(latin materia)

Substance constituant les corps, doue de proprits physiques

PHYSIQUE

1. Qu'est-ce que la matire ?

Les composants de la matire

La nature qui nous entoure, et dont

nous faisons partie, offre

l'observation des ralits et des

apparences, des substances et des

phnomnes. Le magntisme, cette

capacit qu'ont les aimants de s'attirer

ou de se repousser, est ranger dans

les phnomnes, mais on a pu se

demander si l'aimant lui-mme n'tait

pas une substance. Des interrogations

tout aussi lgitimes ont port sur la

chaleur, la lumire et l'lectricit. La

matire, en revanche, est sans

hsitation possible le type mme de la

substance.

Elle est ce dont les corps sont faits, elle a des qualits et des proprits, elle peut tre le sige

de divers phnomnes. En un sens, conformment un usage bien tabli, il y a plusieurs

matires : un objet peut tre en bronze ou en bois, en chne ou en pin. Chaque varit de bois,

chaque mtal, a ses qualits propres. Mais ces matires ces matriaux comme on dit aussi propos des objets fabriqus, ces substances comme disent les chimistes ont en commun d'tre des varits d'une seule et mme substance, qui est ce que l'on appelle la matire.

Atome, modle plantaire

Chacun sait qu'il y a des corps lourds, que certains sont

chauds, bref que les corps ont des qualits plus ou moins

dfinitives, plus ou moins changeantes. Quand toutes les

qualits des corps viendraient changer, quelque chose n'en

subsisterait pas moins. C'est cette substance que la science

appelle la matire et dont elle cherche, sinon la nature, du

moins la constitution.

Au fil des sicles, la science s'est proccupe de dterminer le plus possible de proprits

empiriques ou macroscopiques de la matire. Elle a eu en chercher aussi la structure intime, ainsi que les proprits de ses constituants, afin de pouvoir expliquer les diffrentes

proprits et les diffrents phnomnes dont la matire est le sige, telles la duret et la

chaleur. Ses succs remarquables ont, en un sens, dplac le problme. Car la question est

maintenant de savoir de quoi les particules lmentaires sont faites. Les seules rponses que

l'on sache donner cette question sont quasiment d'ordre mathmatique.

2. volution de la conception de la matire

2.1. Les conceptions anciennes

Les Grecs, dans leurs audacieuses spculations, avaient propos diffrentes conceptions de la

matire. Pour certains, tels qupicure (vers 341-270 avant J.-C.), puis Lucrce (vers 98-55 avant J.-C.), il s'agissait de quelque chose de lacunaire, voire de particulaire ; pour d'autres,

notamment Aristote (384-322 avant J.-C.), de quelque chose de continu. Rien n'avait

vritablement permis de les dpartager sinon, au Moyen ge, l'autorit reconnue par

l'Universit Aristote.

Ren Descartes

La situation changea au dbut du XVIIe s. avec

Ren Descartes (1596-1650). Celui-ci formula

une doctrine mcaniste que l'on peut dire

radicale. Non seulement la matire fut

entirement spare de l'esprit, mais en outre

elle ne devait plus avoir que le minimum le

plus strict de qualits fondamentales : tre

tendue et divisible en parties susceptibles de

se mouvoir, le mouvement devant suivre

quelques lois extrmement simples. Il s'agissait

de rendre compte sur cette base de tout ce qui

se rencontre dans la nature, par des explications

donnes en termes de machineries, en quelque

sorte. Le cartsianisme fut un temps de chasse

aux qualits. Il ne niait pas que, dans les

phnomnes, il puisse se rencontrer par

exemple des attractions entre aimants, mais pas

question d'y voir l'effet d'une vertu magntique

conue comme qualit dernire. L'aimantation

de la pierre de Magnsie tait attribue aux formes et aux mouvements d'une partie

imperceptible de la matire. Quoique ce projet ait chou, il avait marqu les esprits.

2.2. Du XVIIIe s. nos jours

Isaac Newton

Petit petit, il fallut admettre d'autres proprits fondamentales de la matire. Isaac Newton

(1643-1727) notamment, dmontra que deux corps s'attirent toujours, quoique l'on n'ait jamais

russi imaginer un mcanisme expliquant ce phnomne et les lois qui le rgissent. La

notion mme de masse, dj, ne se laisse gure expliquer en termes mcanistes. La masse a d

tre accepte comme qualit premire, tandis que le poids devenait un simple phnomne,

explicable par les masses et les forces de gravitation. Ces

forces distance, l'existence bien tablie, valurent un

embarras certain leurs premiers dfenseurs, parce qu'elles

semblaient rintroduire les qualits occultes.

C'est dans le cadre d'un mcanisme relatif, comme regret,

que les physiciens puis les chimistes ont embot le pas

Galile (1564-1642). Reprenant la dmarche qui avait russi

Archimde en statique, celui-ci avait montr comment

concentrer l'interrogation de la nature sur les grandeurs que

l'on peut dfinir : longueurs, vitesses, poids, etc. Les

physiciens inventrent ainsi la temprature, au XVIIIe s. en la

distinguant de la chaleur. Ils firent ensuite de celle-ci l'une

des formes de l'nergie, nouvelle grandeur doue comme la masse de la proprit

d'invariance : dans un systme isol, elle se conserve en quantit mme si elle change de

forme.

Un nouveau virage intervint au dbut du XXe s. o matire et nergie taient encore

considres comme deux concepts indpendants, l'origine de tout phnomne physique. En

effet, la thorie de la relativit restreinte dEinstein, formule en 1905, permit de regrouper ces deux concepts par la clbre relation dquivalence entre la masse et lnergie : E = mc2. Puis se dveloppa la physique quantique, sous limpulsion notamment de Max Planck, qui accentua le bouleversement de notre conception de la matire : la matire, son stade ultime

de particule lmentaire, peut tre considre comme une perturbation de lespace-temps.

3. Les tats de la matire

Les tats de la matire

De manire gnrale, la matire peut tre solide ou fluide. Les corps solides conservent leur

forme, tandis que celle des fluides s'adapte au rcipient qui les contient. Parmi les fluides on

distingue les liquides et les gaz : ces derniers peuvent tre aisment comprims. La matire

se prsente donc gnralement sous trois tats physiques : solide, liquide ou gazeux. De

trs nombreux genres de corps peuvent passer par ces trois tats, selon les conditions. On sait

bien que l'eau peut devenir glace comme elle peut devenir vapeur. Il suffit que la temprature

varie. Les changements d'tat d'un corps peuvent aussi rsulter des variations de la pression.

Par ailleurs, il existe des tats particuliers, comme ltat de plasma (gaz partiellement ou totalement ionis), ltat superfluide (viscosit nulle), ltat supraconducteur (rsistance lectrique nulle) ou encore ltat de condensat de Bose-Einstein (atomes dans le mme tat quantique dnergie minimale), qui ncessitent un formalisme quantique complexe.

La physique a tabli, pour chaque substance et dans chacun des tats, diverses proprits

quantitatives : masse volumique, densit, temprature de fusion la pression atmosphrique,

etc. La chimie a poursuivi de son ct l'ide qu'il se produit, lors d'une raction, des

changements qui affectent la matire plus profondment que ne le font les simples

changements d'tat. En d'autres termes, elle a fait sienne l'enqute sur la nature de chaque

matire. Une fois devenue attentive elle aussi aux aspects quantitatifs des choses, elle a pu

tablir que la masse totale des corps se conserve au cours de toute raction. La physique, peu

aprs, affirma un principe de conservation de porte encore plus grande pour l'nergie,

notion qui en est venue ainsi concurrencer celle de matire.

Transition de phase, phase.

4. La structure intime de la matire

La chimie, au dbut du XIXe s. a commenc donner une forme labore l'une des vieilles

conceptions de la matire, l'atomisme. Lhistoire attribue gnralement Dmocrite l'ide que la matire pouvait tre compose de corpuscules inscables , plus ou moins semblables les

uns aux autres, et que toutes les proprits de la matire devaient pouvoir s'expliquer par leurs

divers arrangements. Toutefois, il semblerait que Dmocrite ne soit pas le matrialiste quon a lhabitude de dcrire et que latomisme soit plutt port par picure puis par son disciple Lucrce. Les chimistes, tout un sicle durant, ttonnrent la recherche d'une thorie apte

rendre compte de tous les faits, qualitatifs et quantitatifs. Les physiciens prirent le relais la

fin du XIXe s. et rvlrent enfin la structure gnrale de la matire.

4.1. Les atomes

Solide cristallin

Les atomes d'un mme lment, le non (Ne) par exemple, peuvent rester

isol les uns des autres. La plupart s'associent, en molcules ou bien en

cristaux. Ainsi l'eau est-elle compose de molcules comportant chacune

deux atomes d'hydrogne et un d'oxygne (H2O). Un cristal est constitu

de nombreux atomes disposs de manire tout fait rgulire. Le

chlorure de sodium, par exemple, c'est--dire le sel de table, est fait

d'atomes de chlore (Cl) et d'atomes de sodium (Na) en nombre gal,

rangs selon un ordre rptitif et rigoureux.

Dans une molcule, comme dans un cristal, les atomes restent ensemble

sous l'effet des forces qu'ils exercent les uns sur les autres. Il s'agit de

forces lectriques dues la prsence de charges. Elles sont prsentes dans tout atome, quoique

celui-ci, au total, soit lectriquement neutre.

Ces forces s'exercent aussi entre les molcules, plus ou moins selon les circonstances, ce qui

explique les tats physiques. Fortement lies entre elles, les molcules ne peuvent pas bouger

les unes par rapport aux autres : le corps est solide. Totalement libres au contraire, elles se

dplacent grande vitesse et dans tous les sens : le corps est gazeux. Ces mouvements se

produisent au milieu de beaucoup de vide, ce qui explique qu'un gaz puisse voir son volume

rduit par compression. Le liquide est la situation intermdiaire o les forces s'exercent

suffisamment pour limiter la libert, mais pas assez pour empcher un glissement relatif des

molcules.

Quant la temprature on l'explique, dans les trois tats, par le degr d'agitation des

atomes et des molcules.

4.2. Les noyaux atomiques

Structure de l'atome

Les atomes sont tous composs d'un noyau autour duquel gravitent des lectrons. Les

nuclons, c'est--dire les constituants du noyau, sont des protons et des neutrons. Tous ont une

masse. Protons et lectrons portent en outre des charges lectriques, gales et de signes

opposs. Au sein du noyau, les protons, chargs positivement, devraient se repousser. Or

l'attraction universelle est bien trop faible pour compenser la force lectrique. C'est une autre

force, l'interaction forte, qui retient les nuclons groups.

Un atome peut s'ioniser, c'est--dire perdre ou gagner un ou plusieurs lectrons. L'ionisation

est un aspect important des atomes pour la chimie : de la capacit des atomes s'ioniser

dpendent dans une large mesure l'aptitude des corps ragir ou pas les uns avec les autres.

Ion, raction chimique

Dans des conditions extrmes, les atomes peuvent mme perdre tous leurs lectrons. On

obtient alors un plasma, considr comme un quatrime tat de la matire. Les toiles,

autrement dit la plus grande partie de la masse de l'Univers, sont l'tat de plasma.

4.3. Les particules

Les particules lmentaires selon le modle standard

Les nuclons eux-mmes se sont rvls tre des particules composes par dautres particules plus lmentaires encore : les quarks. La thorie des quarks a t labore puis

confirme exprimentalement dans la seconde moiti du XXe s. Elle consiste expliquer

l'existence et les proprits des protons et des neutrons, et, avec eux, de toutes les particules

que l'on place dans la catgorie des hadrons, par les combinaisons de six types de quarks,

aussi appels saveurs . Chacun est dsign par une lettre : u (up), d (down), c (charm), s

(strange), t (top), b (bottom). Les quarks sont caractriss par leur masse et leur charge

lectrique, mais aussi par d'autres paramtres tels que leur couleur. Le proton correspond la

combinaison uud, et le neutron, udd. L'lectron n'est pas concern car il n'est pas de la

famille des hadrons mais de celle des leptons, qui compte six particules (llectron, le neutrino lectronique, le muon, le neutrino muonique, le tau, et le neutrino tauique).

LHC, Cern, Genve

On a ainsi les douze particules lmentaires du modle standard. Et la masse de ces douze

particules fait intervenir une seule particule : le boson de Higgs, trs probablement dtect en

2012 dans le grand collisionneur de hadrons (LHC) du Cern, prs de Genve..

4.4. Formes et apparences de la matire

La matire tait initialement regarde comme ce dont les corps sensibles sont faits. Elle

tait conue comme une substance, oppose en cela aux phnomnes. De ces derniers, comme

pour le magntisme, on pouvait esprer trouver une explication qui les aurait rduits un

statut d'illusions invitables. Or la matire n'est pas que formes et mouvements, c'est aussi

de la masse ainsi qu'une capacit attractive lie celle-ci. L'lectricit, en revanche,

n'apparaissait lie la matire que de faon accidentelle. Il fallait lectriser un corps pour qu'il

portt une charge. Tout cela reste vrai

lorsque l'on prend les choses au niveau de

nos sens. Mais lorsque le regard pntre plus

en profondeur, grce tout l'arsenal de la

science, exprimental et thorique la fois,

cet ordonnancement doit laisser place

d'autres, plus complexes.

4.5. Matire et ondes

Dualit onde particule

La mcanique rationnelle de Newton, science des mouvements et de leurs rapports avec les

forces, avait obtenu de beaux succs l'chelle macroscopique, tout particulirement dans

l'tude du Systme solaire. Pour l'atome isol et pour ses constituants, il a fallu l'abandonner

au profit de la mcanique quantique. Un des aspects majeurs de celle-ci est que toute particule

se voit associer une onde, tout comme l'onde lectromagntique s'tait vue associer une

particule, le photon. L'opposition de la matire et de la lumire en a t sensiblement rduite ;

la barrire qui les spare peut tre repre dans les caractristiques du photon. Notamment,

bien qu'il ait une quantit de mouvement et une nergie, celui-ci n'a pas de masse. La

mcanique quantique, en mme temps, a limit drastiquement les espoirs de pouvoir acqurir

une connaissance exprimentale aussi fine que voulue de l'infiniment petit : ce qui se gagne

en prcision dans la connaissance d'une grandeur (position, temps) ne peut que se

perdre sur une autre (vitesse, nergie).

4.6. Matire et nergie

Essai nuclaire

Une autre mcanique, celle de la relativit restreinte, ncessaire lorsque les particules sont

animes de grandes vitesses (proches de celle de la lumire), a annonc que la matire ne

devait pas tre oppose l'nergie de manire trop tranche. Plus exactement, la masse, qui

passait auparavant pour la grandeur la plus caractristique de la matire, peut se

transformer en nergie (selon la clbre formule dEinstein : E = mc2). La technique des explosifs nuclaires et thermonuclaires tmoigne de la justesse de cette conception, de sorte

que la matire n'a pu conserver un statut de vritable substance.

Pis encore, lorsque de l'nergie se transforme en matire, il y a cration simultanment

d'antimatire. Le phnomne se produit dans le cosmos, ou bien l'occasion de collisions

dans les acclrateurs de particules. Pour chaque particule il existe une antiparticule, de mme

masse mais de charge lectrique oppose : le positon (ou positron), par exemple, pour

l'lectron. L'antiparticule est dtruite par la rencontre de sa particule associe, aussi ne peut-

elle exister que pendant un temps extrmement bref. Ainsi la matire se trouve-t-elle double,

au moins sur un plan thorique, par quelque chose dont on ne sait trop s'il faut en parler

comme d'une autre substance.

Mais le plus grand mystre concernant la matire est le fait que celle-ci reprsente moins de

5 % du total masse/nergie de lUnivers ! En effet, lUnivers serait galement compos denviron 25 % de matire noire de nature inconnue et de 70 % dune dnergie noire tout aussi mystrieuse

4.7. Matire et interactions

L'analyse de la matire, depuis la dcouverte de la gravitation universelle jusqu' nos jours, a

constamment donn le beau rle aux interactions, c'est--dire aux forces qui s'exercent entre

les corps. La physique tend rduire le nombre de celles-ci. Dj l'interaction

lectromagntique et l'interaction faible, propre aux particules faible dure de vie, ont pu

tre runies en une seule thorie, celle de l'interaction lectrofaible, et les thoriciens esprent

bien parvenir une thorie qui la runirait aux deux autres, l'interaction forte et l'attraction

universelle.

Interactions fondamentales, gravitation.

Mais quelle que soit l'unit que l'on puisse mettre dans ce domaine, il faut tenir compte d'une

nouvelle ralit, bien tablie dsormais : le phnomne de l'interaction entre deux particules A

et B s'accompagne de l'change, entre A et B, d'une troisime, dure de vie limite, dsigne

de manire gnrique sous l'appellation de boson vecteur. Celui de l'attraction universelle, qui

n'a pas encore t mis en vidence exprimentalement, serait le graviton. Ainsi la distinction

entre particules et interactions est devenue de plus en plus floue.

5. La nature de la matire

5.1. Une dfinition de plus en plus complexe

Walter Oelert

Au point o sont parvenues les sciences de la nature, la matire est une notion qui a perdu

une partie de son importance au bnfice de l'nergie, de l'interaction, de l'antimatire,

voire du vide. Ce dernier s'est rvl possder tant de proprits qu'il est presque permis d'y

voir une substance, moins vanescente, en un sens, que la matire.

la question de savoir ce qu'est la matire, il n'est plus gure possible de donner une rponse

unique. Il faut que la question soit prcise par l'indication du niveau vis (macroscopique,

atomique ou particulaire). Une rponse simplifie consiste dire qu'elle est un assemblage de

particules ; la proprit qui assure le mieux leur unit tant la masse.

5.2. Au carrefour de plusieurs sciences

L'tude de la matire est une tche rpartie entre diffrentes sciences de la nature. Si la

physique a t la premire hritire de la philosophie naturelle, la chimie l'a suivie et l'on a

d'abord eu l'impression qu'elles pouvaient se rpartir les rles. Cette dernire se rservait la

question de la nature intime de la matire, de ce qui fait que le bronze n'est pas le fer. Mais la

chimie s'est vue en quelque sorte contourne : elle est science des molcules et autres

arrangements d'atomes. Elle tudie les transformations au cours desquelles les atomes, ou du

moins les noyaux, conservent leur intgrit. Ds qu'il n'en va plus ainsi, on parle de physique

nuclaire et, au niveau infrieur, de physique des particules. Mme la science de l'atome,

indpendamment de toute transformation, est plutt catalogue comme physique atomique,

malgr tout ce qu'elle doit aux efforts des chimistes du XIXe s. D'un point de vue thorique, la

chimie n'est qu'une branche spcialise de la physique. Quant la biologie prise dans son

unit, elle vise elle-mme n'tre qu'une branche spcialise de la physique-chimie, celle qui

se consacre l'tude des phnomnes de la vie. Les chimistes, mais aussi des biochimistes et

des astrochimies, ont mis mal l'ide d'une nature propre la matire vivante, en ralisant

notamment des synthses de substances organiques. Si le passage de linerte au vivant reste encore une nigme, celle-ci semble de plus en plus porte de main.