Le rendement de Carnot d’une société


Par François Roddier – Le 6 mai 2018 – Source francois-roddier.fr

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Le lecteur assidu de ce blog devrait être maintenant convaincu qu’une société humaine est une structure dissipative : elle s’auto-organise pour dissiper de l’énergie. Le second principe de la thermodynamique impose qu’elle décrive des cycles appelés cycles de Carnot entre une source chaude de température absolue T1 et une source froide de température absolue T2. Dans le cas d’une machine à vapeur, Carnot a montré que son rendement est limité. Sa valeur maximale est donnée par l’expression (T1 -T2)/T1. Plus la différence de température est grande, plus le rendement de Carnot est élevé.

Qu’en est-il d’une société humaine ? Nous avons identifié ses cycles avec les cycles économiques et les cycles historiques de Turchin et Nefedov. Qu’en est-il de sa température ? Par analogie avec les fluides, nous avons défini la température d’une économie comme étant l’énergie dissipée par unité monétaire. On peut, de même, définir la température d’une société comme étant l’énergie qu’elle dissipe par bit d’information mémorisée. Dans ce qui suit, nous supposerons fixe le coût de l’énergie. C’est ce qui se passe si on indexe la monnaie sur l’énergie disponible, ce qu’il faudrait faire pour une monnaie internationale comme l’Euro. On peut alors mesurer l’énergie en Euros (son coût) et examiner le rôle de l’information autre que monétaire.

Dans mon exposé à l’école des mines (diapo 11), j’ai montré qu’un réseau neuronal tel qu’une société humaine reçoit de l’énergie de sa source chaude et de l’information de sa source froide. Cela signifie que la température de la source chaude peut s’exprimer en Euros d’énergie fournie par bits d’information mémorisée. Celle de la source froide est mesurée en Euros dépensés par bit d’information reçue. Dans les deux cas, elle est mesurée en Euro/bit.

Pour un débit d’énergie donné (mesuré en Euros par an), moins la source chaude nécessite d’information mémorisée, plus sa température est élevée. Cela favorise les sources d’énergies « low tech » 1. Le développement et la maintenance d’une centrale nucléaire requiert beaucoup de technicité (beaucoup de bits d’information par Euro d’énergie fournie), ce qui réduit la « température de cette source chaude » (moins d’Euro d’énergie par bit d’information). De ce point de vue les éoliennes sont mieux placées parce que moins complexes. Elles produisent plus d’Euros d’énergie par bit d’information mémorisée. Leur « température » est donc plus élevée.

De même, plus la source froide fournit d’information à faible coût, plus sa température est basse. Dans ce cas le problème est celui du coût de l’éducation. Plus le coût de l’éducation est faible plus la température de la source froide est basse (peu d’Euros/bits). En résumé, le rendement de Carnot d’une société peut s’écrire :

r = (coût de maintenance – coût de développement)/coût de maintenance

ou, si on se limite au personnel :

r = (salaires – coût de l’éducation)/salaires

Ce rendement tend vers zéro lorsque le salaire d’un jeune employé lui permet tout juste de rembourser ses études.

Dans son livre L’effondrement des sociétés complexes [2; éditions : le Retour aux Sources, 2013], l’anthropologue américain Joseph Tainter montre que plus une société devient complexe plus elle a tendance à s’effondrer. On comprend maintenant mieux pourquoi. La complexité de ses sources d’énergie diminue la « température » de sa source chaude (trop de bits d’information par Euro d’énergie fournie) tandis que la complexité de son éducation augmente son coût, donc la « température » de sa source froide (trop d’Euro par bit d’information enseignée). Ainsi, plus une société devient complexe, plus son rendement de Carnot diminue.

Le travail de Joseph Tainter montre que c’est la cause essentielle de l’effondrement des sociétés. Il nous invite à reconstruire une société moins complexe, dotée d’un système éducatif à la fois plus performant et moins onéreux.

Note du Saker Francophone

Nous vous proposons un second texte qui est la suite de ce premier texte, intitulé Le coût du progrès scientifique et technique.

À la section 2.5 de mon livre Thermodynamique de l’évolution (bas de la page 36), j’ai écrit que les sociétés humaines « s’auto-organisent en formant un cerveau global capable de mémoriser toujours plus d’information. Cette information leur permet de dissiper de plus en plus d’énergie. C’est ce que nous appelons le progrès scientifique et technique ».

Dans mon récent exposé à l’école des mines, j’ai dit qu’un réseau neuronal reçoit de l’information de sa source froide : c’est le cas du cerveau global que forme notre société. Dans mon précédent billet j’ai montré que la température de cette source froide peut s’exprimer en Euros dépensés par bits d’information mémorisée. Cela soulève le problème du coût de la recherche scientifique. Plus ce coût est important, plus la température de notre source d’information est élevée et plus le rendement de Carnot de notre société est bas. Mon précédent billet suggère que les sociétés humaines s’effondrent lorsque leur rendement de Carnot est trop bas. Cela me donne l’occasion d’évoquer ici quelques traits de ma carrière scientifique personnelle.

J’ai débuté ma carrière scientifique sous la direction de Jacques Blamont, un des pères de la recherche spatiale en France. Tandis que les chercheurs de son laboratoire montaient leurs expériences sur des ballons ou des fusées, j’ai préféré étudier le soleil depuis le sol. J’ai monté ma propre expérience derrière la lentille de 25 cm de diamètre qui équipait le petit sidérostat de l’Observatoire de Marseille au centre ville. Quatre ans plus tard, j’avais des résultats publiables, tandis que les ballons de mes camarades éclataient en vol ou que leurs fusées s’écrasaient au sol. C’était une époque héroïque, où l’on payait déjà cher le coût de la complexité.

Après avoir créé le laboratoire d’astrophysique de l’université de Nice ou nous avons développé l’héliosismologie, je suis parti aux États-Unis pour y développer l’optique adaptative. Celle-ci permet de compenser les effets optiques de la turbulence atmosphérique et de concurrencer, au moins partiellement, l’observation dans l’espace. C’était l’époque où le télescope spatial Hubble a été lancé. On s’est alors aperçu qu’il ne marchait pas. Une erreur avait été faite produisant ce qu’on appelle une aberration de sphéricité. Il était de plus mal aligné. Il a fallu construire et installer en orbite une optique correctrice. Mon équipe a été parmi celles qui ont déterminé les corrections à faire.

L’optique adaptative nous a permis de voir en infra-rouge ce que le télescope Hubble voyait dans le visible. Parfois nous avons eu la primeur d’une découverte, confirmée ensuite par Hubble, comme l’anneau autour de l’étoile GG Tau dont l’image est en tête de ce blog. Le plus souvent nous n’avons fait que détecter en infra-rouge ce que le télescope spatial voyait déjà dans le visible. C’est le cas par exemple de l’anneau de Neptune et de son satellite Protée. Dans certains cas, l’observation en infra-rouge nous a donné un avantage décisif : nos images infra-rouge des nuages de Neptune ont été affichées dans les couloirs de la NSF qui concurrençait ainsi la NASA.

Il n’est pas question de dénier ici les apports de la recherche spatiale. Ils sont sans commune mesure avec ce que nous avons pu faire au sol. Mais si vous divisez cet apport, mesuré en bits d’information publiées, par le coût de la mise en orbite suivie de la réparation d’un télescope dans l’espace, alors la recherche spatiale risque de faire triste figure. Si vous pensez maintenant au 800 millions d’individus qui souffrent toujours de la faim dans le monde, en quoi a t’on amélioré leur sort ? Les scientifiques n’ont-ils pas une part de responsabilité ?

Je n’ai décrit ici que le domaine de recherche que je connais pour y avoir participé. Il est facile d’imaginer qu’il en est de même de la recherche nucléaire. Je ne parle pas seulement des recherches sur la fission mais aussi de celles sur la fusion menée dans le sud de la France, notre pays s’étant spécialisé dans ce domaine. A t’on jamais essayé de mesurer leur coût en bits d’information utile par Euro d’argent dépensé?

Sylvestre Huet a introduit les exposés présentés à l’école des mines (billet 120) en se moquant du grand public qui pense que les usines nucléaires produisent des gaz à effet de serre. Cela montre en effet l’état de l’éducation en France : le nombre d’Euros dépensé par bit d’information assimilée confirme que notre société a bien un problème de source froide. Mais ce n’est pas ce que Huet voulait dire. Pour lui notre société a un problème de source chaude, notre source d’énergie, et le nucléaire est la solution. Seulement, voilà : le public n’en veut pas.

De même que chacun d’entre nous a un inconscient, le cerveau global de notre société a un inconscient collectif. Le psychiatre Carl Gustav Jung l’a très bien montré. Lorsqu’on parle de nucléaire, cet inconscient collectif lui associe aussitôt des mots comme Hiroshima, Nagasaki, Tchernobyl ou Fukushima et il n’en veut pas. Autrement dit, il remet en question le progrès scientifique et technique. Cet inconscient nous dit que nos problèmes de société sont liés au progrès scientifique et technique et doute qu’on puisse résoudre ces problèmes par encore plus de progrès. Mon expérience personnelle du financement de la recherche scientifique et technique me dit que cet inconscient a raison.

Joseph Tainter le confirme : les sociétés humaines s’effondrent par excès de prouesses techniques. La civilisation de l’île de Pâques a survécu à l’éradication de tous ses arbres, mais elle s’est effondrée pour avoir érigé des statues aussi impressionnantes qu’inutiles. Notre civilisation survivra aussi bien à la fin du pétrole qu’au réchauffement climatique ; mais elle s’effondrera pour avoir voulu la lune, un astre mort, sans utilité pour elle. Les civilisations s’effondrent lorsque le coût qu’elles payent pour l’information scientifique et technique devient trop élevé. Leur rendement de Carnot descend alors trop bas. Des civilisations ayant un meilleur rendement les remplacent.

Note du Saker Francophone

Nous vous proposons aussi le 3ème texte de cette série qui est la suite des deux autres, intitulé "L’efficience et la résilience".

Nous avons vu que les sociétés humaines évoluent suivant des cycles de transformations au cours desquels elles mémorisent de l’information qui leur permet d’améliorer leur bien être en dissipant davantage d’énergie. C’est le progrès scientifique et technique. Dans la 1ère partie de l’article, j’ai montré que ce processus a un rendement analogue au rendement de Carnot d’une machine thermique. Il est d’autant plus grand que l’accroissement d’énergie dissipée par bit d’information mémorisée est élevé. Ce rapport mesure le progrès dit technique. Il exprime la température de sa « source chaude ».

Mais plus une société dissipe de l’énergie, plus elle fait évoluer son environnement. Elle ne peut se maintenir qu’en mémorisant constamment de l’information nouvelle. Elle le fait grâce à la recherche dite fondamentale. L’énergie requise par bit d’information nouvelle supplémentaire représente la température de sa source froide. Plus celle-ci croît, plus le rendement de Carnot de la société décroît. Pour maintenir un bon rendement de Carnot, une société doit développer sa recherche fondamentale tout en évitant de dissiper trop d’énergie, c’est-à-dire en limitant ses développements techniques aux besoins fondamentaux: ceux qui améliorent le bien-être de chacun.

Pour les lecteurs qui trouve ce raisonnement trop abstrait, j’ai décrit mon expérience personnelle dans la 2ème partie. Bien qu’ayant effectué mes recherches au sol, j’ai toujours été en contact étroit avec la recherche spatiale, et j’ai montré à quel point je trouvais le coût de cette recherche excessivement élevé. D’autres lecteurs trouveront cette approche trop personnelle et subjective.

Je propose aujourd’hui une troisième approche intermédiaire entre la physique (le rendement de Carnot) et la vie de tous les jours (mon expérience personnelle). Cette approche repose sur la biologie. Tous les écosystèmes oscillent entre l’efficience et la résilience. Cela correspond à deux types de sélection naturelle appelés sélection K et sélection r. 2 La sélection K favorise les organismes les plus efficients, tandis que la sélection r favorise les plus résilients. Le physicien danois Per Bak a montré que c’est une propriété générale de tous les systèmes a