La nature n'est pas homogène. La majeure partie de l'univers est complexe et composée de divers sous-systèmes, des systèmes autonomes au sein d'un tout plus vaste. Cellules microscopiques et leur environnement, par exemple, peut être divisé en de nombreux sous-systèmes différents :le ribosome, la paroi cellulaire, et le milieu intracellulaire entourant la cellule.

La deuxième loi de la thermodynamique nous dit que l'entropie moyenne d'un système fermé en contact avec un bain de chaleur - grosso modo, son « trouble » — augmente toujours avec le temps. Les flaques d'eau ne regelent jamais sous la forme compacte d'un glaçon et les œufs ne se cassent jamais. Mais la deuxième loi ne dit rien sur ce qui se passe si le système fermé est plutôt composé de sous-systèmes en interaction.

Nouvelle recherche du professeur SFI David Wolpert publiée dans le Nouveau Journal de Physique considère comment un ensemble de sous-systèmes en interaction affecte la deuxième loi de ce système.

« De nombreux systèmes peuvent être considérés comme des sous-systèmes. Et alors ? Pourquoi les analyser en tant que tels, plutôt que comme un seul système monolithique global, dont nous avons déjà les résultats, ", demande Wolpert de manière rhétorique.

La raison, il dit, est que si vous considérez quelque chose comme autant de sous-systèmes en interaction, vous arrivez à une "version plus forte de la deuxième loi, " qui a une borne inférieure non nulle pour la production d'entropie qui résulte de la façon dont les sous-systèmes sont connectés. En d'autres termes, les systèmes composés de sous-systèmes en interaction ont un plancher plus élevé pour la production d'entropie qu'un seul, système uniforme.

Toute l'entropie produite est de la chaleur qui doit être dissipée, et il en va de même de l'énergie qui doit être consommée. Ainsi, une meilleure compréhension de la façon dont les réseaux de sous-systèmes affectent la production d'entropie pourrait être très importante pour comprendre l'énergétique des systèmes complexes, tels que des cellules ou des organismes ou même des machines

Le travail de Wolpert s'appuie sur un autre de ses articles récents qui a également étudié la thermodynamique des sous-systèmes. Dans les deux cas, Wolpert utilise des outils graphiques pour décrire les sous-systèmes en interaction.

Par exemple, la figure suivante montre les connexions probabilistes entre trois sous-systèmes :le ribosome, paroi cellulaire, et milieu intracellulaire.

Comme une petite usine, le ribosome produit des protéines qui sortent de la cellule et pénètrent dans le milieu intracellulaire. Des récepteurs sur la paroi cellulaire peuvent détecter des protéines dans le milieu intracellulaire. Le ribosome influence directement le milieu intracellulaire mais n'influence qu'indirectement les récepteurs de la paroi cellulaire. Un peu plus mathématiquement :A affecte B et B affecte C, mais A n'affecte pas directement C.

Pourquoi un tel réseau de sous-systèmes aurait-il des conséquences sur la production d'entropie ?

"Ces restrictions - en elles-mêmes - aboutissent à une version renforcée de la deuxième loi où vous savez que l'entropie doit croître plus rapidement que ce ne serait le cas sans ces restrictions, " dit Wolpert.

A doit utiliser B comme intermédiaire, il est donc interdit d'agir directement sur C. Cette restriction est ce qui conduit à un plancher plus élevé sur la production d'entropie.

Beaucoup de questions demeurent. Le résultat actuel ne prend pas en compte la force des connexions entre A, B, et C—seulement s'ils existent. Il ne nous dit pas non plus ce qui se passe lorsque de nouveaux sous-systèmes avec certaines dépendances sont ajoutés au réseau. Pour répondre à ces questions et plus encore, Wolpert travaille avec des collaborateurs du monde entier pour étudier les sous-systèmes et la production d'entropie. "Ces résultats ne sont que préliminaires, " il dit.