Pourquoi certains phénomènes ne peuvent-ils jamais s'inverser ?

Certaines choses n'arrivent toujours que dans un sens : une tasse de café chaud refroidit dans une pièce froide, mais il ne se réchauffe jamais tout seul en puisant de la chaleur dans l'air plus froid. La raison tient à une grandeur que les physiciens appellent l'entropie, une mesure de la dispersion et du désordre de l'énergie d'un système. Le second principe de la thermodynamique dit que l'entropie d'un système isolé livré à lui-même ne peut jamais diminuer, seulement rester stable ou augmenter, ce qui explique exactement pourquoi certains phénomènes sont irréversibles et pourquoi les systèmes dérivent naturellement vers l'équilibre, l'état où l'entropie est la plus haute possible.

L'idée n'est pas partie de quelque chose d'aussi abstrait. En 1803, le mathématicien français Lazare Carnot a remarqué que toute machine perd une partie de son mouvement utile en à-coups et en frottements, comme si la nature avait une tendance intégrée à gaspiller l'énergie utilisable. Son fils Sadi Carnot a poussé l'idée plus loin en 1824, en comparant la façon dont la chaleur « tombe » d'un corps chaud vers un corps froid dans un moteur à la façon dont l'eau tombe à travers une roue à aubes pour produire du travail, une intuition précoce et vivante de ce qui deviendrait le second principe.

Le concept a reçu son nom de Rudolf Clausius, qui en 1865 lui a donné une définition mathématique précise, comme une infime quantité de chaleur divisée par la température à laquelle elle circule. Il l'a d'abord appelé « contenu de transformation » en allemand, puis a forgé un mot plus court à partir de racines grecques signifiant « transformation » : entropie. Quinze ans plus tôt, en 1850, l'ingénieur William Rankine tournait déjà autour de la même idée sous des noms moins accrocheurs comme « fonction thermodynamique ».

C'est le physicien autrichien Ludwig Boltzmann qui a donné à l'entropie son explication la plus profonde. Il a montré que l'entropie compte simplement combien d'arrangements microscopiques différents d'atomes et de molécules sont compatibles avec ce qu'on observe à grande échelle, une entropie élevée signifiant qu'il existe énormément plus d'arrangements désordonnés que d'arrangements ordonnés. Boltzmann a relié cette image microscopique au monde macroscopique par une simple loi logarithmique, introduisant la constante qui porte encore son nom aujourd'hui.