Après César Lattes dans les années 1950 , le physicien Constantino Tsallis pourrait être le premier Brésilien à avoir une chance de remporter un prix Nobel – si ce n’est cette année, alors l’année prochaine.
L’auteur d’une proposition qui a bouleversé la vision scientifique de la thermodynamique dans les années 1980, son approche de l’entropie – la mesure du degré de désordre d’un système, ici lié à la disponibilité (ou l’indisponibilité) d’énergie en son sein – a ouvert la voie à la résolution de nombreux problèmes. Parmi ceux-ci figuraient des questions auparavant insolubles en physique – comme les plasmas astrophysiques, les systèmes gravitationnels et les rayons cosmiques – ainsi que des problèmes dans d’autres domaines, tels que les neurosciences , la génomique, la dynamique des populations et l’économophysique.
Pour comprendre l’importance des travaux de Tsallis, il est nécessaire de revenir sur l’ histoire de la thermodynamique , qui remonte à 400 avant notre ère. À cette époque, dans la Grèce antique, le philosophe Héraclite d’Éphèse (500-450 avant notre ère) introduisit ses concepts de fluide et de feu, résumés dans la maxime « tout s’écoule ». Plus de quatre siècles s’écoulèrent avant l’apparition du premier modèle de machine thermique démontrant la possibilité de produire un travail à partir de vapeur d’eau. Il s’agissait de l’ Éolipile , également connue sous le nom de « machine de Héron » en hommage à son inventeur, le mathématicien et mécanicien grec Héron d’Alexandrie (10-80 de notre ère). Mais il fallut encore seize siècles pour voir apparaître le premier modèle opérationnel de machine thermique, et deux siècles de plus pour le développement des grandes machines à vapeur qui ont propulsé la révolution industrielle.
Si la technologie progressait dans la pratique, un tournant épistémologique se produisit en thermodynamique au milieu du XIXe siècle. Le physicien et mathématicien allemand Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822-1888) proposa alors sa théorie mécanique de la chaleur. Clausius introduisit la première formulation mathématique de l’entropie et nomma ce concept pour la première fois. C’est à partir de ces travaux que le mathématicien et physicien autrichien Ludwig Eduard Boltzmann (1844-1906) et l’ingénieur et scientifique américain Josiah Willard Gibbs (1839-1903) s’inspirèrent pour l’élaboration indépendante de la mécanique statistique classique .
La contribution de Tsallis
À partir de là, la thermodynamique connut deux autres tournants majeurs. Le premier fut marqué par les travaux du chimiste belge d’origine russe, Ilya Prigogine (1917-2003) , sur les systèmes irréversibles et hors d’équilibre, et leurs structures dissipatives. Développés à partir des années 1940, ces travaux lui valurent le prix Nobel de chimie en 1977.
La seconde théorie a émergé en 1988, lorsque Constantino Tsallis a proposé une généralisation de la mécanique statistique de Boltzmann-Gibbs . La théorie atomique de la chaleur relie l’énergie au mouvement des atomes au sein de la matière et est caractérisée par l’entropie de Boltzmann-Gibbs. Tsallis a cependant démontré son incapacité à expliquer plusieurs problèmes récurrents dans les systèmes complexes, tels que les organismes vivants.
Ceci s’explique par le fait que les systèmes traités par la thermodynamique classique sont fermés et en équilibre thermique, ou très proches de l’équilibre. Or, les organismes vivants ne remplissent pas ces conditions. Ils échangent constamment matière et énergie et, pour survivre, ils doivent être hors d’équilibre. Ces systèmes dissipatifs ont été étudiés dans les années 1940 par Prigogine dans le cadre du paradigme de Boltzmann-Gibbs, ce qui a laissé plusieurs problèmes en suspens.
En réponse à cela, les travaux de Tsallis ont abouti à ce que l’on appelle aujourd’hui la mécanique statistique non extensive (MNE) . Généralisation de la mécanique statistique de Boltzmann-Gibbs, la MNE permet d’aborder ces problèmes avec une précision considérable. Contrairement aux théories précédentes, où l’entropie totale d’un système composé de plusieurs sous-systèmes est la somme des entropies de ces sous-systèmes, en mécanique statistique de Tsallis, l’entropie totale n’est pas toujours égale à la somme des entropies des parties. À partir de cette approche, appelée « entropie de Tsallis », ou plus généralement « statistiques de Tsallis », des applications de la mécanique statistique aux systèmes complexes ont été développées, s’étendant de l’astrophysique aux neurosciences.
Parcours vers le prix Nobel
Les recherches bibliométriques démontrent clairement l’importance des travaux de Tsallis. Une simple recherche sur Google Scholar, effectuée le 10 août 2026, a permis de recenser plus de 18 400 documents contenant l’expression « entropie de Tsallis » et environ 5 500 documents pour « statistiques de Tsallis ». L’article de Tsallis qui a introduit le concept d’entropie de type MENE, publié en 1988 dans la revue scientifique Physical Review B et intitulé « Possible generalization of Boltzmann-Gibbs statistics », compte à ce jour 13 338 citations. À titre de comparaison, l’article le plus cité d’Ilya Prigogine, « Symmetry-breaking instabilities in dissipative systems II », publié en 1968 et représentant un autre tournant en thermodynamique, compte par exemple beaucoup moins de citations : 2 058.
En comparant le nombre de citations des travaux de Tsallis à celui d’une autre théorie emblématique de l’histoire de la physique, ayant également valu un prix Nobel, on constate une récurrence du succès académique de la théorie MENE. L’article « Theory of Superconductivity » , signé par John Bardeen, Leon Cooper et Robert Schrieffer et publié dans la revue scientifique Physical Review en 1957, totalisait 21 897 citations au 10 août 2026, soit 317 citations par an, contre 351 pour l’article du physicien brésilien.
Mais le profil bibliométrique de Tsallis ne se limite pas à celui du lauréat type du prix Nobel de physique. Au-delà de ces indicateurs quantitatifs, des indicateurs qualitatifs, relevant de la sociologie des sciences, dressent un tableau encourageant. De nombreux événements scientifiques ont été organisés en son honneur dans divers pays, dont l’Argentine, le Brésil, les États-Unis, la Grèce, l’Italie et la Turquie.
Tsallis a lui-même été membre, à trois reprises, du comité d’attribution de la médaille Boltzmann, la plus haute distinction mondiale en physique statistique. Il a par ailleurs reçu le prix SigmaPhi lors de la conférence SigmaPhi 2026, l’une des plus importantes distinctions en physique statistique et systèmes complexes, décernée pour des contributions ayant transformé la compréhension de ces domaines au cours des dernières décennies.
Enfin, en 2027, Tsallis, aux côtés de Roman Pasechnik, professeur à l’université de Lund, coprésidera le Symposium Nobel de physique à Lund, en Suède. Sous le thème « Au-delà de Boltzmann : complexité, mémoire et entropies non additives », cet événement portera sur les entropies non additives, concept central de sa théorie. Seul l’avenir dira si cela présage de l’obtention du prix Nobel de physique.
Carlos Alberto dos Santos
Professeur retraité de physique, Université fédérale du Rio Grande do Sul (UFRGS)
