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La dialectique des transitions de phase

vendredi 25 mai 2018, par Robert Paris

La dialectique des transitions de phase

Qu’est-ce qu’une transition de phase ?

Qu’est-ce que la dialectique ?

Un lecteur nous écrit :

« Pourtant, la matière n’est pas si dialectique que cela : par exemple, elle se divise en état solide, état liquide et état gazeux et on peut dire qu’elle est ou solide ou (exclusif) liquide ou (exclusif) gazeux, alors que, pour la dialectique, il n’y a pas de « ou exclusif ». On ne peut pas, en conception dialectique hégélienne, répondre « par oui ou par non » à la question est-ce un état ou un autre, mais on le peut pour l’état de la matière. L’univers est fondé sur la matière et la lumière et, là encore, il ne semble pas que la dialectique fonctionne puisqu’on a soit de la matière (fermions) soit de la lumière (bosons) et que les deux obéissent à des lois opposées. Est-on, là aussi, dans du diamétral ou dans du dialectique ? »

Certes, il existe un état solide, avec un saut sans étape intermédiaire pour le passage au liquide et inversement, mais déjà les états liquide et gazeux ne se sont pas révélés aussi séparés et opposés qu’on le pensait autrefois.

Même pour le solide et le liquide, la séparation et l’opposition ne sont pas aussi diamétrales qu’on pourrait le croire. Et cela pour de multiples raisons.

Pour commencer, on peut donner de nombreux exemples de situations où on serait bien en peine de répondre par oui ou par non : est-ce un solide ou (exclusif) est-ce un liquide ?

Commençons par mélanger suffisamment un solide et un liquide, par exemple en prenant un solide en poudre capable de former une pâte avec le liquide, par exemple en prenant de la poudre de noisette (une méthode classique en pâtisserie !). La pâte est à la fois liquide et solide, suivant les propriétés que l’on examine, et, en fait, ni liquide ni solide (un peu comme pour la dualité onde/corpuscule pour laquelle on ne peut pas non plus répondre par un « ou exclusif » à une « question par oui ou par non »).

On peut prendre un autre exemple : la mayonnaise ou n’importe quelle sorte d’émulsion. Elle non plus ne permet pas de répondre par oui ou par non sur la question : solide ou liquide ?

Prenons maintenant la transition à la surface de la mer, entre le liquide-eau et l’atmosphère chargée en eau. Sommes-nous, à la séparation, dans un liquide ou dans un gaz ? Impossible d’y répondre en supprimant l’une des réponses. On est dans les deux et dans aucun des deux ! C’est bel et bien dialectique !

Prenons un liquide dans un état où il est plein de petites bulles. Est-il liquide ou gazeux ?

Prenons maintenant un état de la glace de la zone polaire dans laquelle la mer est pleine de petits glaçons mélangés d’eau. Avons-nous là un solide (la glace) ou un liquide (la mer) ? Les deux et, en même temps, aucun des deux !

Certes, nous sommes accoutumés aux transitions brutales de l’eau qui passe d’un coup de l’état solide à l’état liquide, et d’un autre saut de l’état liquide à l’état gazeux, et inversement. Cependant, dans certaines conditions de températures et de pression et pour certains matériaux, ces transitions brutales n’existent pas et on ne peut pas définir nettement la transition. Et, en mêlant certains matériaux, l’eau elle-même peut se retrouver un solide au-delà de sa température de fusion et est alors dans un état qui avoisine le solide et le liquide.

Et ce n’est pas encore fini : il existe des états intermédiaires entre solide et liquide, comme les plasmas, les fluides supercritiques, les états amorphes, les cristaux liquides, les polyphasiques (comme les émulsions), les verres, les pâtes, les gels, et on en passe…

Même pour l’opposition entre fermions et bosons (disons entre grains de matière et grains de lumière), elle n’est nullement diamétrale. Tout d’abord, les grains de matière sont constamment environnés de grains de lumière et ils en émettent ou en absorbent sans cesse. L’opposition est donc loin d’être diamétrale entre matière et lumière qui sont interdépendants et interconnectés. Sans les grains de lumière, il n’y aurait même pas d’interaction matière-matière puisque les matières (fermions) ont la propriété de ne pas entrer en contact (n’ayant pas le droit d’avoir un même état dans une même position). La matière ne pourrait pas exister sans émettre et absorber de la lumière. Et la lumière ne pourrait pas exister sans être émise par la matière. D’autre part, matière et lumière peuvent parfaitement s’échanger l’un en l’autre. On a donc une opposition qui n’est pas diamétrale et est de type dialectique. Quant à la question de toujours pouvoir répondre par oui ou par non à la question : ou (exclusif) un fermion ou (exclusif) un boson, ce n’est pas possible dans un grand nombre de situations. Par exemple, quand il y a choc très énergétique de deux grains de matière, on ne peut pas dire d’avance ce qui va en sortir : des grains de matière ou des grains de lumière !

Le nuage lui-même, élément fondamental du climat atmosphérique, est déjà une structure dynamique émergente et contradictoire. Il est fondé sur l’eau vapeur et sur l’eau liquide. Les deux sont des phases opposées des états de l’eau. Normalement les deux s’opposent : ou l’eau est sous forme vapeur ou elle est sous forme liquide, sans parler des cas encore opposés où elle est sous forme de cristaux solides. Mais cette opposition directe apparente cache l’interaction permanente, les changements d’états, permanents aussi. C’est d’ailleurs ce qui explique qu’une telle masse d’eau tienne dans l’air en recevant l’énergie du rayonnement solaire. Normalement une telle masse d’eau devrait chuter instantanément du fait de la gravitation. Les gouttes d’eau tombent effectivement mais en tombant elles se réchauffent et vaporisent, remontent et ainsi de suite forment un mouvement collectif qui donne cette impression d’un nuage fixe et stable alors que c’est une structure émergente issue de phénomènes contradictoires se combattant sans cesse : changements d’état, échanges d’énergie, échanges électriques, etc... Ensuite, il y a le lien entre les mers et océans et les nuages. Plus le soleil réchauffe la surface des mers, plus se forment des nuages par vaporisation puis condensation, puis, à nouveau, au sein du nuage des condensations et vaporisations opposées et successives. Mais les nuages, qui sont un produit du réchauffement solaire, ont surtout un effet de refroidissement puisqu’ils bloquent les rayons solaires et les empêchent d’arriver à la surface terrestre. Mais, là aussi, ce phénomène contient en lui-même sa propre contradiction puisque les nuages sont aussi la principale cause du fameux effet de serre et donc de réchauffement car les rayons solaires reçus par la surface terrestre ne sont en partie réémis qu’à un autre niveau d’énergie qui, lui, ne passe pas la barrière des nuages et cette énergie reste donc dans l’atmosphère terrestre. Mais c’est un terrible contresens de faire de cet effet de serre un phénomène sans contradiction interne.

Il n’est plus si courant de dresser un parallèle entre philosophie dialectique (celle de Hegel ou de Marx) et physique de la matière. A l’époque de ces deux grands dialecticiens, l’exemple dialectique qui crevait les yeux était celui des changements d’état de l’eau, en transition entre ses phases solide (la glace ou la neige), liquide et gazeuse (la vapeur d’eau). Les dialecticiens l’avaient pris en exemple parce qu’on y trouvait des changements brutaux et spontanés, dans des expériences accessibles à tous et permettant le raisonnement philosophique sur le mode du changement. On a tous vu un glaçon dans de l’eau liquide, tous vu de la vapeur d’eau s’échappant d’une casserole, tous vu l’eau bouillir et l’eau geler. C’est à la fois courant et étonnant. Car on peut réfléchir sur le caractère à la fois apparemment continu (l’évolution de température) et discontinu (le changement brutal de structure lors de la transition).

On peut alors poser la question : les oppositions entre phases (et leurs propriétés) des états de la matière sont-elles dialectiques (les contraires étant intégrés dans la même structure) ou diamétrales (propres à des dichotomies qui séparent les opposés) ? Le changement est-il intérieur ou produit de l’extérieur ? Cela revient à demander si la nature suit une philosophie du tiers exclus, « ou bien… ou bien… », ou une philosophie dans laquelle les contraires coexistent, se lient entre eux, se transforment sans cesse l’un dans l’autre, sont inséparables…

Cela revient à poser la question : est-ce une action extérieure qui change une phase en son contraire, ou bien est-ce une transformation interne de la structure de la matière sans changement du contenu de la matière elle-même ?

Bien sûr, au premier abord, si on raisonne sur des définitions abstraites au lieu de raisonner sur la dynamique qui les produit, on pourrait dire que le solide s’oppose au liquide ou au gaz par des propriétés différentes qualitativement. Un gaz, ce n’est pas un solide !

Mais la physique nous apprend que la matière, dans son contenu, est restée inchangée. Ce sont exactement les mêmes molécules, les mêmes atomes, sans aucun changement d’aucune sorte de leur contenu, de leurs propriétés, de leurs paramètres internes. La même matière propose donc plusieurs structures possibles et est capable spontanément de sauter d’une structure à une autre. La chaleur ne change que les liaisons entre molécules et pas le contenu des molécules ou leurs propriétés. C’est l’énergie des interactions entre molécules qui est modifiée et qui, à un seuil, transforme la forme de la structure stable des interactions. Non seulement, les molécules peuvent aussi bien se retrouver sous forme solide que liquide ou gazeuse, et elles n’ont pas changé elles-mêmes, mais le changement se réalise spontanément sans apport extérieur. Ainsi, la molécule d’eau (mais ce n’est qu’un exemple) contient aussi bien la potentialité d’être un solide, un liquide ou un gaz. Et on peut même avouer dès maintenant qu’il contient plusieurs structures solides, et plusieurs autres structures que les trois précédentes, des structures « intermédiaires » comme l’état surfondu. Et cependant, il ne faut surtout pas croire qu’un changement d’état passerait continûment par une série d’états intermédiaires. Ce n’est absolument pas le cas : c’est au contraire un exemple typique d’un phénomène décrit par un paramètre apparemment continu d’apport énergétique et de température externe (en interne, la molécule et l’atome ne permettent pas de définir une température !) qui entraîne un changement tout à fait discontinu et même brutal… Tout au plus peut-on trouver finalement un peu plus de continuité dans le changement liquide-gaz (ce sont tous deux des fluides) que dans la transition solide-liquide (changement qualitatif indiscutable, discontinu et brutal). La question, on le notera, est loin de concerner seulement ce type de changements d’état entre solide, liquide et gaz. Les transitions de phase sont un mode de transformation général à la matière. Il concerne non seulement des structures macroscopiques (à notre échelle) comme les états de l’eau, mais aussi les structures microscopiques, quantiques. Il concerne jusqu’à l’astrophysique et à la cosmologie. Le paradigme de la transition de phase concerne toute la physique des changements d’états. Définir le mode de pensée qui guide sa compréhension est donc un objectif scientifique d’importance.

Et ce n’est pas le seul point remarquable : il faut aussi noter que le changement n’est pas un changement unique et univoque. La plupart du temps, les phases coexistent et elles se transforment de manière dynamique l’une dans l’autre en permanence. On peut seulement distinguer s’il y a plus de probabilité de transformations dans un sens que dans l’autre. Par exemple, un glaçon baigne dans de l’eau liquide. Il y a sans cesse de la glace qui fond et de l’eau liquide qui se solidifie. Et les deux se produisent simultanément et concurremment.

Oui, peut-on discuter, mais il finira par y avoir un équilibre stable qui sera soit de la glace soit du liquide, c’est-à-dire qu’on retrouvera l’opposition diamétrale, la dichotomie que l’on prétendait disparue. Ce n’est pas nécessairement vrai : la coexistence des phases peut tout à fait rester durable et même permanente. L’équilibre peut ne jamais être atteint parce que les changements ont lieu dans les deux sens. Les contraires ne se détruisent donc pas de manière inéluctable.

Le plus remarquable est encore le fait qu’à leur niveau, la molécule et l’atome soient incapables de distinguer s’il appartient à un liquide, à un solide ou à un gaz. Cela signifie que la structure n’émerge des interactions qu’à une certaine échelle sans laisser de traces aux échelons inférieurs de la structure hiérarchique de la matière.

Les phases sont donc des modes d’organisation émergeants, bâtis sur la même matière, dans le même état fondamental et possédant les mêmes propriétés, mode d’organisation capable de sauter brutalement d’un état à un autre, en contradiction radicale avec le précédent.

Il n’y a aucun caractère « solide » (matériel) à la structuration des solides sous forme cristalline. Ce n’est rien d’autre qu’un mode d’organisation, une forme !!! Si la forme d’organisation saute, le changement qualitatif se produit immédiatement et on saute du solide au liquide.

Le pire, c’est qu’il existe des situations, rares mais réelles, où on ne peut pas dire clairement si c’est un solide ou un liquide, un liquide ou un gaz, ou encore deux autres types d’états car rien ne les distingue alors ! Cela peut être le cas lors de la transition ou du point triple. Mais cela peut aussi être le cas dans toute une zone de températures et de pressions où l’état n’est plus distinct !!!

On ne peut donc trouver aucune opposition diamétrale entre les états de la matière… Et pourtant, ils s’opposent !!! Leurs propriétés sont très clairement distinctes !!! Il s’agit donc bel et bien d’une opposition de type dialectique, celle où les contraires sont intégrés au sein de la même structure, coexistent et même sont indispensables les uns aux autres.

Voici comment Robert B. Laughlin expose l’affaire dans « Un univers différent » :

« Les états de la matière – dont les plus connus sont le liquide, le gazeux et le solide – sont des phénomènes organisationnels. Beaucoup sont surpris de l’apprendre puisqu’ils paraissent si fondamentaux et familiers, mais c’est la pure vérité… Si l’organisation d’un solide cristallin – l’arrangement ordonné des atomes en réseau – fait faux bond, la rigidité s’évanouit, car sous cette structure-là il n’y a aucun actif physique. La propriété que nous valorisons, c’est l’ordre. Nous préférons, pour la plupart, ne pas penser que nous confions notre vie à un mode d’organisation, mais nous le faisons tous les jours. Les économies, par exemple, sont des phénomènes purement organisationnels…

De plus, si certains aspects des états de la matière sont universels, donc faciles à prévoir, d’autres, comme l’état que l’on a dans telles ou telles conditions, ne le sont pas – l’eau étant un cas particulièrement embarrassant. La glace de l’eau ordinaire présente, au dernier décompte (le chiffre continue d’augmenter avec les dernières découvertes), onze états cristallins distincts, dont aucun n’a été correctement prédit à partir des principes premiers. Le diagramme des phases de l’eau n’est pas encore complètement connu, même expérimentalement. Les controverses sont exposées par Lobban, Finney et Kuhs dans « Nature » (1998) et Franks dans « Water : A Matrix of Life » (2000). Citons : http://www.sbu.ac.uk/water/phase.html et http://www.cmmp.ac.uk/people/finney...

(…)

Les états sont un cas d’émergence élémentaire et bien étudié, qui démontre de façon convaincante que la nature a des murs d’échelle : les règles microscopiques peuvent être parfaitement vraies mais sans aucune pertinence pour les phénomènes macroscopiques, car ce que nous mesurons leur est insensible ou au contraire trop sensible. Bizarrement, c’est parfois les deux à la fois. Par exemple, il est actuellement trop difficile de calculer à partir de rien quel état cristallin de la glace va se former à une température et sous une pression données, mais il n’y a aucun besoin de calculer les propriétés macroscopiques d’un état donné, parce qu’elles sont entièrement génériques.

On peut mesurer la gravité de ce problème à la difficulté d’expliquer clairement comment on sait que les états sont d’ordre organisationnel. Les preuves se révèlent toujours complexes, indirectes et regrettablement entrelardées de théories – un peu comme celles de la supériorité du produit dans une publicité pour une savonnette ou une voiture. La raison profonde est la même dans les deux cas : le lien logique qui va des réalités de base à la conclusion n’est pas très substantiel. Ce dont nous sommes certains, c’est que les solides cristallins sont des réseaux d’atomes ordonnés – comme le révèle leur tendance à dévier les rayons X à des angles précis -, alors que les liquides et les gaz ne le sont pas. Nous savons aussi que les systèmes composés de petits nombres d’atomes sont régis par des lois du mouvement simples et déterministes et par rien d’autre. Nous savons également que les tentatives pour découvrir à quelle échelle ces lois cessent de fonctionner ou sont supplantées par d’autres lois ont échoué. Enfin, nous savons que les lois élémentaires ont en principe la capacité d’engendrer des états et des transitions d’états en tant que phénomènes organisationnels…

Il y a quantité d’exemples quotidiens de l’exactitude créée par les états. Les liquides, par exemple, ne vont tolérer aucune différence de pression entre un point et un autre, sauf pour celle que cause la gravité. C’est une propriété générale de l’état liquide, quelle que soit la composition du liquide dont il s’agit… L’état liquide a une version électronique, l’état métallique, qui ne tolère aucune différence de tension. L’exactitude de cette propriété des métaux est le principe qui permet la conduction de l’électricité par des fils métalliques… Les états liquide et métallique ont tous deux des versions spéciales à basse température, le superfluide et le supraconducteur, qui ont des comportements exacts encore plus impressionnants.

Mais l’exemple le plus simple d’exactitude émergente est la régularité des réseaux cristallins, l’effet qui, en dernière analyse, assure la rigidité des solides. L’ordre atomique des cristaux peut être parfait à des échelles d’une longueur époustouflante – dans de très bons échantillons, jusqu’à cent millions d’espacements interatomiques…

L’aspect le plus stupéfiant de l’ordre cristallin, c’est qu’il reste exact quand la température monte… Les propriétés qu’on associe normalement aux solides, telles que la forme et l’élasticité, se conservent et ne peuvent être perdues que sur le mode de la « catastrophe »…

Les transitions de la glace, fonte et sublimation, signalent la destruction de l’ordre cristallin et son remplacement par un autre ensemble de comportements exacts collectivement baptisé « hydrodynamique ». Les lois de l’hydrodynamique constituent une codification mathématique précise de tout ce que nous associons intuitivement à l’état fluide, par exemple l’importance de la pression hydrostatique, la tendance à l’écoulement régulier en réaction aux différences de pression, et les règles de la viscosité. Personne n’a jamais réussi à déduire ces lois de principes premiers, bien qu’il soit possible d’avancer des raisonnements très plausibles dans de nombreux cas. Comme pour la plupart des réalités émergentes, nous y croyons parce que nous les observons…

L’émergence de la loi hydrodynamique aux longueurs d’onde élevées explique pourquoi l’onde de compression du son se propage universellement dans les fluides, et pourquoi la force de cisaillement d’un fluide est toujours très exactement de zéro…

Les fluides isotropes ne sont pas le « contraire » des solides, ils constituent l’un des nombreux états possibles autres que le solide… Il y a d’autres états possibles, plus rares : cristal liquide, état hexatique, état incompressible, état supersolide... Ces états bizarres sont rares, mais leur existence est importante, parce qu’elle démontre que les états solide, liquide et gazeux qui nous sont familiers sont des cas particuliers d’une phénomène plus général.

La propriété exacte qui distingue l’eau liquide de la vapeur d’eau est quelque chose d’infiniment plus subtil : leur interface. L’eau et la vapeur paraissent si différentes qu’on imagine mal que les distinguer puisse poser problème, mais parfois c’est difficile. Lorsqu’on augmente la pression de la vapeur au-dessus d’une marmite en train de bouillir (ce qui a pour effet secondaire d’élever la température d’ébullition), la surface tourbillonnante devient de plus en plus difficile à voir et, à une pression critique, elle disparaît. A cette pression-là, le liquide et la vapeur ont perdu leurs identités séparées et on fusionné en un seul état, le fluide, si bien qu’il n’y a pas de surface…

Le phénomène émergent qui distingue les états liquide et gazeux n’est donc pas le développement de l’ordre, mais le développement d’une surface. Comme le réseau d’un solide cristallin ou les lois de l’hydrodynamique dans le fluide, cette surface et les règles de son mouvement deviennent de mieux en mieux définies aux grandes échelles de distance et de temps mais perdent leur signification à la limite opposée. C’est l’effet auquel nous devons les nuages, la pluie et la magnifique violence de la mer. (voir B.J. Mason, « The Physics of Clouds »)

Le fait le plus important, et de loin, de l’organisation d’état est de faire exister les objets. C’est un point délicat qu’il est facile de négliger, puisque nous sommes habitués à penser la solidification en termes d’agglomération de sphères newtoniennes. Mais les atomes ne sont pas des sphères newtoniennes, ce sont des entités quantiques éthérées auxquelles manque la plus centrale de toutes les propriétés d’un objet : une position identifiable. C’est pourquoi les tentatives pour décrire les atomes libres en termes newtoniens ont toujours abouti à des absurdités – on doit conclure, par exemple, qu’ils ne sont ni ici ni là mais simultanément partout. C’est leur agglomération en grands objets qui donne un sens à une description newtonienne des atomes, et non l’inverse… Dans la brisure de symétrie, la matière acquiert collectivement et spontanément une propriété et une préférence qui n’existait pas dans les règles antérieures. Par exemple, lorsque des atomes s’ordonnent en cristal, ils acquièrent des positions privilégiées, mais ces positions n’avaient rien de privilégié avant la constitution du cristal. »

Lucien Sève écrit dans « Sciences et dialectiques de la nature » :

« Qu’entre qualité et quantité il y ait passage conceptuel susceptible de reproduire des passages réels est chose si peu hypothétique qu’existe une discipline scientifique dont c’est tout l’objet, la physique des transitions de phase. (…) L’étude des transitions de phase nous dispense bien des leçons (de dialectique). Etablissant que « la distinction entre liquide et gaz n’est pas absolue » et devient même indécidable dans cet entre-deux de l’ordre et du chaos qu’est le phénomène critique, elle illustre de saisissante façon la pertinence d’une attitude dialectiquement critique envers les dichotomies tranchées de l’entendement, fût-ce celui de la physique classique. Sans doute faut-il préciser que si la dualité du liquide et du gaz recouvre une simple différence de degré dans la rubrique générale des fluides, il en va autrement de la différence qualitative entre liquide et solide. Mais cette distinction ne peut être prise pour absolue, puisqu’existent entre ces deux phases nombre d’états semi-organisés – cristaux liquides, quasi-cristaux, états nématiques et smectiques… -, « matière molle » pour laquelle « le passage du solide au liquide s’effectue sur une plage de températures assez étendues », comme l’écrit de Gennes… Comme l’écrit Hegel, le qualitativement nouveau « n’est pas venu au jour à partir du précédent » mais immédiatement à partir de lui-même. Idée hardie et profonde, qui bouscule la pusillanimité à penser la nouveauté essentielle du nouveau par rapport à ses conditions préalables, et préfigure certains usages contemporains du concept d’émergence. Or, cette question, la science des transitions de phase se l’est posée à son tour dans les termes de la physique. Peut-on expliquer les discontinuités qui s’observent à l’échelle macroscopique par exemple dans la vaporisation d’un liquide à partir de sa structure microscopique ? Se produirait-il une « modification brutale » à la température de transition « dans les interactions entre atomes » dont le changement de phase serait le reflet ? La question, indique Roger Balian dans « Le temps macroscopique », a été définitivement tranchée : « Rien à l’échelle atomique ne distingue l’eau de sa vapeur ou de la glace ; leurs transformations mutuelles ne traduisent qu’un changement d’organisation de l’édifice global, contrôlé seulement par deux paramètres macroscopiques, la température et la pression. »

L’inexistence de contraires diamétraux poussent à voir de la dialectique dans la physique des changements de phase de la matière !

Boukharine écrit ainsi dans « La théorie du matérialisme historique » :

« Hegel parle du passage de la quantité à la qualité. Nous allons l’expliquer par un exemple très simple. Supposons que nous chauffions de l’eau. Aussi longtemps que la température reste inférieure à 100, elle ne bout pas et ne se transforme pas en vapeur. Ses parcelles s’agitent de plus en plus rapidement, mais elles ne surgissent pas à sa surface à l’état de vapeur. Nous n’observons ici qu’un changement de quantité, les parcelles s’agitent de plus en plus rapidement, la température monte, mais l’eau reste de l’eau, avec toutes ses qualités. La quantité change sans cesse, mais la qualité reste la même. Mais lorsque nous avons amené l’eau à la température de 100, c’est-à-dire jusqu’au point « d’ébullition », elle commence à bouillir tout à coup, comme si ses parcelles, qui tournaient avec une vitesse vertigineuse, avaient perdu la tête et sauté à la surface sous forme de billes de vapeur. L’eau cesse d’être eau : elle devient vapeur, gaz. C’est une matière nouvelle, ayant des qualités nouvelles. C’est ici que nous voyons deux particularités principales dans le processus de transformation. Premièrement, à un certain degré du mouvement, les transformations quantitatives provoquent les changements qualitatifs (ou, comme on dit brièvement : « la quantité se change en qualité ») ; deuxièmement, ce passage de la quantité à la qualité se fait par un bond, la continuité et la « gradualité » étant tout d’un coup troublées. L’eau ne se transforme pas constamment et avec une sage progression d’abord en une « petite » vapeur qui est devenue ensuite « grande ». Elle n’a pas bouilli jusqu’à un certain moment, mais elle s’est mise à le faire aussitôt qu’elle est arrivée à un certain « point ». Et c’est cela qui s’appelle un bond. La transformation de la quantité en qualité est une des lois essentielles du mouvement de la matière, qu’on peut suivre dans la nature et dans la société, littéralement pas à pas. Suspendez un poids à une ficelle et ajoutez-y peu à peu un poids supplémentaire par petites quantités. Jusqu’à une certaine limite, la ficelle « tient », mais aussitôt que vous aurez dépassé une certaine limite, elle casse instantanément (« par bond »). Condensez la vapeur dans une chaudière. Jusqu’à un certain moment, tout ira bien ; seule, l’aiguille du manomètre (instrument qui indique la pression Je la vapeur) marquera un changement quantitatif de la pression exercée par la vapeur sur les parois de la chaudière. Mais aussitôt que l’aiguille aura dépassé une certaine limite, la chaudière éclatera. La pression de la vapeur aura été un tout petit peu plus grande que la résistance des parois. Jusqu’à ce moment, les changements quantitatifs n’ont pas amené un « bond », un changement qualitatif, mais arrivée à un certain point, la chaudière a éclaté. Plusieurs hommes n’arrivent pas à soulever une pierre, un homme de plus se joint à eux, ils ne la soulèvent pas encore, une faible femme survient et tous ensemble soulèvent la pierre. On a eu besoin ici d’un tout petit supplément de force, et avec lui, on a pu soulever la pierre. Prenons encore un exemple dans le domaine des sentiments humains. Il existe un conte de Léon Tolstoï intitulé Trois pains et une brioche, dont voici le sujet : un homme avait faim et n’arrivait pas à se rassasier ; il mange un pain et a encore faim ; il en mange un autre et a toujours faim ; de même après le troisième ; mais lorsqu’il a mangé la brioche, il sent tout à coup qu’il n’a plus faim. Il se met alors à s’injurier pour ne pas avoir mangé d’abord la brioche : je n’aurais pas eu besoin, dit-il, de manger les trois pains. Cependant, il est clair que cet homme se trompe. Ici aussi, le changement qualitatif, le passage du sentiment de la faim à celui de la satiété, se produit plus ou moins par « bond » (après la brioche). Mais ce changement qualitatif a été, préparé par un changement quantitatif : s’il n’avait pas mangé les pains, la brioche ne l’aurait pas rassasié. Nous voyons ainsi qu’il est absurde de nier les « bonds » et de parler seulement de la sage progression. En réalité, nous avons affaire aux bonds très souvent dans la nature et le dicton suivant lequel « la nature ne fait pas de bonds » n’est que l’expression d’une crainte des « bonds » dans la société, c’est-à-dire l’expression de la peur des révolutions. »

Lénine expose dans « Matérialisme et empiriocriticisme » la particularité fondamentale de la dialectique dans l’étude de la matière :

« Le matérialisme dialectique insiste sur (...) l’absence de lignes de démarcations absolues dans la nature, sur la transformation de la matière mouvante d’un état en un autre, celui-ci apparemment incompatible de notre point de vue avec celui-là, etc… Aussi singulière que paraisse du point de vue du « bon sens » la transformation de l’éther impondérable (vide) en matière pondérable (masse) et inversement, (...) tout cela ne fait que confirmer une fois de plus le matérialisme dialectique. (...) A notre époque, l’idée de développement, d’évolution, est presque totalement entrée dans la conscience sociale, mais par d’autres voies que celles de la philosophie de Hegel. Cependant cette idée, telle que l’ont formulée Marx et Engels, s’appuyant sur Hegel, est beaucoup plus complète, beaucoup plus riche, que l’idée courante d’évolution. Un développement qui semble reproduire des stades déjà franchis mais les reproduire autrement, sur une base plus élevée (« négation de la négation »), développement pour ainsi dire en spirale et non en ligne droite ; un développement par bonds, par catastrophes, par révolutions ; des « solutions de continuité » ; la transformation de la quantité en qualité ; des impulsions internes à se développer, provoquées par la contradiction, le heurt de forces et de tendances différentes agissant sur un corps donné ou dans les limites d’un phénomène donné ou à l’intérieur d’une société donnée ; une interdépendance et une liaison très étroite, indissoluble, de tous les aspects de chaque phénomène (ces aspects, l’histoire en fait apparaître sans cesse de nouveaux), liaison dont résulte le processus universel du mouvement (...) »

En fait, la dialectique des états de la matière est une dépendance de la dialectique ordre/désordre…

L’astrophysicien Michel Cassé souligne à ce propos dans « Du vide et de la création » que « Les transitions de phase marquent des réorganisations radicales de structure. (...) L’Univers épouse une succession d’états dynamiques. Il est emporté par le changement. (...) L’histoire du refroidissement de l’Univers sera scandé par les transitions fondamentales qui font apparaître sous une forme radicalement nouvelle la matière ou bien les forces qui gouverne son comportement, c’est-à-dire les brisures de symétrie. »

Ce sont des transitions de phase qui ont produit tous les éléments actuellement présent dans l’Univers. Gilles Cohen-Tannoudji l’explique dans "La Matière-espace-temps : « Des transitions de phase s’accompagnant de brisures de symétrie ont différencié les particules et leurs interactions, et produit le germe de toute la variété des structures actuellement présentes dans l’univers. »

« L’évolution de l’univers procède ainsi par brisures de symétrie successives qui se soldent par des transitions de phase, lesquelles bouleversent l’apparence globale du cosmos. »écrit Michel Cassé dans « Dictionnaire de l’ignorance ».

Michel Cassé souligne également dans « Du vide et de la création » que « Les transitions de phase marquent des réorganisations radicales de structure. (...) L’Univers épouse une succession d’états dynamiques. Il est emporté par le changement. (...) L’histoire du refroidissement de l’Univers sera scandé par les transitions fondamentales qui font apparaître sous une forme radicalement nouvelle la matière ou bien les forces qui gouverne son comportement, c’est-à-dire les brisures de symétrie. »

Stuart Kauffman dans « La complexité, vertiges et promesses » :

« Ce qui qualifie un phénomène émergent, c’est une propriété collective qui n’est présente dans aucune des molécules individuelles. Les lois qui gouvernent les systèmes émergents sont en relation avec les lois mathématiques des transition de phase survenant dans de tels systèmes, et plus généralement dans tout ce qui se passe à un niveau supérieur à celui des molécules individuelles. »

« Les physiciens ont été guidés par l’effet collectif par excellence en physico-chimie, la transition de phase. Qu’il s’agisse du simple phénomène de cristallisation de l’eau, de l’aimantation d’un ferro-aimant ou de la formation de paires d’électrons de Cooper responsables de la supraconductivité, le phénomène macroscopique intrinsèquement collectif que constitue ne transition de phase, a les propriétés recherchées. Dans tous les cas, elle se solde par la modification d’une symétrie. (...) La symétrie initiale n’est cependant pas détruite, seulement dissimulée (...) Dans tous ces cas, apparaît une nouvelle propriété macroscopique mesurable directement issue du caractère collectif de la réorganisation des degrés internes de liberté du système. Et enfin, dans tous les cas, la transition a lieu à un seuil critique de température qui est directement lié à une propriété thermodynamique : la tendance d’un système à adopter la configuration correspondant à la minimisation de l’énergie interne. » écrit Edgar Gunzig dans "Le vide".

Les transitions de phase sont maintenant légion dans tous les domaines de la physique (fusion, sublimation, ionisation, solidification, liquéfaction, vaporisation, transition ferromagnétique, hyperfluidité, supraconductivité, états du proton ou du neutrino, histoire du cosmos, passage du microscopique au macroscopique, effet tunnel, transition de phase de la matière nucléaire et de multiples autres ruptures spontanées de symétrie). Les changements brutaux et qualitatifs d’état n’étonnent plus en Physique et ils sont la règle. Les transitions de phase sont devenues une interprétation classique des transformations révolutionnaires de la matière. Elle n’est plus dès lors considérée seulement comme quantitative mais comme une structure qualitative, avec des sauts d’une structure à une autre, comme par exemple les sauts entre les diverses structures de la glace ou de la neige ou celles des cristaux. La matière inerte subit des sauts qualitatifs. On connaît bien les transitions de phase entre états de la matière (solide, liquide, gaz mais aussi plasma ou état granulaire, état superfluide, état ferromagnétique, etc…). Même si la température croît progressivement (par petits bonds), la matière, elle, change brutalement d’état, passant du solide au liquide et au gaz. Ce n’est pas la composition de la « chose » qui détermine l’état mais la structure des interactions. C’est la même molécule d’eau qui participe du liquide, du solide ou du gaz et, pourtant, dans ce passage les lois changent fondamentalement. Pour observer à l’œil nu des changements de structure, on peut suivre par exemple la transformation d’un flocon de neige que les spécialistes appellent une « métamorphose ». Même s’il n’existe pas deux flocons identiques, il y a des types structurels et des sauts de structure et non une évolution lente. Des transitions, la matière en connaît de multiples : transitions d’état électromagnétique d’un matériau, le ferromagnétisme par exemple, transitions d’état de la particule, transitions liées à un choc, etc… A grande échelle, on constate également des transitions d’état. La naissance d’une étoile doit ainsi être considérée comme une transition. Ce qui la caractérise est non seulement le saut mais le changement qualitatif, structurel. Un nuage de gaz et de poussières peut s’agglomérer, mais, lorsque le noyau atteint 12 millions de degrés, des réactions nucléaires en chaîne ont lieu. Les lois au sein d’une étoile ne ressemblent en rien à celles dans le nuage qui lui a donné naissance. Une étoile est née. C’est un nouvel ordre. Les lois de conservation de l’étole ne sont plus les mêmes que celles du nuage. D’autres transitions suivent, à d’autres niveaux seuils de la température, de la taille et de la composition de l’étoile, qui mènent l’étoile vers d’autres réactions nucléaires et d’autres chocs, la supernova finissant par faire exploser l’étoile et constituer des noyaux lourds des derniers éléments chimiques de la classification de Mendeleïev. L’étude des transitions de phase de la matière indique que la relation entre phases (gaz, liquide, solide) est dynamique et non statique. Aucune portion n’est en permanence en état de fluide ou de solide. Les phases s’échangent, se mêlent, échangent de la matière et de l’énergie, constituent entre elles des frontières dynamiques, passent brutalement d’un état à l’autre. Il n’y a entre elles aucune frontière fixe. Un état ne se maintient que par échange avec un autre. La conservation n’est compréhensible que comme produit de la transformation. La compréhension de la dynamique du mouvement et du changement doit intégrer les contradictions. Ce sont elles qui permettent que la dynamique mène à des structure entièrement nouvelles : émergentes.

Pourquoi parler à ce propos de la dialectique de Hegel ?

G.W.F Hegel écrit dans « La Grande Logique » :

« "La nature ne fait pas de sauts" dit-on ; et l’opinion ordinaire, quand il s’agit de comprendre l’avènement ou la disparition, s’imagine, comme nous l’avons vu, les comprendre en se les représentant comme un avènement ou une disparition graduels. Mais il s’est déjà manifesté que les changements de l’être ne sont pas le passage d’une quantité à une autre quantité, mais le passage du qualitatif au quantitatif et inversement, la transition en un autre qui est une interruption du graduel et un changement qualitatif par rapport à l’être déterminé antérieur. L’eau refroidie ne devient pas peu à peu dure, de façon à se gélifier et à durcir peu à peu jusqu’à la consistance de la glace, mais devient dure d’un seul coup ; ayant déjà atteint la température de la glace, elle peut encore conserver son état liquide si elle demeure immobile, mais à la moindre secousse elle passe alors à l’état solide. (...) De la même façon, des Etats, à cause de leur différence de grandeur, tout autre facteur étant égal, acquièrent un caractère qualitatif différent. Les lois et la constitution deviennent autres quand l’étendue de l’Etat et le nombre de citoyens s’agrandissent. Il y a une mesure quantitative de l’Etat au delà de laquelle il s’écroule intérieurement sous la même constitution qui, avant son extension, faisait son bonheur et sa force.. D’une part, la disparition apparaît comme inattendue quand on peut changer la quantité sans toucher à la qualité et à la mesure, - d’autre part, on croit la rendre intelligible par l’idée de gradualité. On se rabat avec tant de facilité sur cette catégorie pour représenter ou pour expliquer la disparition d’une qualité ou de quelque chose, parce que de cette façon la disparition semble s’accomplir devant vos yeux ; en effet, la quantité étant déterminée comme limite extérieure, la transformation purement quantitative se comprend d’elle-même. Mais en fait on n’explique rien ; la transformation est essentiellement le passage d’une qualité en une autre. (...) Ce qui est faux, c’est le comportement ... de notre conscience ordinaire qui considère une quantité comme une limite indifférente seulement... La ruse du concept consiste à saisir un être déterminé par le côté où sa qualité ne semble pas entrer en jeu. »

G.W.F Hegel écrit aussi dans « La Logique » :

« Quand on veut se représenter l’apparition ou la disparition de quelque chose, on se les représente ordinairement comme une apparition ou une disparition graduelles. Pourtant les transformations de l’être sont non seulement le passage d’une quantité à une autre, mais aussi le passage de la quantité à la qualité et inversement, passage qui, entraînant la substitution d’un phénomène à un autre, est une rupture de progressivité… A la base de la théorie de la progressivité se trouve l’idée que ce qui surgit existe déjà effectivement, et reste imperceptible uniquement à cause de sa petitesse. De même, quand on parle de disparition graduelle d’un phénomène, on se représente que cette disparition est un fait accompli, et que le phénomène qui prend la place du phénomène précédent existe déjà, mais qu’ils ne sont pas encore perceptibles ni l’un ni l’autre… Mais, de cette manière, on supprime en fait toute apparition et toute disparition… Expliquer l’apparition ou la disparition d’un phénomène donné par la progressivité de la transformation, c’est tout ramener à une tautologie fastidieuse, car c’est considérer comme prêt d’avance (c’est-à-dire comme déjà apparu ou disparu) ce qui est en train d’apparaître ou de disparaître. »

G.W.F Hegel écrit encore dans « La Science de la Logique » :

« Les modifications de l’être ne consistent pas seulement en ce qu’il y a passage d’une quantité à une autre quantité, mais aussi en ce qu’il y a passage de la qualité à la quantité et vice versa… Chacun des passages de cette dernière sorte constituant une rupture de la continuité et conférant au phénomène un aspect nouveau, qualitativement différent du précédent… C’est ainsi que l’eau que l’on refroidit se solidifie, non point progressivement… mais d’un coup ; refroidie jusqu’au point de congélation, elle demeure liquide si on la maintient en repos, et il suffit alors de la moindre impulsion pour qu’elle se solidifie instantanément… Dans le monde des phénomènes moraux… il se produit d’identiques passages du quantitatif au qualitatif, ou, autrement dit, les différences de qualité se fondent, là aussi, sur des différences quantitatives. C’est ainsi que l’un-peu-moins et l’un-peu-plus constituent la frontière au-delà de laquelle la légèreté cesse d’être légèreté pour se transformer en quelque chose d’absolument autre : en crime… »

Le changement d’état dans la matière

La philosophie dialectique est-elle d’actualité pour la pensée scientifique

Entropie et dialectique

Gradualité et bonds, selon Hegel

Ordre et désordre

Dialectique de l’ordre et du désordre dans la matière

Des cycles désordre-ordre-désordre

La physique de la matière et la philosophie dialectique

« La quantité se transforme en qualité », thèse dialectique

Transitions de phase de l’eau

Qu’est-ce qu’une transition de phase ?

Les sauts qualitatifs des structures de la glace

Les discontinuités révolutionnaires de la matière

Pourquoi l’agitation fait émerger des structures

La hiérarchie d’échelle des états de la matière

La rétroaction d’échelle

Dialectique et matière

La physique de la matière et la philosophie dialectique

Une transition de phase

Dialectique des transitions de phase

2 Messages de forum

  • La dialectique des transitions de phase 9 novembre 06:57, par alain

    Le miel, c’est un liquide, un solide, un fluide, un cristal, un amorphe… ou quoi ?

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  • La dialectique des transitions de phase 9 novembre 07:00, par Robert Paris

    C’est un bel exemple de l’impossibilité de raisonner par dichotomies : ou solide ou fluide, ou ordonné ou désordonné, ou visqueux ou non visqueux, oo-ou…

    C’est un liquide en cristallisation qui est très visqueux : 100.000 fois la viscosité de l’air et mille fois celle de l’eau !!! Mais il peut être plus ou moins liquide et plus ou moins solide…

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