Matière à réflexion - 1. Matière et mer quantique

Qu’est-ce donc que la matière, pourrions-nous nous demander pour commencer ? « Si personne ne me le demande, je le sais ; si je cherche à l'expliquer, je ne le sais plus … » Au lycée, en classe de philosophie, nous apprenions cette fameuse phrase de Saint Augustin, à propos du temps. Ce faisant, il nous était enseigné que le temps est peut-être une dimension de notre réalité, alors que nous nous le représentions souvent comme la mesure d’un quelque chose qui passe. Si nous cherchions à l’expliquer, nous ne savions plus. A l’inverse, quand il s’est agi de nous enseigner la matière, plus aucun doute, plus aucune hésitation ; nos professeurs savaient : « la matière est faite de particules : les atomes. Ce sont des particules invisibles à l'œil nu. Ils forment l'unité de base de la molécule ». 

La matière semble former tout ce qui est en dehors de notre esprit. Tout ce qui nous entoure - les objets de la pièce où nous nous trouvons, l’air que nous respirons, l’eau que nous buvons, le soleil qui nous éclaire – tout comme le corps de l’animal sauvage qu’il nous arrive de croiser – est né d’un assemblage de particules élémentaires reliées entre elles par des interactions fortes. Et les lois qui gouvernent la matière sont décrites par le modèle standard de la physique des particules.

Ainsi, enfants, adolescents, nous apprenons que le temps est difficile à expliquer, mais que la matière qui est faite de ces particules invisibles tombe sous le sens. Pas besoin de l’expliquer ! Elle tombe même sous les 5 sens : nous pouvons la voir (grâce par exemple aux rayons du soleil), l’entendre parfois (quand un objet tombe sur le plancher), la sentir, la toucher, la goûter ou la boire (comme l’eau). Et c’est vrai, pourquoi l’expliquer davantage alors que nous faisons tous la même expérience physique des objets du monde extérieur : si j’essaie coûte que coûte de passer ma main à travers le plancher, je risque surtout de me faire très mal ; si j’entends le bruit sourd d’un objet frappant le sol, je n’ai aucun doute sur l’origine du son ; si j’aperçois un ours cavaler dans ma direction, je saisis vite le danger et je vais chercher un refuge, un lieu plus sécurisant. Tout ça est bien réel ! Certes nous en faisons tous l’expérience[1] mais la matière est-elle bien réelle pour autant ?

Ce dont nous faisons l’expérience avant toute chose ne se trouve pas en dehors mais en dedans : la petite voix intérieure qui souffle ses conseils, les pensées qui affluent et s’échouent sans écumer, la présence à soi et au monde extérieur. Or les objets physiques qui se trouvent dehors et que notre dedans perçoit néanmoins semblent bien exister réellement, indépendamment de nous. Dedans et dehors sont comme deux espaces bien réels, avec quelques interactions à leur jonction.

Prenons l’exemple du livre[2] que vous pourriez tenir entre vos mains :

« Il occupe ‘sa’ portion d’espace que les autres objets ne sauraient pénétrer, sinon en le détériorant. Si pendant que vous lisez, quelqu’un d’autre entre dans la pièce, il verra lui aussi ce bout d’espace est occupé par un livre, dont les caractéristiques, qu’il peut décrire, sont à peu de choses près identiques à celles que vous-même percevez. Et si vous quittez la pièce, vous ne doutez pas que le livre continuera d’exister là où vous l’aurez laissé. »

Nous ne doutons pas du fait que ce livre restera à l’endroit où nous l’aurons posé et qu’un tiers pourra aussi s’en saisir s’il entre dans la même pièce.

Ainsi, la matière semblerait former tout ce qui est dehors, les pensées sembleraient former tout ce qui est dedans. Tout ce qui est dehors serait alors réel parce qu’existant réellement, indépendamment de nous ; le livre que nous tenions continuera d’exister quand nous aurons quitté la pièce. Par ailleurs, tout ce qui est dedans serait aussi réel parce que c’est ce que chacun de nous vit réellement.

Les deux espaces bien réels - dedans et dehors - sont aussi bien séparés.

L’un ne deviendrait-il pas plus prépondérant que l’autre ? Au XXIème siècle, il faut reconnaître que nous focalisons notre attention avec une telle intensité sur ce qui est extérieur, au-dehors, que l’impression prégnante d’une matière bien réelle en est renforcée, décuplée. A force de nous répéter collectivement que la seule chose réelle est la matière (les artefacts que nous fabriquons, les pierres précieuses, les poussières d’étoile), nos émotions, nos rêves, nos libres pensées, nos souvenirs, nos intuitions ont été rangés dans l’arrière-boutique du dedans. Aujourd’hui, la plupart d’entre nous prêtons bien plus d’attention à ce qui est dehors : l’apparence, le bon fonctionnement du téléphone, la couverture du réseau. Notre richesse intérieure passe largement inaperçue aux yeux de notre conscience d’être éveillé, tout accaparée qu’elle est par les émotions fortes que le dehors nous procure, par les sollicitations incessantes de notre attention, par tant d’informations extérieures souvent bien futiles.

Le sens que nous semblons donner à nos existences au XXIème siècle semble davantage corrélé aux richesses matérielles que nous laissons en dehors de nous (nos œuvres, notre habitation, etc.) et bien moins à la richesse de notre expérience subjective en-dedans.

En un mot, bien que les particules qui la constituent nous soient invisibles, nous nous sommes persuadés que la matière était première, réelle et bien tangible, qu’elle existait en tant que telle. C’est la substance primordiale, la chose étendue spatialement (res extensa) de René Descartes, celle qui constitue le dehors, ce monde visible dans lequel nous vivons.

A ce stade du récit que nous entretenons collectivement, nous pourrions nous faire la remarque suivante : puisque les particules de matière sont toujours invisibles à l’œil nu, qu’est-ce que les scientifiques ont véritablement pu observer de cette matière ? Savons-nous au moins de quoi ce que nous chérissons tant est réellement constitué ?

[1] C’est l’hypothèse que nous accepterons ici mais que jamais personne ne sera capable de démontrer …

[2] Extrait de l’ouvrage « L’esprit dans la matière – vers une autre science » de Vahé Zartarian, 1998.

Il a fallu attendre la fin du dix-neuvième siècle (1895) et l’observation de rayons cathodiques par Jean Perrin pour seulement prouver l’existence de la structure discontinue de ce quelque chose que l’on appelle donc matière : ces rayons étaient en fait des particules de charge négative. La matière serait donc discontinue, ses particules ne forment pas un pavage continuel.

Nous nous sommes alors rappelés qu’au Vème siècle avant l’ère chrétienne Démocrite avait énoncé : « la matière est constituée de particules très petites qu'il est impossible de briser ou de diviser, des atomes. » Plus de deux milles ans après, nous avons appelé ces particules de matière des atomes. La matière serait première et discontinue, elle serait faite d’atomes que nous ne pourrons néanmoins jamais voir à l’œil nu, ni même avec un microscope[1].

Si nous ne pouvons les observer, quelle forme leur attribuer ? En 1911, quand le chimiste néo-zélando-britannique Ernest Rutherford découvrit l’existence d’un noyau, situé au centre de l’atome, il proposa pour l’atome le modèle planétaire, il forma dans notre imaginaire l’image selon laquelle des électrons gravitent autour du noyau tout comme les planètes autour du Soleil. Ce qui est en bas serait comme ce qui est en haut !

La matière serait première et discontinue ; tout ce qui est dehors serait fait de noyaux d’atome de charge positive et, à une certaine distance, d’électrons de charge négative gravitant autour.

En 1913, le physicien danois Niels Bohr améliora le modèle de Rutherford lorsqu’il découvrit que l'électron de l'atome d'hydrogène n'a accès qu'à certains niveaux d'énergie. D’après son modèle, les électrons se répartissent sur des couches autour du noyau. Pour accéder à une couche plus éloignée du noyau, il doit acquérir une certaine quantité d’énergie. Mais cet état étant instable, l’électron retourne vite sur la couche inférieure en libérant la même quantité d’énergie sous forme de lumière. Après l’avènement de la mécanique quantique[2], dont Niels Bohr fut l’un des fondateurs, ces quantités d’énergie discontinues furent appelées des quanta.

La matière serait première ; elle serait faite d’atomes, c’est-à-dire de noyaux-soleils autour desquels gravitent des planètes-électrons sur des orbites correspondant à des quanta d’énergie. La matière qui tombait sous le sens commence à perturber nos sens : elle n’est pas continue du tout, elle ne remplit pas tout l’espace qu’elle occupe, et ses particules ne peuvent prendre que certains niveaux d’énergie.

Puis nous développons des instruments qui nous permettent d’effectuer des mesures de ces créatures si mystérieuses. Nous ne pouvons alors que ressentir le vertige devant cette béance inimaginable : le diamètre de l’atome – noyau et électrons - est environ 100 000 fois plus grand que celui de son noyau. Si le noyau était une orange de trois centimètres de rayon, l'atome aurait un rayon de trois kilomètres[3]. Même notre corps d’être humain est comme un treillis de minuscules oranges entourées d’auras électroniques, immergées dans un vide béant et effrayant. J’en deviens pascalien :

« Le silence éternel de ces espaces infinis [nous] effraie. »

Comment la matière, non continue, pleine de vide, peut-elle être première ? De quoi serait alors fait le reste de l’univers ?

La communauté scientifique s’est évidemment penchée sur la question du vide dans la matière, lorsqu’une autre encore plus vertigineuse vint vite la remplacer. Dans les années 1930, un astronome suisse étudiant la dynamique des galaxies situées au sein d’un amas de galaxie, dans la constellation de la Chevelure de Bérénice, voulut comprendre pourquoi les vitesses des galaxies de cet amas avaient des valeurs très élevées et pour l’expliquer il dut introduire l'idée d’une matière noire, une masse manquante ou cachée.

Ainsi, dans un mètre cube d’univers, matière noire et matière ordinaire (ou matière blanche[4] pour filer la même métaphore) forment la densité dite critique, notion introduite par Albert Einstein et Willem de Sitter en 1932.

« La densité critique de l’univers est estimée à cinq noyaux d’hydrogène par mètre cube, tandis que la densité moyenne de la matière ordinaire est de 0,25 noyau par mètre cube. »[5]

Mais est-ce là la réponse à notre questionnement à propos du vide (c’est-à-dire sans matière du tout)? Non, bien-sûr. Alors comment la matière, qu’elle soit blanche ou noire dans l’univers, et grise dans notre boîte crânienne, pourrait-elle être première, plongée dans un vide dont nous ignorons pratiquement tout ?

A ce moment de notre enquête, le physicien français Etienne Klein nous avise : « Attention ! Le monde est une tromperie ». Si comme lui nous appelons monde ce lieu-planète sur laquelle nous sommes contraints de vivre, les observations que nous y faisons pourraient nous tromper. Nous avons l’impression qu’un mur de béton est une matière solide, quasiment impossible à détruire, alors que c’est un simple mélange d'argile (silico-aluminates) et de calcaire (carbonate de calcium), plongé dans un vide gigantesque. Nous avons l’impression que la chute d’un bloc de béton d’un kilogramme sera bien plus rapide que celle d’un agglomérat de plumes de même masse, alors qu’il n’en serait rien si les deux chutaient dans le vide, sans atmosphère ; c’est le frottement, la résistance de l’air qui agissent différemment sur les deux objets. Nous avons l’impression que le vide qui nous entoure est totalement dépourvu de quoique ce soit, à l’exception peut-être de ses molécules de diazote et de dioxygène, alors qu’il a été découvert que le vide est en fait empli d’une énergie phénoménale. Nous avons l’impression que la force de la gravitation nous attire vers le bas, alors qu’Albert Einstein nous dit qu’il ne s’agit que d’une courbure de l’espace-temps.

Tout jeunes, nous apprenons que la matière est première (au présent de l’indicatif, s’il vous plait !), qu’elle est à la base de tout et constituée de tout petits systèmes solaires, avec des électrons qui gravitent autour de noyaux. Mais personne ne nous informe vraiment que nos observations pourraient nous tromper, qu’il faudrait douter, que le réel n’est peut-être pas cette image d’Epinal que nous nous en faisons.

Quand avons-nous pu observer de la matière naître de ses particules élémentaires, protons, neutrons et électrons ? Jamais ! Sont-ce là les véritables éléments fondamentaux de la nature, du cosmos, de l’univers ?

Dans les années 1930, naquit la théorie quantique des champs, née de la combinaison des principes de la physique quantique et de ceux de la théorie de la relativité restreinte. Selon cette nouvelle science physique :

« les éléments fondamentaux de la nature sont des substances fluides qui se répandent dans tout l'univers et ondulent de manière étrange et intéressante. »[6]

Cela change tout ! Nous ne cherchons plus des petits noyaux d’atome, avec un nuage d’électrons gravitant autour, mais une substance fluide qui emplit tout l’espace.

En mathématiques, un champ est un fluide qui remplit tout l’espace-temps et dont chaque point est associé à un objet mathématique : une valeur numérique, un vecteur ou des objets encore plus exotiques. La théorie quantique des champs pose que l’espace-temps est empli de champs quantiques, de la même manière que notre planète est couverte de champs magnétiques ou d’un champ météorologique (la température, la pression, le vent). Pour être plus précis, l’espace-temps serait couvert de dix-sept champs ou substances fluides qui se superposent, soit autant qu’il y a de particules élémentaires : six types de quarks, trois types de neutrinos, le photon, l’électron, le boson de Higgs, …

A chaque champ ne peut correspondre qu’un nombre entier de perturbations (ou quanta d’énergie, ou particules élémentaires) qui apparaissent et disparaissent : le champ quantique électronique peut par exemple connaître une centaine de perturbations, ce seront tous des électrons ; le champ quantique associé aux quarks peut fluctuer à trois endroits proches, créant ce que nous appelons deux quarks up et un quark down, l’ensemble des trois est appelé un proton ; le champ électromagnétique connait aussi des fluctuations en nombre entier : ce seront des photons ou grains de lumière.

Ainsi, la mise en scène induite par cette nouvelle théorie scientifique consiste à remplir l’espace-temps de ces dix-sept champs invisibles, superposés, portant des valeurs numériques ou vectorielles, et à associer leurs turbulences, leurs fluctuations à des quanta de matière. Comme une mer faite de houles, de vagues, d’ondes très disparates, dont les irrégularités représenteraient les particules élémentaires (quarks, neutrinos, photons, électrons, …). Ce que nous observerions de cette mer, si elle était visible à nos yeux, serait principalement fluide et continu avec quelques turbulences de-ci de-là, dans les ondulations, comme des fluctuations dans les vagues. L’énergie associée à ces particules de la mer est quantique : elle ne peut prendre que certaines valeurs, effectuant ainsi des sauts… quantiques.

∞∞∞

Que nous est-il enseigné par la suite, dans le cadre des leçons de chimie ? Un électron entourant un noyau d’atome peut s’unir avec un électron d’un autre noyau, pour former une liaison chimique ; ces dernières sont à la base de la création, à partir de deux atomes ou plus, d’un agrégat plus complexe et stable : la molécule. Par exemple, ce que nous avons nommé une molécule d’eau (H20) dans notre réalité est en fait un nombre entier d’irrégularités énergétiques (trois quarks pour le noyau d’hydrogène H, une vingtaine de quarks pour le noyau d’oxygène O), chaque regroupement d’irrégularités de type H fortement relié par une liaison chimique O-H à l’ensemble des irrégularités de type O. Et le tout relié par de vastes champs quantiques remplissant tout l’espace-temps.

Ainsi, noyaux d’atomes et électrons correspondraient seulement à des turbulences dans cette superposition de champs couvrant l’espace-temps, comme les molécules d’eau et de sel correspondent à des singularités dans la superposition de vagues et de houles formant une mer.

Gardons notre exemple de l’eau :  ce que nous appelons la mer Méditerranée serait l’ensemble de tous les agglomérats d’eau H20 et de sel NaCl qui couvrent l’espace entre l’Europe et l’Afrique, alors que ceux-ci ne représentent en fait qu’un pourcentage de ce qui s’y trouve réellement, 0,0000001% selon [7]. Les 99,9999999% restant de la même mer Méditerranée sont le vide empli des champs quantiques. Qui plus est, nous considérons que ces molécules H20 ou NaCl sont séparées, désunies, isolées les unes des autres alors qu’elles sont de simples perturbations des mêmes champs quantiques, invisibles et dormants.

« Il n'y a point d'eau plus dangereuse que celle que dort », Bovelles, 1531.

La matière n’est pas première ; les éléments fondamentaux de la nature dehors seraient plutôt les champs quantiques à 99,9999999% et leurs turbulences matérielles à 0,0000001%. Si l’univers est réellement composé de champs ou de substances fluidiques, le réel est plus poétique que ce que nous en avions compris avant la naissance de la théorie des champs quantiques.

∞∞∞

Un réel plus poétique et … néguentropique !

A ce stade du récit, nous devons préciser que ces assemblages de particules élémentaires en atomes, puis d’atomes en molécules ne se font pas de façon chaotique, mais selon des règles d’ordonnancement, regroupées sous le terme d’entropie négative ou néguentropie. L'entropie est un terme dont vous vous souvenez peut-être, lors des cours de physique au lycée ; c'est la mesure du désordre, du chaos, la tendance naturelle de tout système à s'effondrer. A l’inverse, la néguentropie est sa sœur rebelle ; elle représente la structure, l'ordre, la lutte contre le chaos.

Replongeons dans la soupe subatomique qui compose l'univers, au pays des quarks, des leptons et d'autres particules aux noms étranges. Après tout, nous pourrions nous attendre au chaos, ces éléments constitutifs de la réalité étant minuscules, imprévisibles, en mouvement constant. Mais même à ce niveau le plus fondamental, nous voyons apparaître des modèles, des règles, de l’ordre. Les particules élémentaires ne flottent pas sans but, elles se combinent de manière spécifique pour former des protons et des neutrons. Ces combinaisons ne sont pas aléatoires, elles suivent les lois précises, presque tyranniques, du modèle standard de la physique des particules.

Au passage, nous pouvons observer que même à cette échelle, le physique, euh pardon la physique compte !

En résumé, la matière, que nous considérions comme première et continue, est tombée de son piédestal : elle ne serait que l’infime[8] partie émergée d’un très vaste et très dense iceberg. Alors comment a-t-elle pu devenir vivante ?

[1] Grâce à des algorithmes sophistiqués et à la ptychographie électronique, des chercheurs peuvent juste extraire des images incroyablement précises des atomes au sein d’un échantillon.

[2] L'expression « mécanique quantique » fut utilisée pour la première fois en 1924 par Max Born.

[3] 0,03 m × 100 000 = 3 000 m

[4] La matière ordinaire est appelée matière baryonique ; elle n’est pas associée à une couleur…

[5] Guido Tonelli, ‘Matière- une magnifique illusion’, 2024.

[6] David Tong, lors d’une conférence à la Royal Institution en 2017.

[7] Préciser comment et par qui a été fait le calcul.

[8] 0,0000001%