiosité, malgré le désordre

Les lois de la thermodynamique expliquées par notre chroniqueur, ou pourquoi vous ne verrez plus jamais votre tasse de café du même œil.

Photo : Antoine Bordeleau pour L'actualité

Seul dans mon petit appartement miteux d’une pièce et demie au centre-ville de Montréal, en ce mois de mars 2000, je plonge dans mes manuels en vue des examens qui approchent. On est dans cette brève période, entre hiver et printemps, où les Québécois se ruent vers les terrasses dès que la température se hisse au-dessus de 0 °C. Ma porte-fenêtre est entrouverte, même si je dois porter des bas de laine et m’enrouler dans une douillette. Je me prépare pour une nuit blanche.

J’étudie en vue de l’examen final d’un cours portant sur une branche de la physique qui non seulement a piqué ma curiosité, mais m’a profondément bouleversé : la thermodynamique. 

L’énergie totale de tout processus est conservée, c’est le principe de la première loi de la thermodynamique. On ne peut pas créer ou détruire de l’énergie. L’Univers est ainsi fait. Cette loi n’a rien de démocratique, nous n’en sommes que les sujets. 

Quelques semaines plus tôt, le professeur nous a décrit ce scénario tout simple : imaginez une chambre fermée dont la température est stable. Vous entrez dans la chambre, déposez une tasse de café bien chaud sur une table, puis vous sortez pour observer le phénomène de l’extérieur. Que va-t-il se passer ?

La réponse est à la fois bête et intuitive : le café chaud va se refroidir et transférer sa chaleur à l’air frais de la chambre. Lorsque le café et l’air ambiant auront atteint la même température, il y aura équilibre thermique. L’énergie totale sera-t-elle alors conservée ? Oui. La chaleur excessive du café aura été transférée à l’air de la chambre. L’énergie totale initiale sera égale à l’énergie finale. 

Maintenant, imaginez ce même scénario, à une exception près : quand vous quittez la chambre, le café déjà chaud soutire de l’énergie thermique à l’air ambiant de la chambre qui, elle, se refroidit. Le café se réchauffe jusqu’à se mettre à bouillir, alors que du givre s’accumule sur les murs devenus glacés.

Est-ce possible ? Techniquement, la loi de la conservation de l’énergie serait respectée : la chaleur perdue par la chambre serait gagnée par le café. Énergie initiale = énergie finale. Mais ce scénario semble invraisemblable, donc… qu’est-ce qui cloche ?

C’est ici qu’entre en scène la deuxième loi de la thermodynamique : l’entropie totale d’un système (la mesure du désordre de son énergie) augmente tout le temps. Autrement dit, l’énergie va toujours chercher à se dissiper, et non à se concentrer. Cette loi explique des phénomènes aussi extraordinaires que la naissance et la mort des étoiles, et aussi anodins que la climatisation de votre maison. Elle décrit également merveilleusement bien le cycle de la vie : notre corps boit, mange, respire, se renouvelle sans cesse pour combattre ce désordre. Toute cette énergie qui nous alimente vient du Soleil, puis elle est absorbée, transformée et retransformée jusqu’à ce qu’elle se dissipe et soit inutilisable. C’est une loi tellement fondamentale que beaucoup de scientifiques lui ont même accolé l’étiquette de « flèche du temps ». C’est la ligne qui joint le passé au futur. Elle est strictement irréversible.

Pouvons-nous prévoir le destin de l’Univers à l’aide de cette loi ? En supposant que l’expansion de l’Univers continue — les astrophysiciens pensent même que cette expansion serait en accélération —, les galaxies de l’Univers s’éloigneront les unes des autres vers l’infini, jusqu’à ce que le ciel ne soit rempli que de noirceur et d’un rayonnement extrêmement diffus et inutilisable. À tour de rôle, les étoiles au sein des galaxies mourront en laissant des résidus derrière : naines blanches, étoiles à neutrons, trous noirs. Ce cycle continuera jusqu’à ce que les galaxies soient pleines de cadavres stellaires de moins en moins chauds, lumineux et actifs. Puis ce sera la fin, le Big Chill. Le Grand Froid. L’énergie se conservera toujours, mais se dissipera dans un désordre sans cesse grandissant.

Je lève les yeux de mon manuel, le cou et l’esprit un peu engourdis. Je regarde ma tasse de thé du coin de l’œil. Plus aucune vapeur ne s’en échappe. Elle a augmenté le désordre de ma chambre. C’est ainsi que j’ai la certitude que le temps s’est bel et bien écoulé. C’est bouleversant. 

Albert Einstein a écrit que l’aspect le plus incompréhensible de l’Univers était le fait qu’il était compréhensible. C’est vrai dans la mesure où l’humanité cultive la curiosité chez les jeunes, et ce, à chaque génération. Or, la soif d’apprendre n’est pas nécessairement innée : j’ai moi-même eu besoin de plusieurs profs passionnés qui m’ont poussé dans le dos. C’est grâce à eux que ma curiosité a finalement été piquée.

Quand je repense à ces années à l’université, je comprends pourquoi je suis devenu prof. La curiosité, c’est contagieux. Et je voulais la transmettre à la prochaine génération, malgré tout ce désordre.

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