Tracas pour un béotien : comment accorder l'entropie thermodynamique et complexité moléculaire?

[sebdelav]

Bonjour à toutes et tous,
je suis nouveau sur ce forum et ne suis pas un grand scientifique de formation...juste curieux
une question me taraude depuis un certain temps : l'entropie (2nd principe de la thermodynamique) nous apprend, pour faire simple, que tout système tend à un accroissement du désordre au détriment de l'ordre, alors comment, dans ces conditions, la nature a pu "créer" des molécules de plus en plus complexes (et ordonnées?) au cours de l'évolution de l'univers, jusqu'à, par exemple, l'adn à partir d'une soupe pré-biotique, et donc la vie? Nest-ce pas en contradiction avec ce principe d'entropie? merci de m'éclairer
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[Amanuensis]

Bonjour, et bienvenue sur le forum,

La question est classique.

La réponse en très court est que c'est l'entropie "totale" qui augmente, ce qui n'interdit pas une diminution locale si elle est compensée par une augmentation ailleurs.

Dans le cas du vivant terrestre, l'augmentation de l'entropie prend la forme du rayonnement infra-rouge émis "vers l'espace".

Aucune contradiction, donc.

[pm42]

Nest-ce pas en contradiction avec ce principe d'entropie?

Non parce que la notion d'ordre/désordre en thermodynamique est différente de celle que tu manipules intuitivement.

En gros, c'est une mesure du nombre d'états d'un système.
Prenons un exemple simple : si je te demandes de décrire un truc sans vie, tu peux le faire en peu de mots. Par exemple, c'est un tas de sable, il est posé là, il pèse tant et il y a quelques millions de grains.
Si maintenant, je te demande de décrire un chien, c'est beaucoup plus compliqué : il peut se déplacer, il fait des échanges chimiques en respirant, il digère ce qu'il a mangé, il a un cerveau qui fait plein d'échanges entre neurones...
Pour le décrire complètement, tu as besoin d'énormément de phrases pour que je puisse tout savoir dessus.

Donc ce qui peut te sembler plus "ordonné", le chien comparé au tas de sable est en fait plus "désordonnée" du point de vue "nombre d'états possibles".

C'est juste une image, pas forcément 100% rigoureuse mais c'est pour te donner une idée.

[Deedee81]

Salut,

EDIT Désolé pm42, on s'est croisé.

Bienvenue sur Futura.Rappelons aussi que "entropie" n'est pas vraiment synonyme de désordre, ou alors pas n'importe comment.

Prenons la définition statistique qui est assez simple à comprendre je pense.

Si tu prends un système macroscopique quelconque : un morceau de métal par exemple.
Ce système va être décrit par divers paramètres macroscopiques : volume, température, pression, énergie totale, etc....

Mais il a aussi une structure microscopique : il est composé d'atomes, de molécules,... Pouvant se trouver dans de nombreuses configurations.
Soit N le nombre de configurations microscopiques possibles avec la même configuration macroscopique.
Alors l'entropie c'est juste N
(en fait le logarithme et le tout multiplié par la constante de Boltzmann. Le logarithme c'est surtout pour rendre la grandeur additive).

On voit que c'est fort éloigné de la notion de désordre. Même s'il y a un lien (une molécule a moins d'entropie que les atomes séparés, car il y a une contrainte : il faut que les atomes soient liés. N diminue). Mais il y a bien sûr la remarque d'Amanuensis. C'est l'entropie totale qui compte.

[A voir en vidéo sur Futura]

[pm42]

EDIT Désolé pm42, on s'est croisé.

Pas de quoi être désolé : expliquer la même chose de 2 façons différentes enrichit la réponse je trouve.

[illusionoflogic]

Bonjour,

Mais il y a bien sûr la remarque d'Amanuensis. C'est l'entropie totale qui compte.

Il manque les "" ; qui sont très important, le total renvoyant aux définitions d'un système thermodynamique, qui peuvent en apparence se contredire ...

est en fait plus "désordonnée" du point de vue "nombre d'états possibles".

Justement, ici j'ai l'impression "qu'une maison construite" est qualifiée de + désordonnée qu'un tas de briques, (si je jette une dynamite sur la maison => tas de briques ; pourtant explosif + tas de briques ne donne pas "maison", l'entropie relative a augmentée pour la tranformation "destruction" et "diminuée" localement pour la "construction" de la maison <=> théorème de conservation de l'information ?). Je pense bien qu'il faille faire la distinction (?) avec entropie informative (virtualisation ?) ; pour "le système humain" une "maison" renvoie à un objet construit dont on peut se faire une idée synthétique, car "la def" faisant partie du dit "système".
A l'inverse, de ce que tu présentes, moins c'est lié et plus il y a de N combinaisons possibles ... ce qui donne accessoirement une marge de manoeuvre (plus c'est précis, moins on en a ...) ... par contre plus c'est lié et plus le N combinaisons possibles pour "décrire" "le" "système" devient grand, ses "propriétés" qui influence sur son état.

c'est l'entropie "totale"

C'est étonnant de se dire que c'est construit (l'entropie) de façon à satisfaire, nos observables ... toujours vers le macro ou à partir de celui-ci (par "transformation" du facteur d'echelle(s) ?) ... et pas l'inverse (ici macro est plutôt du style à échelle/dimension humaine, un peu d'anthropocentrisme ?) ... d'où le lien d'irréversibilité dans les transformations, et la flèche du temps ... en fait ne sommes-nous pas des "diablotins de Maxwell"
En quelque sorte ?

Aucune contradiction, donc.

Non, bien sûr, mais pour se mettre d'accord, c'est le chaos ...

Et puis je réponds uniquement parce que pm42 dit presque :

expliquer la même chose de N façons différentes enrichit la réponse je trouve.

J'ai juste ajouté une façon

PS : Désolé je peux préciser, un peu, mais ça serait contreproductif

[Deedee81]

Il manque les "" ; qui sont très important, le total renvoyant aux définitions d'un système thermodynamique, qui peuvent en apparence se contredire ...

Si ce n'est qu'en apparence, où est le problème ????

En plus, je ne vois pas de contradiction dans "entropie totale", même en apparence. La définition d'entropie est très claire.

Justement, ici j'ai l'impression [....]

Respire quand tu écrits. Ce passage est incompréhensible.

d'où le lien d'irréversibilité dans les transformations, et la flèche du temps

En effet.

J'ai juste ajouté une façon

Avec un message à entropie élevée ?

[sebdelav]

merci pour vos réponses...je vais essayer de me débrouiller avec ça...qq remarques cependant pour m'aider encore un peu : la notion d'entropie "totale" me semble claire (un peu comme si on dit, par exemple que l'univers en expansion refroidi globalement, ce qui n'empêche pas qu'il peut se réchauffer localement et former une étoile ou autre chose) mais elle induit que localement l'entropie diminue, ce que j'ai du mal à comprendre...n'est ce qu'une question de statistiques et de temps? cela veut-il dire que, pour peu que j'ai du temps (beaucoup...) et que je puisse mener l’expérience un (très) grand nombre de fois, un amas de tous les composants d'un Rafale ont une chances de s'assembler seuls pour former un appareil viable (que je pourrais vendre au Qatar)? je sais je suis de le macro, mais quand même, ça me chiffonne, tout ça... et une molécule d'adn est bien plus complexe qu'un Rafale... la flèche du temps semble interdire ou du moins rendre quasi-improbable qu'une telle chose arrive...

[Amanuensis]

merci pour vos réponses...je vais essayer de me débrouiller avec ça...qq remarques cependant pour m'aider encore un peu : la notion d'entropie "totale" me semble claire (un peu comme si on dit, par exemple que l'univers en expansion refroidi globalement, ce qui n'empêche pas qu'il peut se réchauffer localement et former une étoile ou autre chose) mais elle induit que localement l'entropie diminue, ce que j'ai du mal à comprendre...n'est ce qu'une question de statistiques et de temps?

Non. L'entropie est mieux comprise en termes de déséquilibre: d'une situation loin de l'équilibre, le système évolue vers l'équilibre et ce faisant l'entropie augmente.

Dans le cas de la vie sur Terre, le déséquilibre est celui de l'intérieur du Soleil: l'hydrogène à très très haute température n'est pas à l'équilibre, il "préfère" se transformer en hélium (et plus). Les réactions libèrent de l'énergie (et augmentent l'entropie) ce qui se traduit par un déséquilibre de rayonnement: l'étoile rayonne vers 6000 K vers le cosmos.

Ensuite, la Terre interceptant ce rayonnement l'absorbe et sa surface est en déséquilibre thermique avec le fond du ciel noir (qui est à 3K). La Terre agit comme un "créateur d'entropie" en transformant le rayonnement solaire d'abord en énergie thermique vers 300 K (à la surface), puis en rayonnement infra-rouge à une température un peu plus faible. On peut voir cela en termes de nombre de photons: pour un qui arrive du Soleil, une vingtaine va repartir dans toutes les directions.

Le vivant profite de cette énergie à 6000 K pour se structurer ("gagner de l'entropie") via la photosynthèse. En fait, il n'en gagne que par rapport à son environnement, qui est à température plus basse (300 K).

D'une certaine manière le vivant se structure non pas en générant de l'entropie, mais en utilisant la faible entropie du rayonnement solaire et en retardant sa transformation (inéluctable) en rayonnement à 250 K vers le cosmos.

Bref, c'est local. Pas une question de temps, juste d'un îlot de fort déséquilibre, qui est le Soleil.

[Amanuensis]

et une molécule d'adn est bien plus complexe qu'un Rafale...

Pas évident...

la flèche du temps semble interdire ou du moins rendre quasi-improbable qu'une telle chose arrive...

Cela ne pourrait pas arriver en situation d'équilibre. Le vivant est hors équilibre, et se maintient tel parce que l'énergie solaire est elle-même hors équilibre.

Un non-équilibre peut créer une autre forme de non-équilibre. Tout ce qui est demandé par la "flèche du temps", c'est que la série des non-équilibres en cascade procède toujours vers plus d'équilibre, ce qui se traduit par plus d'entropie.

Si on arrêtait le Soleil, la "source" de non-équilibre disparaissant, la flèche du temps amènerait le vivant vers l'équilibre thermo-chimique, et il ne serait plus vivant.

[pm42]

cela veut-il dire que, pour peu que j'ai du temps (beaucoup...) et que je puisse mener l’expérience un (très) grand nombre de fois, un amas de tous les composants d'un Rafale ont une chances de s'assembler seuls pour former un appareil viable (que je pourrais vendre au Qatar)?

Dans certaines conditions, oui et cela va même se produire forcément. Voir https://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%..._Poincar%C3%A9
Après, cela peut prendre en moyenne beaucoup plus que l'age de l'Univers et même que sa durée de vie prévisible...

Sinon, juste pour dire que je ne comprends pas un mot de ce qu'écrit Amanuensis et que donc je suis perplexe sur la validité de ses explications.

[illusionoflogic]

Si ce n'est qu'en apparence, où est le problème ????

J'ai pas dit qu'il y avait Pb, ... enfin pas là (pour moi en tout cas), j'essayais seulement de répondre à la 1ere question en m'appuyant sur les contributions faites :

En plus, je ne vois pas de contradiction dans "entropie totale", même en apparence. La définition d'entropie est très claire.

Bin justement, pas pour moi (?) (d'où cette définition personnel de entropie relative, c'est bien une question de définition (et d'application, je veux dire de mesures corrélées directes), si je dois considérer, à chaque "transformation irréversibles" une extension "moins locale" du système considéré ... où que je la cherche ? On dit (je trouve bêtement ) qu'on augmente l'entropie globale ou totale de l'univers ... au moins observable (ce qu'on peut encore touché du doigt ) ... alors l'Univers c'est quoi ... no limit ... border line ? Infini sans bord ? Le temps n'est pas sensé se figer totalement (un jour comme ça !) ? En + même la RG ne définit que ce qui est locale (même si c'est déjà beaucoup) alors on se pro-jette dans tout l'univers ou même les univers comme ça ... par ce que (on le vaut bien ) ... ça se calcule l'entropie de "l'univers" ? ... sans rien savoir de son volume ? ... sa topologie & surtout a-t-on des télescopes dédiés à la mesure de l'entropie (j'ai presque envie de faire une pauv blague genre pi en trop ) TOTALE (oui oui les raffineries ) !

Respire quand tu écrits. Ce passage est incompréhensible.

Peut être, j'essayais de comprendre ce satané #}=$ù$^ grrr foutu théorème de conservation de l'information (quantique et les histoire de non localité/séparabilité et indiscernabilité, au moins les mettre dans l'ordre ) qu'on balance à la sauce Totalunivers (et au trou noir accessoirement ) ; la thermo au départ c'est les machines à vapeurs, puis la chimie, puis la biologie ... mais l'astrophysique (heu c'est moi qui saute du coq à l'âne non je tire ça de ce que je lis, et oui pour la question du primo ... quoique ...)

Es-tu d'accord si je remplace maison par chien ? On a chien + beaucoup de calorie => chien vaporisé/grillé ... mais chien vaporisé/grillé + calorie c'est sûr ça ne fait pas un chien ... donc l'entropie à augmentée, c'est qu'il y a + de N (ça va pour le moment ?)

Pourtant d'après pm42, si je comprends ce qu'il dit (?) ... le chien (en lui même) est fortement entropique, puisqu'il a + de configuration disponible ... ce qui doit pouvoir se mettre à la sauce "irréversible" (j'ai le droit ?).

Donc on voit bien qu'il y a maintient de l'entropie et de la description qu'on se fait des microconfigurations et surtout de ce que ça donne ... (pour l'explosif&la maison, c'est facile ... ça a des répercussions dans l'environnement "immédiat") mais le chien en lui même dans la maison (les fameuses "structures" dissipatives) ... on fait les épluchures d'oignons (je crois que je vais pleurer ) ... bon on aura compris que ça va loin et même très (ou trop loin, selon les goûts).

Ce qui me fait dire ça c'est cette "localité apparente" du "système" inclu dans le "système" que ce soit en MQ (Pb de non localité, etc ...) ou en RG (Pb de définition de l'énergie totale, forcément, et ne pas me dire que c'est résolu). Sans parler que les propriétés que l'on attribue à n'importe quel(s) système(s) (arbitraire(s)) doivent tenir compte de toutes les "émergences possibles" ... comment faire le tri ? (d'où le clin d'oeil aux démons de Maxwell-Laplace) Parce que tôt ou tard, on finit par trouvé (enfin jusque là) !

Voilà, je veux simplement dire que l'entropie augmente selon nos envies, il suffit pour ça de définir un métasystème (mettez tout et n'importe quoi ici, vu que c'est de la virtualisation imaginaire souvent relayée par le net) toujours grandissant par un nombre entier !

Et là je sèche ...

Avec un message à entropie élevée ?

Je te laisse en juger

PS : oups j'ai trainé

[sebdelav]

ok...merci... (illusionoflogig, je comprends rien à ce que tu dis, mais c'est pas grave, tu ne t'adressais pas à moi)
Sinon, voir l'entropie comme équilibre/déséquilibre plutôt que désordre/ordre, ok mais alors si le chien est plus "équilibré" que le tas de sable (ou la maison, je sais plus...), pourquoi meure-t-il? l'équilibre semblerait plutôt résider dans les poussières de son cadavre, même avec des conditions soleil/terre inchangées...y'a qqchose qui cloche la dedans...

[Amanuensis]

ok...merci... (illusionoflogig, je comprends rien à ce que tu dis, mais c'est pas grave, tu ne t'adressais pas à moi)
Sinon, voir l'entropie comme équilibre/déséquilibre plutôt que désordre/ordre, ok mais alors si le chien est plus "équilibré" que le tas de sable.

C'est le contraire: le chien est en fort déséquilibre (par rapport à son environnement): plus chaud, molécules instables, agression du dioxygène, perte d'eau (l'air n'est pas saturé), etc.

l'équilibre semblerait plutôt résider dans les poussières de son cadavre

Oui

même avec des conditions soleil/terre inchangées...

Le chien reste en vie parce qu'il mange et respire, obtenant ainsi de l'énergie "à basse entropie", dont l'origine est les plantes et en remontant la photosynthèse et le Soleil.

Si le chien s'arrête de respirer cinq minutes, il ne peut plus se maintenir en déséqulibre, et donc va évoluer vers l'équilibre, qui est la poussière (en raccourci).

Les êtres vivants sont des systèmes en déséquilibre qui font ce qu'il faut pour se maintenir en déséquilibre.

---

Avant de penser en termes d'entropie, faut penser en termes de déséquilibre, et remonter à la source de déséquilibre qui est le Soleil. (On peut remonter plus loin, mais déjà comprendre la chaîne Soleil en déséquilibre -> êtres vivants se maintenant en déséquilibre est utile.)

L'augmentation d'entropie n'est "que" la marche inexorable vers l'équilibre, la disparition des déséquilibres locaux.

[illusionoflogic]

Ah, ça va être difficile,


J'assume, je suis hors concours

@sebdelav : c'est pas grave, tu peux passer outre et tu le dis si j'ai "saccagé" ton sujet (mais je suis là dessus depuis des lustres et j'arrive pas à cerner tout ce que ça implique ... et je n'y arriverai jamais, mais tu peux rechercher "structure dissipative" ou "thermodynamique hors équilibre" et "entropie de Shannon" sur le wiki anglais (si ça te gêne, regarde en français et suis les liens donnés de celui anglais, et voir si tu trouves en français les références, enfin moi je fais comme ça), je m'arrête là pour aujourd'hui, pas de problème.

[phuphus]

Bonjour,

Dans certaines conditions, oui et cela va même se produire forcément. Voir https://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%..._Poincar%C3%A9

Le démontage d'un rafale n'est pas "conservatif".

cela veut-il dire que, pour peu que j'ai du temps (beaucoup...) et que je puisse mener l’expérience un (très) grand nombre de fois, un amas de tous les composants d'un Rafale ont une chances de s'assembler seuls pour former un appareil viable (que je pourrais vendre au Qatar)? je sais je suis de le macro, mais quand même, ça me chiffonne, tout ça... et une molécule d'adn est bien plus complexe qu'un Rafale... la flèche du temps semble interdire ou du moins rendre quasi-improbable qu'une telle chose arrive...

Comme l'a écrit Deedee, une molécule a moins d'entropie que ses constituants séparés : un Rafale a moins d'entropie que ses constituants séparés. Je pense qu'il y a donc un contresens ici.

Au delà de ce contresens, cet arguments est un classique des créationnistes (je n'affirme pas que ce sont tes intentions : je fais juste la remarque que l'image que tu emploies existe par ailleurs), avec un oubli de taille : la sélection naturelle. Donc si tu as une source d'énergie externe et que tu es capable de filtrer étape par étape les assemblages aléatoires produits par ton expérience, alors il y a une probabilité particulièrement forte que tu arrives à un mécanisme fonctionnel. Pour que ce mécanisme vole, il faut en plus orienter ton filtre assez tôt dans le processus de sélection, ou bien en effet faire un grand nombre d'essais (mais toujours avec des filtres).

Le fait de sélectionner fera la différence, dans ton expérience, entre l'obtention d'un assemblage fonctionnel ou non. Si en plus la sélection est orientée, cela raccourcira l'expérience (il n'y a qu'à voir le fossé apparent entre un yorkshire et un dogue allemand en quelques milliers d'années de sélection dirigée par l'homme).

Quant à la complexité, un rafale est compliqué, mais pas complexe : il peut être compris à la lumière du réductionnisme (en le décomposant en sous-systèmes simples). Si cela n'était pas le cas, nous n'aurions pas pu le concevoir. Une molécule d'ADN isolée est compliquée, mais pas forcément plus qu'un rafale. Par contre, l'ADN dans son ensemble est complexe, dans le sens où les effets de l'ADN ne peuvent pas être compris en regardant simplement sa constitution (dit de manière plus large : la vie ne se pense pas en termes réductionnistes).

[phuphus]

Bonjour,

oSinon, voir l'entropie comme équilibre/déséquilibre plutôt que désordre/ordre, ok mais alors si le chien est plus "équilibré" que le tas de sable (ou la maison, je sais plus...), pourquoi meure-t-il?

Parce qu'il est là ici et maintenant.

Nous vivons dans un monde où la vie a déjà pas mal évolué. Donc toute forme de vie sur terre est "évoluée". La mort fait partie du processus d'évolution, et un organisme vivant immortel qui évoluerait par mutations locales serait très vite supplanté par ses homologues mortels, qui à chaque génération peuvent pleinement (et non localement) profiter des mutations antérieures, filtrées par la sélection naturelle. Donc si le chien existe dans un environnement "évolué", c'est bien parce qu'il est mortel. (réflexion personnelle : j'estime qu'on tient là un des rares "pourquoi" auquel la science peut répondre...).

Je me permets de répondre à côté car je pense que la réponse à la question du titre a été donnée, et que si tu bloques sur le paradoxe apparent de l'entropie, de la complexité moléculaire et de la vie c'est que ton questionnement initial n'est pas complet : j'élargis donc le sujet.

[sebdelav]

ok, on est d'accord, le chien n'est pas à l'équilibre...pm42 m'avait mis le doute ("Donc ce qui peut te sembler plus "ordonné", le chien comparé au tas de sable est en fait plus "désordonnée" du point de vue "nombre d'états possibles".)...juste une incompréhension des termes...cela pouvait laisser supposer le contraire...
donc je vais resté pour l'instant sur cette notion d'équilibre/déséquilibre....merci
@phuphus: aucune chance que je sois créationniste...encore moins de chance que pour mon histoire de Rafale... les thèses sur les petits hommes verts qui nous auraient aidés, ne me satisferaient pas non plus (je me poserais alors les mêmes questions à leurs sujet)... Je me pose juste des questions et cette histoire d'entropie me tracassait et me semblait paradoxale ou pour le moins être une énorme embuche supplémentaire pour l'évolution, notamment à ses tout débuts...

[sebdelav]

ok, on est d'accord, le chien n'est pas à l'équilibre...pm42 m'avait mis le doute ("Donc ce qui peut te sembler plus "ordonné", le chien comparé au tas de sable est en fait plus "désordonnée" du point de vue "nombre d'états possibles".)...juste une incompréhension des termes...cela pouvait laisser supposer le contraire...
donc je vais resté pour l'instant sur cette notion d'équilibre/déséquilibre....merci
@phuphus: aucune chance que je sois créationniste...encore moins de chance que pour mon histoire de Rafale... les thèses sur les petits hommes verts qui nous auraient aidés, ne me satisferaient pas non plus (je me poserais alors les mêmes questions à leurs sujet)... "Comme l'a écrit Deedee, une molécule a moins d'entropie que ses constituants séparés : un Rafale a moins d'entropie que ses constituants séparés. Je pense qu'il y a donc un contresens ici" : je ne vois pas de contresens, l'adn a moins d'entropie que ses constituants non plus...
Enfin bon, je me pose juste des questions et cette histoire d'entropie me tracassait et me semblait paradoxale ou pour le moins être une énorme embuche supplémentaire pour l'évolution, notamment à ses tout débuts...

[sebdelav]

(désolé pour le bug...j'ai juste voulu modifié mon msg, mais il a gardé le premier..)

[maxwellien]

Bonjour, les configurations moléculaires d'un système thermodynamique à l'équilibre correspondent aux configurations les plus probables.
En refaisant maintes fois la même transformation thermodynamique on obtiendra aux erreurs expérimentales près des équilibres presque identiques.
L'entropie quantifie directement le nombre d'États d'équilibres réalisables (si statistiquement tel état d'équilibre se produit souvent alors leur nombre augmente et et par conséquent l'entropie).Donc finalement ce sont toujours les même s choses qui arrivent selon les contraintes thermodynamiques imposées, on comprend alors le rôle du temps et des contraintes du systéme sur l'évolution en biologie puisque les situations exceptionnelle ne se réalisent presque jamais.