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17- Aujourd’hui, qu’est-ce que la matière ?
vendredi 30 octobre 2009, par ,
Ce qu’est aujourd’hui la matière :
Par le physicien Gilles Cohen-Tannoudji
Voici une image de l’atome tel qu’on peut le voir avec les moyens actuels
Ce qu’était autrefois la matière :
Lucrèce dans son De Rerum Natura
" Les corps, ce sont d’une part les principes simples des choses, les atomes, et d’autre part les composés, formés par ces éléments premiers. Pour ceux-ci, il n’est aucune force qui puisse les détruire ; à toute atteinte leur solidité résiste... Au reste, si l’on n’admet pas dans la nature un dernier terme de petitesse, les corps les plus petits seront composés d’une infinité de parties, puisque chaque moitié aura toujours une moitié et cela à l’infini. Quelle différence y aurait-il alors entre l’univers même et le plus petit corps ? On n’en pourrait point établir ; car si infiniment étendu qu’on suppose l’univers, les corps les plus petits seraient eux aussi composés d’une infinité de parties. La droite raison se révolte contre cette conséquence et n’admet pas que l’esprit y adhère ; aussi faut-il t’avouer vaincu et reconnaître qu’il existe des particules irréductibles à toute division et qui vont jusqu’au dernier degré de la petitesse ; et, puisqu’elles existent, tu dois reconnaître aussi qu’elles sont solides et éternelles."
Les particules et leurs interactions, le film
Chacun sait que la physique a découvert que la matière, comme la lumière, est constituée de « grains » appelés particules. La matière serait appelée fermions, c’est-à-dire particules obéissant à la règle de Fermi qui empêche les particules de même état de s’agglomérer du fait du « principe de Pauli ». Les fermions sont de deux types : leptons (comme l’électron) ou quarks (constituant des neutrons et des protons). La lumière – expression employée ici pour regrouper toutes les particules dites d’interaction - serait formée de bosons, c’est-à-dire de particules qui obéissent à la règle de Bose qui concerne des particules qui ont tendance à s’agglomérer dans un état commun.
L’ensemble a semblé dans un premier temps fonctionner comme un jeu de construction : on additionne les particules pour former des ensemble plus importants comme l’atome, les molécules et les macromolécules. On additionne les neutrons et les protons pour former le noyau des atomes et on rajoute les électrons pour former l’entourage atomique qui permet à l’atome d’être globalement neutre électriquement.
Cette logique additive n’est pas entièrement fausse mais elle a atteint ses limites d’explication et depuis longtemps maintenant elle est abandonnée par les physiciens pour expliquer le fonctionnement de la matière/lumière. La première raison provient du fait que cette image additive supposait que les particules soient des objets statiques, individuels, existant en permanence ou au moins sur de longues durées. A chaque particule individuelle était attribuée une masse qui était considérée comme attachée à la chose matérielle. La physique actuelle est très différente. L’individualité de la particule n’est plus admise. La masse est une propriété qui se déplace et saute d’un point à un autre, sans être fixée à un objet. L’objet lui-même n’est plus une image reconnue. En fait, la matière ne s’explique plus par la fixité mais, au contraire, par une dynamique extraordinairement agitée : celle du vide qui n’est plus synonyme d’absence. Le fondement du caractère apparemment conservatif de la structure globalement conservée qu’est la matière est l’agitation permanente du vide !
Ce qu’est aujourd’hui la matière et la lumière :
La matière et la lumière sont deux phénomènes dialectiquement opposés, c’est-à-dire des inverses inséparables.
Tous deux sont des structures et des rythmes issus des interactions en tous sens et en permanence d’un grand nombre d’oscillateurs dipolaires couplés que sont les couples de particules et de leurs antiparticules virtuelles du vide quantique.
Ni la lumière ni la matière, même dans leurs manifestations dites élémentaires (un seul corpuscule) ne sont des objets. Ce sont des phénomènes d’émergence de structure et de rythme. Ils sont fondés sur un grand nombre de particules virtuelles et de photons virtuels.
La particule durable (électron, proton, neutron – quark ou lepton) n’ont pas d’existence, de consistance au même sens où les objets qui nous entourent ont d’existence à nos yeux. Ces derniers n’apparaissent pas, ne disparaissent : ils semblent exister en continu, suivre tous les points de leurs trajectoires, et ne peuvent pas s’échanger de façon insensible. Ils ont une histoire qui n’est pas statistique mais individuelle. Ils existent dans des tailles diverses qui ne sont pas des multiples d’une quantité en nombre entier. En somme, les objets de tous les jours n’ont aucune apparence quantique. Et les quanta ne ressemblent pas à de tels objets. C’est ce qu’a démontré la physique quantique. On ne peut pas les suivre continûment dans l’espace-temps. Ils n’ont pas d’existence individuelle et, quand ils se rencontrent, il n’est pas possible de les distinguer car ils sont complètement interchangeables et identiques, alors qu’aucun objet à notre échelle n’est identique à un autre. Le nombre de particules n’est jamais un nombre fixe. Elles peuvent apparaître et disparaître. Il est impossible de suivre, par exemple, un électron sur sa trajectoire. On ne peut pas décrire l’évolution d’une particule dans l’espace comme un simple mouvement mécanique. En effet, à cette échelle, la matière, l’espace et le temps sont interactifs et le temps n’est plus d’apparence continue. A l’échelle juste inférieure, celle du vide, le temps est désordonné et peut même marcher vers l’arrière sur de courtes distances… de temps ! Le temps coordonné, régulier, avec une « flèche du temps », du passé vers le futur, n’existe que pour un très grand nombre de quanta, au niveau appelé macroscopique (celui où fonctionne la physique dite classique par opposition à la physique quantique). Le caractère du mouvement est tellement bouleversé que des particules ponctuelles connaissent des rotations sur elles-mêmes, impossibles en physique classique. Le caractère des états de la particule est tellement changé qu’une même particule connaît en même temps plusieurs états possibles, ce qui est appelé une « superposition d’états ». L’état actuel n’est rien d’autre que l’un des états « possibles », potentiels, virtuels. Il n’a même pas un rôle plus important que les autres. On ne peut même pas raisonner sur l’état actuel (dit réel) seul mais sur l’ensemble des états potentiels ! Ils sont, en fait, tout aussi réels, même si, à l’instant de la mesure, la réalité mesurée est seulement celle actuelle.
Comment comprendre un tel monde quantique, et comprendre en même temps qu’existe le monde des objets non quantiques ainsi que les relations inévitables entre eux ? C’est le vide quantique qui permet une telle interprétation.
C’est dans le vide quantique qu’existe l’espace-temps désordonné qui fonde l’ensemble de ces transformations. Il contient en effet des fluctuations d’énergie sur des temps très courts, des temps pendant lesquelles aucune mesure ne peut être faite par des instruments à notre échelle. On ne « voit » pas les fluctuations du vide mais elles sont cependant prouvées par les altérations des mesures et l’existence des phénomènes quantiques. Et ces fluctuations, comme tous les phénomènes ondulatoires, ont une apparition de type corpusculaire : des électrons, des positons, des photons, des quarks, des gluons, etc, corpuscules qui existent, eux aussi, sur des durées extrêmement brèves. La mise en évidence de l’existence des couples d’électrons et positons virtuels (appelée polarisation du vide) est réalisée par la présence de particules durables (dites particules « réelles », bien qu’elles n’aient pas plus de réalité que celles du virtuel, au contraire).
Ces particules virtuelles ont des électricités positives et négatives qui les amènent à se positionner autour de la particule durable en couches successives alternativement positives et négatives, en oignon. La particule n’est jamais nue. On dit qu’elle est habillée par le virtuel qui modifie ainsi la charge de la particule suivant les distances où on s’en approche. Et c’est loin d’être le seul effet de ces particules éphémères qui entourent d’un nuage (dit nuage de polarisation) la particule réelle !
La particule isolée dans le vide n’a donc rien d’une particule seule. Et d’autant moins que la propriété de réalité, de durabilité saute sans cesse d’une particule virtuelle à une autre du nuage…
La particule réelle ne doit donc sa durabilité qu’à des particules qui ne durent pas, et disparaissent sans cesse. La « réalité » est l’émergence d’une propriété stable au sein d’un vide très instable. Cela explique que des physiciens comme Einstein, qui souhaitaient ardemment fonder sur la seule matière durable la « réalité » du monde, aient échoué à le faire. Cela ne signifie pas un échec du monde matériel mais un échec du stable comme principe fondateur du monde. C’est le désordre qui est à la base et non l’ordre. Ce dernier émerge d’un grand nombre d’interactions déterministes sur des éléments désordonnés.
Qu’est-ce que la matière aujourd’hui, selon Cohen Tannoudji
Comment la matière émerge du vide ?
Quoi de neuf sur la matière inerte et vivante –
Nottale, relation masse/charge de l’électron
Maurice Jacob dans "Au coeur de la matière" :
"Au coeur de la matière et à l’échelle du cosmos
La nature est plus riche que notre imagination. On peut démonter les molécules en atomes. On peut arracher les électrons d’un atome et séparer les protons et les neutrons qui constituent son noyau. On découvre les différents niveaux de la matière qui mettent en jeu des constituants de plus en plus élémentaires. (...) La masse, cette propriété que l’on pensait intrinsèquement associée à un objet et qui résultait de l’addition des masses de ses constituants, une masse que l’on associait à chaque particule avant de considérer les forces auxquelles elles pouvaient être soumises, cette masse devient un effet dynamique des actions auxquelles les constituants fondamentaux sont soumis. (...) Les particules élémentaires sont les quarks (qui forment notamment les protons et les neutrons) et les leptons (comme l’électron). (...) Les forces qui leur permettent d’interagir entre eux sont toutes du même type : elles prennent la forme particulière d’un échange de bosons. (...) L’un de ces bosons est le "grain de lumière", le photon. (...) Deux particules chargées s’attirent ou se repoussent en échangeant des photons. Au cours d’un choc, ou simplement accélérée, une particule chargée peut émettre un photon (...) dont la fréquence est proportionnelle à son énergie. (...) L’atome est formé d’un tout petit noyau entouré d’un "nuage" d’électrons. Le rayon du noyau est cent mille fois plus petit que celui de l’atome, mais il contient pratiquement toute la masse. l’atome est donc pratiquement vide mais son volume, extrêmement vaste par rapport à celui du noyau, est rempli par le mouvement incessant des électrons qui se concentrent sur des couches successives. Le noyau a une charge positive et les électrons ont uen charge négative. Ils sont tous attirés par le noyau mais tournoient à une distance respectable. L’atome est globalement neutre, la charge totale des électrons étant compensée par celle des protonsqui se trouvent dans son noyau. (....) En physique quantique, il faut renoncer à considérer une particule comme parfaitement localisable. (...) Ce flou quantique peut heurter l’intuition naturelle (...) ne peut-on envisager l’observation d’un électron pendant un temps très court durant lequel il ne pourrait parcourir qu’une petite partie de la distance associée à ce flou quantique ? C’est possible mais on ne peut plus distinguer dans ce cas l’électrons des multiples autres particules (paires d’électrons et de positrons fugitifs du vide) qui peuvent être librement émises et réabsorbées durant ce temps très court. (...) Le vide est animé par la création continuelle et la disparition rapide de paires électron-positron (le positron est l’antiparticule de l’électron). Ce sont des paires virtuelles (...) L’électron de charge négative va attirer les positrons de ces paires virtuelles en repoussant leurs électrons. En approchant de l’électron, le photon va se 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. (...) la masse des particules vient de la structure du vide qui s’est figé au début de l’évolution de l’Univers (...) La diversité de la matière sort de la structure du vide. (...) le vide bouillonn d’activité, il peut même exister sous plusieurs formes et manifester une structure. (...) Ce bouillonnement d’activité est de nature quantique."
La nature a longtemps été prise pour un ensemble d’objets fixes pouvant être mis en mouvement, modifiés ou cassés par une force externe. Cette image statique, stable, sans dynamique interne est morte. Dans tous les domaines, elle fait place à une image dynamique. Au lieu de "choses" fixes, on fait appel à des structures issues de l’agitation sous-jacente. La structure n’est qu’un mode selon lequel l’ensemble est globalement stable bien qu’en continuel changement. Les molécules du nuage changent, bougent, échangent de l’énergie, et cela même quand l’apparence extérieure du nuage reste inchangée. La stabilité de température n’est pas fondée sur l’absence d’agitation mais sur une agitation moyenne. Les éléments composants changent eux-même sans cesse, comme c’est le cas des cellules d’un être vivants, ou encore de ses molécules formant ses composants biochimiques. Il n’y a pas si longtemps, on voyait encore la matière comme une construction basée sur des objets fixes. Avec des atomes, on fabriquait des molécules. Avec des électrons et des noyaux, on fabriquait des atomes. Avec des neutrons et des protons, on fabriquait des noyaux atomiques. Les particules élémentaires semblaient des objets fixes, capables seulement de se déplacer, de s’attirer, de se repousser, de se rapprocher ou de se choquer. L’électron était un individu auquel arrivait des rencontres comme à n’importe quel individu, rencontres au travers desquelles il restait lui-même. On se demandait seulement si l’électron était élémentaire ou composite. Les caractéristiques de l’électron (masse, charge, vitesse, énergie, etc... ) semblaient être la preuve de la conservation d’un même objet au cours du temps.
Aujourd’hui, il en va tout autrement. L’électron n’est plus du tout vu comme un objet individuel, existant de manière stable à une seule échelle, mais comme un phénomène, une propriété qui se déplace, qui saut d’une particule à une autre au sein d’un nuage de points. C’est l’agitation du vide qui permet l’existence de l’électron comme des autres particules, agitation qui se manifeste par des apparitions et des disparitions de couples particule/antiparticule. Le noyau de l’atome lui-même n’existe que du fait d’une incroyable agitation formée non seulement par le vide mais par des myriades de particules éphémères et par des multiples échanges entre protons et neutrons et non par une fixité des neutrons et des protons.
Il apparaît donc aujourd’hui que la nature, à toutes les échelles, est formée de structures et non d’objets, des structures dissipatives donc fondées sur une agitation et tirant leur énergie du désordre sous-jacent, ces structures, espèces de membranes entourant des domaines, étant les seuils entre des désordres à plusieurs niveaux. Les désordres sont eux-mêmes le produit du combat permanent des forces contradictoires, des tendances opposées qui l’emportent ou s’inhibent mutuellement alternativement. Les constantes ne sont rien d’autre que les euils entre deux désordres.
Le nuage, la ville, l’homme, le noyau atomique, l’électron, la plante, la bactérie sont de telles structures dissipatives qui ne peuvent nullement être décrits comme des objets indépendants, individuels et fixes mais, au contraire, comme des produits d’une agitation extérieure permanente. Sans l’agitation du vide, pas de matière. Sans agitation des molécules, pas de structures des cristaux. Sans agitation des échanges commerciaux et de la production, pas de villes.
Voici se qu’écrit James Trefil de l’Université George Mason de Virginie : "Bien qu’on se représente habituellement le noyau comme un ensemble statique de protons et de neutrons, il est en réalité un lieu essentiellement dynamique. Des particules de toutes sortes s’y déplacent en tous sens et à toute allure, se percutant les une les autres, subissant créations et destructions selon que leur énergies sont converties en masse ou leurs masses en énergie. (...) Depuis les années cinquante, plus de deux cents de ces particules ont été découvertes à l’intérieur du noyau."
Dans cette dynamique, la notion d’individu isolé ou d’équilibre statique n’a pas de sens. Il n’y a pas plus de noyau fixe ou de proton fixe que d’électron fixe, envisageable en tant qu’individu égal à lui-même. L’individu particule n’existe pas plus que l’étoile isolée, sans galaxie et amas de galaxie. Pas plus que l’homme isolé de son univers humain, social, culturel et matériel.
La matière est donc une structure issue des interactions extrêmement agitées du vide. Ce qui caractérise la matière, c’est son existence durable. Ce qui caractérise le vide, c’est l’existence brève de ses quantons qui sont dits virtuels mais, rappelons-le, qui sont bel et bien réels. Ils sont seulement éphémères car ils s’accouplent très rapidement même si c’est en un temps aléatoire. Quand ils s’accouplent ils forment un photon. Qu’est-ce qui rend la particule de matière un peu plus « durable » ? C’est une particule virtuelle qui a reçu un boson de Higgs. Quelle hypothèse peut permettre de comprendre ce qui rend une telle particule un peu plus durable, c’est-à-dire qui retarde son accouplement avec un quanton virtuel du vide voisin ? Le fait que la matière constitue une espèce de trou au sein du vide quantique et retarde ainsi les accouplements possibles. D’où pourrait provenir ce « trou », cet isolement de la particule de matière, dite « particule réelle », par rapport aux particules du vide qui sont ses voisines, dites particules virtuelles ? La particule qui aurait reçu un boson de Higgs émettrait une onde de matière, dite onde de Broglie, qui repousserait les quantons virtuels voisins. Ce faisant, il y aurait modification du temps désordonné du vide. Le temps du vide est marqué par la durée moyenne d’accouplement des quantons virtuels. Ce temps serait modifié par la présence de la particule de masse (particule ayant reçu un boson de Higgs) du fait de l’écartement des particules virtuelles voisines. Le temps local tel que nous le connaissons (et non pas tel qu’il existe dans le vide quantique) serait dû à un retardement des interactions avec les quantons virtuels de l’environnement vide. Si une particule se trouve elle-même non dans un environnement vide mais dans un environnement de particules, une moyenne d’interactions avec les quantons virtuels va s’établir, menant à un temps moyen ou temps local. Le déplacement moyen d’une particule durant ce temps va également définir un espace. La matière durable (dite réelle) va ainsi définir un espace et un temps.
Atome : rétroaction de la matière/lumière et du vide (de la microphysique à l’astrophysique)
* 01- Les contradictions des quanta
* 02- La matière, émergence de structure au sein du vide
* 03- Matière et lumière dans le vide
* 05- Le vide destructeur/constructeur de la matière
* 06- La matière/lumière/vide : dialectique du positif et du négatif
* 07- La construction de l’espace-temps par la matière/lumière
* 08- Lumière et matière, des lois issues du vide
* 09- Matière noire, énergie noire : le chaînon manquant ?
* 10- Les bulles de vide et la matière
* 11- Où en est l’unification quantique/relativité
* 13- Qu’est-ce que la rupture spontanée de symétrie ?
* 14- De l’astrophysique à la microphysique, ou la rétroaction d’échelle
* 15- Qu’est-ce que la gravitation ?
* 16- Big Bang ou pas Big Bang ?
* 17- Qu’est-ce que la relativité d’Einstein ?
* 19- Qu’est-ce que l’antimatière ?
* 21- Qu’est-ce que le spin d’une particule ?
* 22- Qu’est-ce que l’irréversibilité ?
* 23- Qu’est-ce que la dualité onde-corpuscule
* 26- Le quanta ou la mort programmée du continu en physique
* 26- La discontinuité de la lumière
* 27- Qu’est-ce que la vitesse de la lumière c et est-elle indépassable ?
* 28- Les discontinuités révolutionnaires de la matière
* 30- Qu’est-ce qu’un système dynamique ?
* 31- Qu’est-ce qu’une transition de phase ?
* 32- Quelques notions de physique moderne
* 33- Qu’est-ce que le temps ?
* 34- Henri Poincaré et le temps
* 35- La physique de l’état granulaire
* 36- Aujourd’hui, qu’est-ce que la matière ?
* 37- Qu’est-ce que la rupture de symétrie (ou brisure spontanée de symétrie) ?
* 38- Des structures émergentes au lieu d’objets fixes
* 39- Conclusions provisoires sur la structure de la matière
Messages
1. 17- Aujourd’hui, qu’est-ce que la matière ?, 31 octobre 2009, 12:09, par MOSHE
La particule isolée dans le vide n’a donc rien d’une particule seule. Et d’autant moins que la propriété de réalité, de durabilité saute sans cesse d’une particule virtuelle à une autre du nuage…
La particule réelle ne doit donc sa durabilité qu’à des particules qui ne durent pas, et disparaissent sans cesse. La « réalité » est l’émergence d’une propriété stable au sein d’un vide très instable.
2. 17- Aujourd’hui, qu’est-ce que la matière ?, 9 avril 2018, 08:02
Conceptions qui ont précédé la notion de matière :
Lire ici