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Comment les interactions physiques font-elles émerger les niveaux hiérarchiques des structures matérielles ?

samedi 25 octobre 2014, par Robert Paris

« Si on ne peut pas le décrire, c’est qu’on ne le comprend pas. »

Albert Einstein cité par Wheeler

« Nous ne pouvons pas nous représenter un électron comme un objet. »

Le physicien Paul Langevin

« Pour la lumière, si l’énergie est transportée d’un seul tenant par le photon, celui-ci n’est pas une bille (...). De même, l’électron n’est pas une boule dure. »

Les physiciens Lochak, Diner et Fargue dans « L’objet quantique »

« Les particules ne sont pas des objets identifiables. (...) Elles pourraient être considérées comme des événements de nature explosive (...) On ne peut pas arriver – ni dans le cas de la lumière ni dans celui des rayons cathodiques - à comprendre ces phénomènes au moyen du concept de corpuscule isolé, individuel doué d’une existence permanente. (...) La meilleure connaissance possible d’un ensemble n’inclut pas nécessairement la meilleure connaissance possible de chacune de ses parties. (...) Selon la vieille conception leur individualité (des particules et des atomes) était basée sur l’identité des matériaux dont elles sont faites. (...) Dans la nouvelle conception, ce qui est permanent dans ces particules élémentaire sous ces petits agrégats, c’est leur forme ou leur organisation. »

Le physicien Erwin Schrödinger dans « Physique quantique et représentation du monde »

« On ne compte pas les électrons ou les photons comme on compte les objets que nous rencontrons autour de nous. »

Les physiciens Georges Lochak, Simon Diner et Daniel Fargue dans « L’objet quantique ».

« Si un électron entre et sort d’une boite (une zone par exemple) (...), on ne peut pas dire que c’est le même électron qui entre et qui sort. (...) La masse est longtemps apparue comme une propriété fondamentale. N’est-il pas surprenant de la voir maintenant apparaître comme une propriété purement dynamique, liée aux propriétés du vide et à la façon dont elles affectent les particules qui s’y trouvent ? (...) Cette nouvelle conception de la masse est une révolution importante. Ce qui apparaissait comme une propriété intrinsèque et immuable se voit relégué au rang d’effet dynamique dépendant des interactions et, avant tout, de la structure du vide. »

Le physicien Maurice Jacob dans « Au cœur de la matière ».

« La théorie quantique eut parmi ses premiers objectifs de comprendre la stabilité des édifices atomiques. En effet, un « électron classique » (non-quantique) pourrait orbiter à une distance arbitraire d’un « noyau classique ». Rayonnant de l’énergie électromagnétique, il pourrait se rapprocher indéfiniment du noyau, perdant dans cette chute une quantité d’énergie … infinie ! La théorie quantique, en corrélant l’extension spatiale d’un électron à son énergie cinétique (inégalités d’Heisenberg), interdit une telle catastrophe et assure l’existence d’atomes stables, dont l’énergie ne peut descendre en dessous d’un certain plancher absolu (niveau fondamental). Mais Pauli fit remarquer, dès les années 1925, que cette stabilité individuelle des atomes, si elle est nécessaire, ne suffit en rien à assurer la stabilité de la matière. (…) Si le principe de Pauli n’intervenait pas pour tenir les électrons à distance mutuelle, la matière serait incomparablement plus concentrée, d’autant plus que la quantité en serait plus grande. (…) Ajoutons enfin que le rôle du principe de Pauli ne se borne pas à assurer l’existence de la matière, mais conditionne toutes ses propriétés électroniques détaillées, en particulier la conductivité ou la semi-conductivité des matériaux qu’utilise la technologie électronique. »

Jean-Marc Lévy-Leblond dans « La quantique à grande échelle », article de l’ouvrage collectif « Le monde quantique »

La matière boule et... le vide bulle

Comment les interactions physiques font-elles émerger les niveaux hiérarchiques des structures matérielles ?

On sait qu’il existe d’une part des particules (de la matière ou de la lumière ou encore du vide quantique) et d’autre part des interactions (électromagnétique, nucléaire forte, nucléaire faible et gravitationnelle). Nous voudrions discuter du lien entre les deux et contester justement le « d’une part » et « d’autre part ». Il nous semble que les particules ne sont pas déterminées au hasard mais par les interactions. Plus exactement il se pourrait que les structures de la matière soient des formes constituées et qui se maintiennent parce qu’elles sont exactement au niveau ou deux interactions sont en compétition sans que l’une puisse durablement l’emporter. C’est cela qui définirait le type de structures de la matière qui se maintiennent durablement. Telle est la thèse développée par cet article.

Remarquons tout d’abord une forme qui est privilégiée par les structures de la matière à toutes les échelles : celle de la boule… C’est le volume intérieur limité par ce que les mathématiques appellent une sphère (surface ayant le même rayon de courbure en tout point). Mais la boule physique est plus souple que la boule mathématique. On ne lui demande pas d’être exactement sphérique en permanence mais de revenir en moyenne à une surface sphérique et de ne s’en éloigner que peu, sauf lorsqu’elle va se diviser en plusieurs boules, ou, au contraire, lorsqu’elle va intégrer d’autres éléments-boules… Le proton est une boule. Le neutron est une boule. L’électron est une boule. Le neutrino est une boule. Mais comment un neutron-boule peut-il se décomposer en proton, électron et neutrino, en trois boules ?!

Franco Selleri écrit dans « Le grand débat de la théorie quantique » : « Les neutrons sont des particules instables et finissent par se désintégrer en proton + électron + antineutrino au bout d’un temps correspondant à leur vie moyenne. Celle-ci est d’environ mille secondes (...) des neutrinos peuvent vivre beaucoup moins (disons cent secondes) ou beaucoup plus (disons trois mille secondes) que leur vie moyenne de trois mille secondes. Le problème se pose très naturellement de comprendre les causes qui déterminent les différentes vies individuelles dans les différents systèmes instables. (…) (ces variations peuvent s’expliquer) par des fluctuations du vide dans de petites régions entourant la particule ». On ne dispose par contre d’aucune description de l’objet neutron ou de l’objet particule qui explique ces vies de durées diverses et cette durée moyenne. Mais nous verrons que la physique quantique va plus loin et remet carrément en question que la particule soit un objet individuel : « En théorie quantique, tous les concepts classiques, une fois appliqués à l’atome, sont aussi bien ou aussi mal définis que « la « température de l’atome. (...) Le concept d’existence de l’électron dans l’espace et le temps conduit à un paradoxe.  » D’où la nécessité de définir la particule comme une structure émergente issue des interactions du vide et non comme une chose préexistante et fixe. Nous allons essayer de montrer comment la structure en boule (nuage spérique d’éléments eux-même en boule) émergedes contradictions des interactions opposées…

Attention, il convient de préciser que l’image de la boule n’est nullement un modèle que nous utiliserions par souci de vulgarisation, pour simplifier à l’usage des amateurs de sciences, pour imager en simplifiant, pour faire connaître au grand public des résultats complexes des sciences physiques de manière très simplifiée, presque enfantine. C’est au contraire un modèle très complexe qui explique des phénomènes très complexes et sert directement aux spécialistes, par exemple ceux de la fusion et de la fission des noyaux atomiques ou encore ceux de la cosmologie…

Le cosmos est plein de structures en forme de boules. Le noyau des galaxies est une boule. L’étoile est une boule massive de plasma, essentiellement d’hydrogène et d’hélium. Le noyau de l’étoile, ou cœur, centre des réactions thermonucléaires qui permettent à l’étoile de résister à sa propre gravitation, est une boule. Le quasar est un noyau sphérique. Les amas globulaires sont sphériques.

Voici par exemple l’étoile-boule Le trou noir, lui-même, est une boule… Si bien des physiciens parlent du trou noir comme d’un « trou », comme s’il avait seulement deux dimensions, il faut savoir que c’est un objet céleste très dense et que c’est une boule dont l’une des caractéritique fondamentale est le rayon qui dépend de sa masse. Pour exprimer que le trou noir est identique dans toutes les directions, que c’est une boule, l’inventeur de cette idée, John Archibald Wheeler, déclarait : « Le trou noir n’a pas de cheveux ». C’est l’effet de masse énorme de cette boule qui déforme l’espace-temps au point d’empêcher les rayons lumineux d’en sortir… A une certaine distance, il y a effondrement de toute énergie puisqu’on ce souvient que l’énergie elle-même obéit à la gravitation. Cette distance s’appelle le rayon de Schwartzchild. La boule du trou noir n’est pas spécialement différente d’une étoile ou d’un noyau galactique, mais elle a simplement une masse plus importante. Elle est le produit d’un effondrement gravitationnel d’un noyau galactique. Les plus grandes structures de l’univers que nous connaissions sont encore des bulles : les grands espaces autour dequels se forment les filaments de matière sont les bulles du vide intergalactique Lire ici sur les bulles du vide cosmique

Et ce n’est pas tout : la physique de la matière décrit toutes ses structures à partir de boules, de l’atome au noyau atomique, de la particule au quark et même aux particules (et antiparticules) du vide quantique… Toute la microphysique de la matière regorge de boules et nous verrons que la « lumière », c’est-à-dire le mode de transmission de toutes les interactions est fondé sur des paires de telles boules (particule et antiparticule)…

On a considéré que l’atome devait être une petite boule. Puis on s’est aperçu que l’essentiel de l’espace qu’elle occupait était du vide. Le reste était d’autres particules, plus petites, occupant une très petite part de l’espace de l’atome. On a pensé avoir trouvé l’insécable. Mais la conception d’une boule pour l’électron ou le proton posait problème. Ils auraient dû perdre de l’énergie et finir par tomber l’un sur l’autre au sein de l’atome puisqu’ils tournaient l’un autour de l’autre. On s’est aperçu qu’ils avaient également des propriétés de rotation interne non descriptibles en termes mécaniques. La physique quantique a dû renoncer à ce type de description. la rotation dont il s’agissait était quantique, c’est-à-dire discontinue : en multiples d’un nombre entier. Il ne s’agissait plus de boules de matière mais de particules considérées comme des points matériels. Cependant, il y avait une contradiction soulevée notamment par Manfred Mac Gregor : l’électron occupait cependant un espace sphérique avec un rayon (par exemple le rayon de Compton de l’électron) qui était mis en évidence dans certaines expériences, notamment en bombardant la particule. Donc la particule n’est pas un simple point. Elle occupe un volume et celui-ci est défini par un rayon : c’est une boule ! D’autre part cette particule ne suit pas des trajectoires. Elle saute d’une position à une autre. C’est ce qui explique qu’elle est seulement probabiliste. On ne peut pas savoir où elle sera présente mais seulement connaitre une probabilité de présence dans une zone autour de la particule. Et cette zone est à nouveau une boule. Certains physiciens ont dit : on ne peut pas disposer d’une image. En fait, on dispose d’une image : le nuage en forme sphérique contenant des éléments de niveau inférieur, eux-même imageables par une boule (nuage d’éléments encore inférieurs), etc…

Chacun croit évidemment savoir ce qu’est une boule ! Mais l’image qui nous vient spontanément à l’esprit ne suffit pas ici. Il s’agit plutôt d’une boule abstraite, d’un modèle mathématique et physique. Quand nous pensons spontanément à une boule, nous la concevons comme un volume plein, compact, sans agitation interne, sans modification interne, sans possibilité pour cette boule d’intégrer d’autres boules. Ce n’est pas de cela qu’il s’agit ici. Nous ne voulons pas décrire par exemple l’électron comme une boule compacte. Ce modèle ne conviendrait pas et un calcul simple montrerait que les forces de répulsion des charges électriques suffiraient à faire exploser une telle structure. Dire qu’une particule est une boule ne signifie pas qu’elle soit pleine de matière, qu’elle soit compacte. Non, une boule-particule est du même type qu’une boule-étoile : une structure contenant des éléments qui sont eux aussi des boules comme le proton ou le neutron qui contiennent des quarks. A chaque niveau hiérarchique de structure, il existe un niveau inférieur. Pour exposer de quel type de boule on veut parler, on pourrait dire nuage d’éléments qui sont contenus dans un volume sphérique.

Il ne faut pas confondre non plus avec l’idée mécaniste que la matière est constituée de boules de billard qui se contenteraient de rebondir les unes sur les autres. En effet, les boules de matière ne sont pas des billes compactes qui se choquent pour repartir en rebondissant. Soit elles n’entrent pas en contact car, dès qu’elles sont à proximité, elles se repoussent avec force, soit elles se pénètrent les unes les autres ! Ce ne sont pas des sphères dures, ni compactes. Ce ne sont même pas des objets au sens usuel du terme, celui de notre expérience courante, celle justement des boules de billard ou de golf ou encore des ballons de foot…

Il ne s’agit pas non plus de redonner vie à l’ancien modèle planétaire de Rutherford, une espèce de système solaire en somme, visant à représenter l’atome comme un noyau (équivalent du soleil) entouré d’électrons-boules tournant autour. Il a rapidement été démontré qu’un atome fonctionnant ainsi, les électrons chuteraient sur le noyau, par perte d’énergie due à des émissions de lumière causées par l’accélération des électrons. Il ne s’agit pas la conception selon laquelle matière et lumière ne feraient que se déplacer dans un expace indifférent et inactif, comme des boules sur un billard qui se déplacent et se choquent pour rebondir ensuite, le billard restant indifférent à ces évolutions. Au lieu de cette conception cinématique, selon laquelle le temps s’écoule régulièrement de manière continue, selon laquelle la matière et la lumière se déplacent au sein d’un espace vide sans être transformées par lui, nous avons besoin d’un point de vue dynamique dans lequel les interactions de la matière, de la lumière et du vide produisent l’espace et le temps, lequel rétroagit sur eux, sur leurs changements et leurs mouvements. La base de l’interprétation des phénomènes matériels n’est plus le déplacement cinématique et les chocs. Si on veut suivre une particule de matière sur sa trajectoire dans le vide, on constate qu’elle disparaît brutalement. On ne sait pas très bien si la particule qui la remplace un peu plus loin est vraiment la même. Il est impossible de suivre continûment une particule. Du coup, il n’est plus possible de parler de la particule comme d’une chose ni de son mouvement comme d’une trajectoire. Ce qui fait disparaître la particule, c’est son interaction avec le vide. Le vide construit la matière et la détruit sans cesse. Le combat du vide et de la matière est permanent. Inversement le vide fait apparaître des particules (en même temps que des antiparticules). Ce qui produit l’onde autour de la particule, c’est ce mouvement de construction et de destruction de la particule réagissant avec le vide. Le vide peut détruire momentanément la particule parce que celle-ci n’est rien d’autre qu’une structure et pas une boule ni un autre volume de « plein ».

Pour nous, le modèle de la « boule » aura plutôt les caractéristiques suivantes :

- son rayon tout d’abord qui est en moyenne le même dans toutes les directions. Cette propriété peut sembler très difficile à réaliser physiquement dans un contexte où tout s’agite sans cesse (transformations permanentes à l’intérieur, agitation permanente et interactions à l’extérieur, absorptions et émissions entre intérieur et extérieur). Dans ces conditions, maintenir sans cesse un rayon constant peut sembler un effort considérable dépensant des efforts (une énergie) bien trop considérable et on ne voit pas bien quel mécanisme permettrait à chaque niveau hiérarchique de conserver ainsi cette propriété caractéristique : le rayon de la boule, qui en fait une structure géométriquement parfaite dans l’espace (d’une symétrie extraordinaire). Nous allons voir que la matière a juste besoin de deux interactions contradictoires, une interaction attractive et une interaction répulsive, agissant sur un ensemble d’éléments intérieurs à la structure, eux-mêmes en interaction des liaisons mais aussi des interactions répulsives), pour constituer et reconstituer sans cesse de telles boules ayant un rayon constant en moyenne… Il suffit que les forces de liaison des éléments intérieurs atteignent un maximum quand un élément intérieur tend à sortir de la boule et atteint la surface et que les forces de répulsion d’un élément extérieur atteignent un maximum quand cet élément approche cette surface.
- la constance, en moyenne, du rayon de la boule n’a pas qu’une importance pour la géométrie interne ou externe, elle détermine les propriétés physiques qui se produisent à l’intérieur de la boule. Un rayon constant signifie une densité d’éléments intérieurs constante et donc un niveau donné des interactions entre ces éléments. Cela peut être une densité très faible comme dans le noyau atomique ou très forte comme dans le noyau de l’étoile…

- le rapport entre son volume et sa surface qui est proportionnel au rayon. On ne peut assez insister sur cette propriété fondamentale. Elle est cruciale pour les propriétés internes de la boule comme pour les échanges entre l’intérieur et l’extérieur…On y reviendra. Soulignons seulement que cela définit la frontière entre intérieur et extérieur : la distance à laquelle le volume et la surface on ce fameux rapport égal au rayon !

- l’existence d’une surface de séparation entre intérieur et extérieur, zone dans laquelle les forces intérieures et les forces extérieures se combattent avec la formation de propriétés particulières des surfaces dont la plus importante est sa courbure (qui dépend du rayon) et qui va engendrer des forces particulières de surface d’un type appelé « tension superficielle » et qui vont faire que les éléments intérieurs ne soient pas sujets aux mêmes forces que les éléments extérieurs (l’intérieur a tendance à rester à l’intérieur alors que l’extérieur a tendance à rester à l’extérieur d’où une certaine stabilité malgré la dynamique interne et externe).

- des capacités de rotation même s’il ne s’agit pas tout à fait du même type de rotation que celle de la boule billard ou de golf (cette rotation est source notamment des propriétés magnétiques).

- la capacité de la structure à se former et à se déformer, puis à se reconstituer, sous l’action interieure comme extérieure.

- la capacité des boules à se scinder ou à s’unir, à absorber ou à émettre d’autres boules.

L’exemple classique de ce type de boule physique au niveau macroscopique est la goutte d’eau. Une goutte d’eau contient en moyenne, dans une boule de rayon de deux millimètres, mille milliards de molécules d’eau qui peuvent, grossièrement, être elles-mêmes représentées comme des boules (en fait un assemblage de trois boules, deux atomes d’hydrogène et un d’oxygène). Mais, comme on le sait, on peut toujours descendre les niveaux hiérarchiques et trouver encore d’autres « boules » : chaque atome est un noyau (une boule elle-même formée des « boules » proton et des « boules » neutron) entouré de ses électrons-boules. Chaque particule (comme l’électron, le proton, le neutron et bien d’autres souvent plus fugitives) sont en fait constituées d’un nuage de particules-boules et antiparticules-boules dites virtuelles entre lesquelles la propriété de masse saute sans cesse. Et on peut continuer à descendre les niveaux hiérarchiques avec le « virtuel de virtuel ». L’astrophysicien Cassé écrit dans « Du vide et de la création » :

« Au centre de la nuée du virtuel est encore un virtuel, d’ordre plus élevé. Et ces électrons et positons doublement virtuels s’entourent eux-mêmes de leur propre nuage de corpuscules virtuels, et cela ad infinitum. (…) L’image quantique qui en résulte est un électron (…) protégé par des rangs successifs de photons virtuels (…) L’électron n’est plus l’être simple qu’il était. (…) Il s’habille de vide fluctuant. De même, chaque proton est dépeint comme un microcosme concentrique où s’étagent les différents niveaux de virtualité. Au centre est la particule réelle, sa garde rapprochée est constituée par des particules et antiparticules les plus massives (énergétiques) et donc les plus éphémères, bosons W et Z, paires proton-antiproton et photons gamma. Le second cercle contient les couples positon-électron et les photons de 1 MeV environ. A la périphérie flottent les photons d’énergie déclinante. Chaque particule virtuelle, comme précédemment, s’entoure de son cosmos virtuel et chacune à son tour fait de même et cela indéfiniment. Le vide est constitué d’un nuage virtuel flottant de manière aléatoire. L’activité frénétique autour du moindre électron, du moindre proton, nous éloigne à jamais de l’image paisible que la plupart des philosophes attribuent au mot « vide ». » Maurice Jacob dans « Au cœur de la matière » : « Le vide est animé par la création continuelle et la disparition rapide de paires électron-positron. Ce sont des paires virtuelles mais cela va compliquer notre processus d’absorption qui ne demande qu’un temps très bref durant lequel ces paires virtuelles ont bien le temps de se manifester. L’électron, de charge négative, va ainsi attirer les positrons de ces paires virtuelles en repoussant leurs électrons. « Approchant » de l’électron, le photon va ainsi le « voir » entouré d’un « nuage » de charge positive dû aux positrons virtuels attirés. Il aura l’impression que la charge de l’électron est plus faible que celle annoncée. C’est une version quantique de l’effet d’écran. (…) Revenons à notre électron absorbant un photon tout en s’entourant d’un nuage virtuel contenant plus de positrons que d’électrons. Si le transfert augmente, le photon peut « voir » avec plus détail. Il « attrapera » l’électron avec une partie plus faible de ce nuage positif qui l’entoure. Le photon aura l’impression que la charge de l’électron augmente avec le transfert qu’il apporte. (…) L’effet principal peut être conçu comme la transformation de photon en une paire électron-positron, qu’il réabsorbe avant l’interaction. (…) La diversité sort de la structure du vide. (…) Le vide du modèle standard a une structure. Il se comporte d’une façon analogue à un corps supraconducteur. (…) Si le temps d’observation est de dix puissance moins 21 secondes (…) des paires électron-positron peuvent spontanément apparaître. Si le temps d’observation tombe à dix puissance moins 24 secondes, (…) le vide peut bouillonner de pions. Sur un temps de dix puissance moins 26 secondes, une particule Z peut se manifester. (…) Quand on atteint un temps de dix puissance moins 44 secondes, la gravitation devient quantique. »

David Böhm explique ainsi dans « Observation et Interprétation » : « Dans cette théorie, par conséquent, il n’y a pas de particule qui garde toujours son identité (...) Le mouvement est ainsi analysé en une série de recréations et de destructions, dont le résultat total est le changement continu de la particule dans l’espace. »

Il n’y a pas de boule de niveau fondamental connu. Tout est constitué d’éléments agités, sautant d’un état à un autre, sans cesse en changement et en mouvement. Il n’y a pas d’objet au sens que nous sommes habitués à manipuler à notre échelle. C’est pour cela que nous avons tendance à dire, à tort, qu’il n’y a plus d’image de ce qui se passe en physique. Mais cela est faux : il y a une image de la matière que nous allons tenter d’exposer mais ce n’est pas une image classique, ni une image intuitive, ni une image fixe. Et, de plus, c’est une image fondée sur des contradictions dialectiques, ce qui est dérangeant philosophiquement pour la plupart des gens qui croient à une univers logique, immanent, fixe, continu, sans contradiction. Ici les éléments sont directement fondés sur des contradictions qui se maintiennent, qui sont le fondement même de la structure. C’est justement quand les interactions contradictoires ne se suppriment pas que la structure est fondée. C’est en écrivant cette propriété physique que l’on trouve le niveau hiérarchique de structure qui va apparaître de manière émergente des interactions contradictoires et se conserver globalement… Il est caractéristique que le physicien quantique Niels Bohr, très loin d’un dialecticien marxiste, qui a inventé la notion de complémentarité des contraires, écrive des propos aussi dialectiques comme : « Le contraire d’une vérité simple est faux, mais le contraire d’une vérité profonde est encore une vérité profonde. » Nous retrouvons la forme de la boule, aux différents niveaux hiérarchiques des structures de la matière, depuis les immenses structures des espaces intergalactiques (les bulles de vide) jusqu’aux noyaux des galaxies et aux trous noirs, puis aux étoiles, aux atomes, aux noyaux atomiques, aux particules comme le proton, le neutron et l’électron. Certains imaginent même d’autres univers-bulles….

La boule est la structure géométriquement parfaite qui indique qu’aucune direction de l’espace n’est privilégiée, ni pour ce qui se passe à l’intérieur, ni pour un objet venu de l’extérieur. Comprendre comment une telle structure en boule peut apparaitre, c’est analyser la signification de ce qu’est l’intérieur et l’extérieur et comment ils interagissent. Tout d’abord signalons une première difficulté : ces structures étant emboitées, on a des boules qui contiennent des boules qui contiennent d’autres boules, elles-mêmes contenant encore des boules. Je ne sais pas si vous voyez le problème que cela pose… mais des boules formées d’autres boules plus petites ce n’est pas commun comme structures de boules en poupées russes… Mais ce n’est pas tout, ces boules peuvent absorber d’autres boules comme un proton absorbant un électron pour donner un neutron. Là non plus, ce n’est pas classique cette idée d’une boule qui absorbe une autre boule pour donner… une boule ! Enfin, il y a la rotation de ces « boules ». C’est le fameux spin : la boule revient à son état de départ si elle fait deux tours et pas un seul (720° de rotation et pas 360° !)…

Voilà déjà quelques éléments livrés à votre réflexion… et ce n’est pas fini. Une des questions qui se pose est la suivante : ces boules sont-elles des objets fixes ou des structures mouvantes, changeantes, sans cesse construites et sans cesse détruites puis reconstruites à l’identique ? Si elles sont construites et non pas fixes, avec quels éléments peut-on construire une boule ?

Nous allons voir que l’on peut construire une boule à l’aide du matériau qu’offre le vide quantique (des particules et des antiparticules virtuelles capables de se coupler, d’apparaître et de disparaître) et que ce qui constitue la boule pourrait bien être les interactions… Redisons le, une structure, qu’elle soit ou pas une boule, suppose que ce qui est à l’extérieur à tendance à y rester et que ce qui est à l’intérieur a également tendance à y rester. Sauf quand la structure est cassée par une action suffisamment énergétique… Si on examine le phénomène de boule de la goutte d’eau, on trouve un mécanisme qui propose une solution pour conserver à l’intérieur ce qui y est et maintenir à l’extérieur ce qui vient de l’extérieur. Ce mécanisme s’appelle la tension superficielle. La boule d’eau est issue de la compétition entre la gravitation entre molécules d’eau et la tension superficielle de la goutte. C’est cette compétition qui définit la taille de la goutte. Au dessus ou en dessous de cette taille, la goutte ne sera pas stable. Voilà donc un exemple pouvant servir de paradigme pour nos boules de matière. Au moins pour y réfléchir et en discuter… Encore faut-il trouver dans chaque cas ce qui peut avoir un effet de tension superficielle…

La tension superficielle est un phénomène d’augmentation de l’énergie à la surface d’un fluide et qui en augmente localement la cohésion. Cet effet permet par exemple aux insectes de marcher sur l’eau, à un objet léger de se maintenir à la surface d’un liquide, à la rosée de ne pas s’étaler sur les pétales de fleurs, et explique notamment la capillarité. Une molécule qui fait une liaison perd un peu d’énergie. Or une molécule tend vers l’état chimique le moins énergétique : les molécules à la surface du liquide auront donc moins l’occasion de faire baisser leur énergie par des liaisons que les molécules du centre du liquide. Pour tenter de compenser ces opportunités plus réduites de se lier, elles vont se lier beaucoup plus avec les molécules disponibles autour d’elles. C’est par ce phénomène que se crée la tension de surface. La surface est donc une zone plus énergétique que le milieu du liquide. Comme tout système cherche à avoir une énergie minimale, cette surface sera réduite au minimum pour réduire l’énergie excédentaire impliquée. En apesanteur, elle formera alors une sphère, qui offre une surface minimale à volume constant. Sous la forme d’une goutte, sur Terre, suivant son affinité avec la surface sur laquelle elle est posée, elle s’étalera plus ou moins, et formera une surface en dôme, un peu aplatie en raison de la gravité. Cette surface forme une sorte de film en raison du surplus de liaisons. Par exemple, dans le cas de l’eau, ce sont les liaisons hydrogènes qui confèrent à l’eau sa force de cohésion (qui lui permet notamment de rester sous forme de goutte, que l’on peut observer le matin avec la rosée par exemple). Nous pouvons donc dire que plus il y a de liaisons hydrogènes, plus la cohésion de l’eau est importante, et plus il est difficile de la pénétrer. C’est cette cohésion qui explique le fait que des insectes (tels que les Gerris), ou des objets légers (trombones) puissent être posés sur la surface de l’eau sans qu’ils coulent ; et que l’on puisse verser de l’eau dans un verre, jusqu’à ce que le niveau de l’eau dépasse les bords du verre, sans pour autant qu’elle ne coule.

Si la structure émerge de l’agitation des interactions, il faut que celle-ci « calcule » un rayon de courbure donné correspondant à une tension de surface et déterminant le rayon de la boule. Des physiciens ont-ils déjà remarqué dans ces structures de la matière l’équivalent d’une tension de surface correspondant à une des interactions fondamentales.

Citons par exemple Paul Davies qui explique dans « Les forces de la nature » que l’interaction nucléaire qui détermine le noyau atomique correspond à une tension de surface :

« Certains caractère généraux du noyau atomique peuvent être décrits avec succès par des modèles idéalisés. Il y en a plusieurs, mais l’un des plus utiles établit une analogie entre le noyau et une goutte d’eau. Le modèle de la goutte d’eau fournit une explication simple de l’instabilité des noyaux lourds. C’est un fait familier que des petites gouttes sont relativement stables à cause de la tension superficielle, qui tend à les contracter en petites sphères. Les grosses gouttes se déforment et se fragmentent aisément, surtout lorsqu’elles sont perturbées par d’autres forces. La tension superficielle apparaît parce que les molécules d’eau près de la surface sont moins fortement liées que celles de l’intérieur. Pour comprendre cela, imaginons que nous voulions enlever une molécule de la goutte : il est plus facile d’enlever une molécule de la surface où elle a moins de voisines, que de l’intérieur. Supposons alors qu’une molécule des profondeurs vienne à la surface : il faut pour cela fournir un travail contre les forces de liaison. Il y a donc un gain d’énergie si la goutte minimise le nombre de molécules à la surface. L’eau tend donc à adopter une forme qui ait la plus petite surface, c’est-à-dire une sphère. Dans le cas du noyau d’un atome, la force nucléaire attractive produit également une tension superficielle qui tend à donner une forme sphérique au noyau. Toute déformation de cette surface augmente l’énergie de surface. Mais le noyau est aussi soumis aux forces électrostatiques de répulsion entre les protons, qui font juste le contraire. Il y a gain d’énergie à écarter le noyau de la forme sphérique, car les protons dans les renflements sont éloignés du centre. Il y a donc compétition entre la tension superficielle et les forces électriques. Dans les noyaux légers, petits, qui ont peu de protons, la tension superficielle l’emporte sur les effets disruptifs des forces électriques, et le noyau est stable. Dans les noyaux lourds, il y a plus de protons et la stabilité est menacée. »

Une étoile est une boule gazeuse. Si elle reste ainsi, elle s’effondre sur elle-même par effet gravitationnel. Mais, si son fonctionnement d’étoile s’est enclenché dans son noyau, la pression du rayonnement entraine une compétition avec la gravitation qui va permettre à l’étoile de ne pas s’effondrer sur elle-même.

En physique nucléaire, le modèle de la goutte liquide est un modèle permettant de déterminer approximativement en une seule formule générale la distribution des énergies de liaison B en fonction du nombre de masse A, du nombre de protons Z et du nombre de neutrons N : (A = N + Z). L’idée est de traiter la matière nucléonique (nucléon = neutron ou proton) du noyau comme un liquide. Un peu comme l’eau d’une goutte de pluie, sauf qu’ici les forces de Van der Waals entre les molécules d’eau sont remplacées par l’interaction nucléaire forte entre les nucléons ("dilués" dans le volume du noyau). On retrouve ainsi : • un terme de volume (en A) • un terme de surface (les nucléons en surface sont moins liés que ceux au centre du noyau) • un terme de répulsion coulombienne des protons entre eux • des termes quantiques d’asymétrie et d’appariement Dans le modèle de la goutte liquide, le noyau est donc considéré comme un fluide chargé incompressible.

Lire encore sur la fission exposée sur le modèle de la goutte d’eau

Avec les noyaux atomiques, nous avons un exemple de niveau de structure de la manière où la compétition entre deux types d’interactions donne naissance à une structure de boule, en détermine la dimension et les caractéristiques, par exemple les conditions de la stabilité (on détermine ainsi que l’instabilité des noyaux débute avec un nombre de protons Z = 125). Ce qui est aussi remarquable, c’est que cette émergence de structure donne des noyaux de tailles tous différentes mais de sorte que la densité de nucléons soit toujours à peu près la même…

Il existe bien d’autres exemples de structures émergentes en forme de boules issues de forces d’interaction en compétition, des plus « grandes » structures de la matière aux plus « petites » : les immenses bulles de vide qui déterminent les structures intergalactiques en filaments (entre les bulles), les noyaux galactiques eux aussi en forme de boules, les trous noirs, les amas globulaire, les étoiles, les atomes, les noyaux atomiques, les électrons, les protons, les neutrons, les Pions, les Kaons, les quarks, etc… A chaque niveau, on retrouve une compétition entre deux forces d’interaction dont l’une donne naissance à une surface de séparation avec une tension superficielle et cette compétition entre deux interactions amène les éléments intérieurs à rester à l’intérieur comme les éléments extérieurs à y rester.

C’est la compétition qui détermine la taille des structures :

L’électron est contenu entre 6,69 cent-milliardième de centimètre et 3,86 cent-milliardième de centimètres (la zone intermédiaire étant la zone surface). Le proton a une surface à environ 0,82 dix mille milliardième de centimètre comme le neutron. Le pion est une boule qui a un rayon de 0,66 dix mille milliardième de centimètres. La Kaon a un rayon de 0,58 dix mille millardième. Les forces en compétition diffèrent d’une structure à l’autre. On a vu précédemment que le noyau atomique est fondé sur la compétition entre interactions électriques entre protons, qui est répulsive, et la force nucléaire, attractive, qui se comporte comme une tension superficielle. Dans le cas de l’étoile, par exemple, la compétition se déroule entre la force gravitationnelle, attractive, et la pression radiative du plasma subissant des réactions thermonucléaires et des couches périphériques de l’étoile.

Les boules ne sont pas des objets faits d’un seul élément et sont composites, elles mêmes constituées avec des éléments boules de niveau inférieur :
- l’étoile est une boule d’hydrogène et d’oxygène, pour l’essentiel
- le noyau est une boule de protons et de neutrons
- le proton est une boule de quarks
- l’électron est une boule de photons virtuels
- le quark est une boule de gluons

Remarquons que les interactions elles-mêmes sont fondées sur des boules puisque les corpuscules d’interactions sont sous forme de paires constituées d’une boule de matière et d’une boule d’antimatière. Ainsi, le photon est une paire électron et antiélectron. Le méson est une paire quark et antiquark. Le boson de Higgs est une paires d’isospins opposés. Etc, etc…

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  • La géométrie des noyaux atomiques est généralement sphérique, bien que certains noyaux stables suffisamment massifs adoptent également des formes sphéroïdes étirées en ballon de rugby ou, au contraire, aplaties. Certains noyaux instables, dits noyaux à halo, sont caractérisés par un ou plusieurs nucléons aux fonctions d’ondes très distendues, qui donnent au noyau des contours flous et un volume apparent très augmenté ; ces noyaux ont une cohésion nucléaire à la limite extrême du champ d’action de l’interaction forte.

    Dans le modèle de la goutte liquide, les protons tendent à se repousser les uns les autres et, par conséquent, à se concentrer vers l’extérieur des noyaux (aux « pôles » ou à l’« équateur » dans le cas de sphéroïdes), tandis que les neutrons tendent à s’accumuler au centre du noyau. Des dizaines de modèles ont été proposés afin d’expliquer les données expérimentales sur la nature et la structure des noyaux atomiques, mais aucun, à ce jour, ne suffit seul à rendre compte de l’ensemble des observations.

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