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Définition de : MATIÈRE, physique

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Article publié par Encyclopaedia Universalis MATIÈRE, physique Le mot « matière » cache sous sa généralité abstraite une origine concrète fort éclairante. En latin archaïque, materia appartient à la langue rustique et désigne la substance dont est fait le tronc de l'arbre, en tant qu'elle est productrice (de branches, de feuilles). L'élargissement successif des sens du mot, d'abord dans la langue commune, à des matériaux variés, puis, dans la langue philosophique, ne doit pas faire oublier son contenu initial : la matière reste la matrice commune où s'engendrent les multiples et divers objets du monde. La notion de matière, pour la physique de l'âge antique, désigne la substance commune à tous les « corps », considérée indépendamment des propriétés spécifiques qui les différencient. LLaa ccoonnssttiittuuttiioonn ddee llaa mmaattiièèrree e Après la redécouverte au xvii siècle de l'atomisme antique (Démocrite, Épicure, Lucrèce), la matière sera pensée comme composée d'éléments e discrets et localisés, séparés par le vide – les atomes, dont le xix siècle achèvera de conforter l'idée. C'est ainsi qu'on rendra compte des changements d'état de la matière en termes de configurations spatiales des atomes : sera dorénavant considéré comme « matière » tout assemblage d'atomes (ou de molécules).
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MATIÈRE, physique

Le mot « matière » cache sous sa généralité abstraite une origine concrète fort éclairante. En latin archaïque, materia appartient à la langue rustique et désigne la substance dont est fait le tronc de l'arbre, en tant qu'elle est productrice (de branches, de feuilles). L'élargissement successif des sens du mot, d'abord dans la langue commune, à des matériaux variés, puis, dans la langue philosophique, ne doit pas faire oublier son contenu initial : la matière reste la matrice commune où s'engendrent les multiples et divers objets du monde. La notion de matière, pour la physique de l'âge antique, désigne la substance commune à tous les « corps », considérée indépendamment des propriétés spécifiques qui les différencient.

La constitution de la matière

Après la redécouverte au xviie siècle de l'atomisme antique (Démocrite, Épicure, Lucrèce), la matière sera pensée comme composée d'éléments discrets et localisés, séparés par le vide – les atomes, dont le xixe siècle achèvera de conforter l'idée. C'est ainsi qu'on rendra compte des changements d'état de la matière en termes de configurations spatiales des atomes : sera dorénavant considéré comme « matière » tout assemblage d'atomes (ou de molécules). Une réaction chimique, aussi bien qu'une transformation physique, n'étant rien d'autre qu'un réarrangement des atomes, c'est par la permanence de ces derniers que se trouve garantie la stabilité implicitement demandée à l'idée de matière.

Toutefois, cette victoire apparente d'une conception atomistique de la matière, faite d'éléments discrets dans un espace vide, est de courte durée. C'est autour de la lumière que tout se joue. Pourtant, mise au premier rang des « principes matériels » par les partisans d'Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794), la lumière en est écartée dès lors que sa nature corpusculaire est invalidée et remplacée, au début du xixe siècle, par une représentation ondulatoire. Puis émerge une nouvelle conception du champ électromagnétique, qui, privé de substrat et devant assurer sa propagation dans le vide, acquiert une matérialité propre. Cette conception s'étend tout naturellement au champ de gravitation. La physique classique repose ainsi sur l'existence de deux formes de matière irréductibles l'une à l'autre : d'une part des corps discrets et localisés (particules), d'autre part des êtres étendus et continus (champs).

Cette refonte sera à son tour remise en cause au xxe siècle par la théorie quantique qui ne reconnaît qu'un seul type d'objet : le quanton, ni onde, ni corpuscule, et qui, du coup, réunifie le concept de matière, mais en le transformant profondément. En même temps qu'était reconnue la nature (quantique) des éléments de la matière, c'est leur caractère élémentaire qui allait faire l'objet de remises en cause successives. Loin de faire apparaître un niveau constitutif et fondamental stable, l'analyse met en évidence plusieurs niveaux successifs de structuration de la matière, reposant sur l'existence de types d'interactions physiques bien différenciés. Dès 1911, Ernest Rutherford révélait la composition interne des atomes : un noyau central massif et très concentré, environné d'électrons (qui expliquent toutes les propriétés chimiques et lumineuses des atomes). Les structures des atomes, comme leurs échelles (tant spatiale qu'énergétique), sont entièrement gouvernées par les forces électromagnétiques. Puis, vers 1935, c'est le noyau qui se montrait constitué de nucléons (neutrons et protons), liés par l'échange de mésons (pions entre autres), sous l'effet de forces (nucléaires) d'un type nouveau. Enfin, ces quantons nucléaires eux-mêmes finirent par exhiber vers 1970 leur propre constitution, édifices de quarks liés par des gluons.

La compréhension de la matière

Notre compréhension de la matière, si elle exige cette analyse en éléments (plus) simples et en niveaux successifs, ne peut s'y limiter. Car elle demande maintenant une phase de synthèse, permettant d'expliquer la constitution des objets propres à un certain niveau, en termes de propriétés des constituants du niveau sous-jacent. Le bilan, ici, est loin d'être satisfaisant. On peut même affirmer que cette reconstruction, à quelque niveau qu'on la considère, est pour l'instant embryonnaire, et, sans doute, restera très partielle.

Ainsi, déjà, le passage de la structure atomique de la matière à ses propriétés macroscopiques est-il peu évident. Certes, on comprend assez bien le rapport entre les formes des cristaux et les structures moléculaires ou atomiques pour les minéraux les plus simples, on sait expliquer pourquoi les métaux conduisent électricité et chaleur, et on peut ramener les apparences visuelles (couleur, éclat) des matériaux à certaines caractéristiques de leurs constituants microscopiques. Mais, aussi convaincantes soient-elles, ces explications restent très générales et ce n'est que dans des circonstances très précises, pour des corps particulièrement simples, que la théorie peut expliquer ou prédire avec précision les valeurs numériques de la densité, de l'indice de la dureté, etc., de tel matériau. Cette difficulté n'est pas limitée à l'explication précise de propriétés physiques particulières. Certains aspects majeurs de la matière macroscopique restent assez énigmatiques : ainsi l'impénétrabilité des solides, le fait qu'un caillou ou une montagne de granit aient la même densité, que la chaleur de fusion d'un morceau de glace soit proportionnelle à sa masse, etc. Il a fallu attendre les années 1970, pour établir que ces propriétés reposent sur le principe d'exclusion de Pauli auquel obéissent les électrons de la matière.

La situation, paradoxalement, est un peu meilleure au niveau de l'atome lui-même. Il est vrai que sa composition est plus simple : alors qu'un petit morceau de matière (tel un gravillon ou une brindille) comporte de l'ordre de 1024 atomes de nombreuses espèces, un atome ne comprend qu'un noyau et de un à quelques dizaines d'électrons, interagissant par des forces électromagnétiques bien connues. Si le calcul des propriétés atomiques est facile dans le cas de l'atome d'hydrogène, qui possède un seul électron, il devient pourtant déjà plus ardu et demande diverses méthodes d'approximation subtiles dès le cas de l'hélium, qui possède deux électrons seulement. Aussi, pour les atomes pourvus de quelques dizaines d'électrons, et a fortiori pour les molécules complexes, doit-on se contenter de résultats approximatifs et partiels qui n'en requièrent pas moins l'usage de moyens de calculs (matériels et logiciels) hautement sophistiqués.

Quant aux niveaux subatomiques, les problèmes rencontrés y sont rendus extrêmement difficiles par l'intensité des interactions mises en jeu et les subtilités qu'introduit la relativité einsteinienne dans la théorie. Pour rendre compte des propriétés des noyaux à partir de leurs constituants (les nucléons, les neutrons et les protons), on doit se contenter de modèles, variés mais disparates, et reposant sur certaines données purement empiriques. Leur ingéniosité ne doit pas masquer leur caractère incomplet. C'est d'ailleurs pour tenter de mieux comprendre les interactions nucléaires que les physiciens ont commencé à étudier le niveau subnucléaire, celui des particules qu'ils espéraient élémentaires. Toutefois cette nouvelle poupée russe, une fois ouverte, s'est révélée une véritable boîte de Pandore, dont se sont échappées des dizaines de particules inattendues et souvent éphémères. Loin de pouvoir aisément remonter au niveau des forces nucléaires, les physiciens ont dû consacrer de considérables efforts à classer et analyser le foisonnement d'un niveau plus complexe, certainement, que celui qu'il sous-tend.

Les nouveaux états de la matière

La notion de matière a de plus connu une profonde mutation avec la découverte de l'« antimatière ». La notion d'antimatière renvoie à une symétrie fondamentale des éléments de la nature, susceptibles de prendre deux formes. Seule la prédominance, peut-être accidentelle, de l'une de ces formes dans notre environnement a pu conduire à la considérer comme de la « vraie » matière, l'autre ayant du coup été baptisée « antimatière ». Ainsi, une paire particule-antiparticule dont les charges individuelles se compensent de façon à s'annuler au total, peut se transformer en particules neutres ; par exemple, une paire électron-positon peut disparaître en donnant naissance à quelques photons. Dans la mesure où ces derniers n'ont pas de masse, toute l'énergie du couple initial, y compris sa masse, se retrouve sous forme d'énergie cinétique, ce qui rend le processus fort violent.

Cette transmutation a longtemps été appelée « annihilation de la matière ». Il ne s'agit en fait que d'une transformation de matière en rayonnement – c'est-à-dire en une autre forme de matière, sans masse ! Ce phénomène explique le caractère éphémère de l'antimatière au sein de la matière. Une question reste irrésolue dans la physique contemporaine : si les lois fondamentales qui régissent la matière sont absolument symétriques par « conjugaison » de charge, comment expliquer la prédominance de l'une des formes sur l'autre ? On a pu croire un temps que cette dissymétrie était purement locale et que, dans d'autres régions de l'Univers, notre rare antimatière était la forme normale, rétablissant ainsi la symétrie à grande échelle. On pense plutôt aujourd'hui qu'il existe une très légère dissymétrie de principe, assez difficile cependant à intégrer dans un cadre théorique général.

Le xxe siècle ne s'est pas contenté de découvrir des formes inédites et surprenantes de matérialité aux seuls niveaux micro- ou mégascopiques. Les surprises n'ont pas été moindres en ce qui concerne les modes d'organisation de la matière à notre échelle. La trinité canonique des « états de la matière » – solide, liquide, gazeux – a cédé le terrain à une considérable multiplicité. Entre l'ordre atomique régulier (cristallin) des solides et le désordre des liquides, s'intercalent des états d'ordre partiel (les oxymoriques « cristaux liquides »). Les états amorphes, quant à eux, ne se limitent plus aux fluides familiers puisqu'ils comprennent les verres. Et les liquides peuvent révéler à très basse température des phénomènes typiquement quantiques et néanmoins macroscopiques (superfluidité) fort éloignés de notre idée commune de la liquidité. Ces nouveaux états de la matière donnent lieu d'ores et déjà à un considérable développement de nos pratiques techniques, et se transforment rapidement en matériaux. À côté de ces nouveaux états, des formes plus traditionnelles de la matière macroscopique font l'objet d'un intense redéploiement d'intérêt, que traduit la vogue du vocable de « matière molle ». La structure des agglomérats granulaires (tas de sable), les phénomènes de cohésion (colles, frittés), les structures mixtes (céramiques, plastiques armés) donnent ainsi lieu à des travaux théoriques inédits et à de fécondes applications. Cet enrichissement de notre répertoire des comportements de la matière macroscopique emporte sans doute une mutation profonde et encore inaccomplie de la notion même de matérialité.

Auteur: Jean-Marc LÉVY-LEBLOND
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