Transitions de phase et brisures de symétrie

Les phénomènes émergents sont souvent le résultat d’une transition de phase. Ainsi, un cristal de glace émerge de l’eau qui se refroidit. Une transition de phase mène à un état nouveau obéissant à des lois nouvelles. Généralement, celles-ci ne sont pas réductibles aux lois dites fondamentales. Par exemple, on sait que selon les conditions de pression et de température, il n’existe pas une forme de glace mais 11, lesquelles n’ont à ce jour pas été décrites par la physique.

Les transitions de phase surviennent en raison de corrélations à longue distance reliant des particules, des éléments, des individus… Elles partent d’une situation où les particules obéissent aux lois connues, et aboutissent à un comportement nouveau, de nature collective.

Elles sont caractérisées par :

• un changement total (du gaz, on passe à l’eau, de l’eau on passe à la glace…),
• et étendu : il affecte l’ensemble du milieu concerné,
• une évolution très rapide, voire catastrophique,
• se produisant lorsqu’une grandeur passe un certain seuil (0° ou 100° pour l’eau).

De surcroît, la transition de phase s’accompagne souvent d’une brisure de symétrie : par exemple, l’eau liquide est très symétrique (identique quelle que soit la direction), tandis que le cristal de glace se limite à des symétries sur trois axes.

La brisure de symétrie est fondamentale dans l’évolution de l’Univers, pour être l’un des mécanismes qui introduisent le hasard dans le jeu des lois physiques. Par exemple, le disque d’accrétion qui a formé le Système solaire était fortement symétrique au départ (homogène), mais en se condensant en planètes (hétérogènes), il a perdu cette symétrie et c’est le hasard qui a fait toute la richesse des planètes existantes.

Les transitions de phase les plus importantes dans notre histoire, sont celles qui ont fait apparaître les particules juste après le Big Bang. La formation des étoiles en est une autre. Sur Terre, l’apparition de la vie a rapidement transformé la surface de la planète. Dans le monde vivant, il faut citer l’émergence des êtres pluricellulaires, puis l’apparition du cerveau chez les animaux supérieurs. Chez Homo, les transitions importantes ont été l’apparition de la conscience, le développement du langage (grâce à la descente du larynx) et avec elle, l’éclosion de la civilisation. Au niveau social, le passage de la monarchie à la démocratie est une transition qui a été parfois très brutale. Enfin, notre société est traversée périodiquement par des transitions provoquées par les innovations techniques : l’invention de l’imprimerie, celles de la machine à vapeur, du téléphone puis d’Internet. La prochaine sera certainement déclenchée par l’intelligence artificielle.