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Accueil du site > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (...) > Qu’est-ce que la hiérarchie d’échelle des états de la matière ?

Qu’est-ce que la hiérarchie d’échelle des états de la matière ?

lundi 10 janvier 2011, par Robert Paris

Il existe des niveaux de structure, de la particule au noyau, à l’atome, à la molécule, à la structure cristalline, à la structure du matériau, à l’étoile, la galaxie, l’amas.... Ce qui se passe à un niveau n’est pas lié continûment à ce qui se passe à l’échelon inférieur.

ORDRES DE GRANDEUR DE DIVERSES ÉCHELLES DE LA RÉALITÉ EN CENTIMÈTRES

Univers connu : CENT MILLIARD DE MILLIARDS

Voie Lactée (galaxie) : MILLION DE MILLIARDS

Soleil (étoile) : CENT MILLIARDS

Terre : UN MILLIARD

Everest : UN MILLION

Tour Eiffel : DIX MILLE

Homme : CENT

MOUCHE : UN

Microbe ou Cellule : UN

Nanotube : UN DIX-MILLIONIÈME

Atome : UN CENT-MILLIONIÈME

Noyau de l’atome : UN CENT MILLE MILLIARDIÈME

Quark : UN DIX MILLIONS DE MILLIARDIÈME

Mais ce n’est pas seulement des objets ayant des tailles diverses. Ce sont des univers différents qui obéissent à diverses lois même s’ils sont loin d’être indépendants.

La physique qui régit le noyau d’une étoile n’a pas grand chose à voir avec celle sur terre à notre échelle ni avec celle à l’échelle des particules ou encore avec celle du vide quantique. Mais tous ces mondes sont interconnectés en permanence. Ils échangent sans cesse des énergies. Ils n’existeraient pas les uns sans les autres. Sans le niveau d’énergie du vide, il n’existerait pas d’atomes et de molécules. Sans la galaxie, le soleil et la terre n’existeraient pas. Sans le stade historique actuel de l’Univers, les étoiles n’existeraient pas car la lumière ne franchirait pas l’obstacle de la matière, etc...

Pourtant ces mondes existent à des échelles de distance et surtout de temps tout à fait différentes du notre. L’espace-temps que nous connaissons n’existe même pas dans le vide quantique qui est la base de tout !

Un changement radical de point de vue

Le Physique a commencé à enregistrer des succès en considérant que tout l’univers existait à un seul niveau, le nôtre, et que l’on pouvait décrire l’univers, du plus petit au plus grand, en restant à ce niveau. La Mécanique a représenté le modèle de cette démarche.

Il a cependant fallu admettre une discontinuité dans cet univers matériel : les atomes passent d’un type ou d’un autre, en fonction de leur numéro atomique, sans continuité entre les divers types d’atomes. D’autre part, un matériau d’un type donné d’atomes ou de molécules est dans une formation ou une autre appelée état. On saute d’un état à un autre. Par exemple de l’état solide à l’état fluide. puis on s’est aperçus de multiples sauts comme entre niveaux d’états critiques ou entre états de cristaux liquides. Les cristaux solides connaissent aussi de multiples états avec saut d’un état à l’autre en fonction de la température et de la pression.

Alors que les états de la matière avaient semblé se cantonner à solide, liquide et gaz avec des passages dans une transformation quantitative continue de la température, on constate de multiples états : vitreux, ferromagnétique, opalescent, plasma, granuleux ou cristaux liquides, les états superfluide, supraconducteur, supercritique, émulsion, verres, gels, condensat, etc... Et les sauts qualitatifs caractérisent ces transitions de phase. Elles ont lieu non seulement au niveau macroscopique mais aussi microscopique (états quantiques, états de la particule, de l’atome, de la molécules, états du vide) mais aussi cosmologique (formation des étoiles, des galaxies...) Il y a également des transitions de phase qui caractérisent l’histoire de l’Univers.

Ce sont les révolutions de la matière...

L’invention de la thermodynamique a été nécessitée par la prise en compte d’énergies qui changeaient d’échelle et pas seulement de quantité (entropie), par la transformation d’énergie mécanique en chaleur, énergie qui ne pouvait pas être décrite par des mouvements mécaniques à notre échelle.

La première démarche de la thermodynamique a consisté à admettre des niveaux qualitatifs de l’énergie (ce qui constituait une première discontinuité) mais en restant du point de vue mécanique : le mouvement de particules (niveau inférieur au macroscopique de notre vie quotidienne) et leurs chocs étant censé expliquer les phénomènes de pression et d’échange d’énergie.

L’étude des transitions de phase, des ruptures de symétrie et des paramètres d’ordre a encore bouleversé le modèle de la physique en construisant des passages révolutionnaires entre un état et un autre.

Puis est arrivée la physique quantique qui, elle,a admis d’emblée des discontinuités fondamentales tout en essayant de rester sur le terrain mécanique (la mécanique quantique), terrains dans lequel la description se fait par des objets à peu près inchangés qui se conservent et ne font que se déplacer dans un espace qui reste lui aussi inchangé ou presque.

Avec la physique quantique est arrivée une notion nouvelle : celle d’états multiples qui sont potentiels. il y a l’état actuel et les états virtuels qui comptent également. Le momentané n’est pas le seul à être pris en compte. Et on saute d’un ensemble d’états à un autre ensemble d’états...

Là encore, il a fallu se résoudre à une chose : la discontinuité fondamentale. En effet, les objets ne sont pas des phénomènes continus, ni leurs échanges d’énergie, ni le mouvement, ni les échanges avec l’espace. Ce sont des apparitions et disparitions de structure à grande vitesse qui donne l’illusion d’une existence continue.

La théorie du chaos a détruit définitivement toute linéarité dans les phénomènes, sauf par approximation dans des phénomènes particuliers. Elle a souligné l’importance des rétroactions entre échelles. L’ordre n’est plus la fin fatale des processus. Le désordre s’interpénètre avec l’ordre...

Quand on passe d’un niveau à un autre de la hiérarchie de la matière-espace-temps, comme l’appelle Gilles Cohen-Tannoudji, on ne change pas seulement quantitativement des valeurs de distance ou de temps, on change de lois, on change d’univers. Ces univers sont interconnectés en permanence mais ils n’obéissent pas aux mêmes lois.

Et ces univers discontinus ne sont pas seulement ceux de la matière durable. Il existe aussi ceux du vide, ou des vides à plusieurs échelles aussi...

Un des moyens de percevoir ces discontinuités est de constater les ruptures quand on augmente de taille. Tous objets que nous connaissons ne peuvent pas dépasser un certain intervalle où de tels objets peuvent exister. Une étoile massive n’a pas de dimension illimitée (ni dans un sens ni dans l’autre). Et c’est vrai pour n’importe quel objet céleste ou terrestre.

Discontinu et dialectique...

Il y a clairement une discontinuité de la matière, de la lumière, du vide et des échanges entre eux. Mais la remarque essentielle est que l’univers n’a pas hérité une fois pour toutes de ces discontinuités. il les a produites à certaines étapes de l’histoire du cosmos et les a reproduites ensuite. Ces structures ne sont pas des objets fixes mais des phénomènes qui s’échangent sans cesse. le vide produit sans cesse de la matière et inversement. Le corpuscule photon se transforme sans cesse en particule et antiparticule virtuelle du vide et inversement. et...

Ces transformation sont brutales et discontinues. Et surtout elles sont dialectiques.

Cela signifie que chacune est elle-même et à la fois son contraire. cela signifie que la négation se transforme en affirmation. Cela signifie que la négation n’est pas destruction seulement mais aussi construction. la lumière se forme par destruction de matière. La matière se forme par destruction de vide (virtuel)... etc.

Les négations successives mènent (émergence) à de nouvelles structures. la nouveauté ne peut provenir de la négation formelle mais de la négation dialectique.

suite à venir...

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