27/09/2013

Qu’est-ce que la matière ?

Le déroulement historique des approches introduites au cours des siècles conduisant à l’image actuelle des atomes s’étend sur quelque deux mille six cents ans que nous avons divisés en trois périodes correspondant à trois courants de pensée distincts :la philosophie naturelle qui s’étend de 600 avant à 1600 après Jésus-Christ, puis la physique classique de 1600 à 1900 et finalement la physique moderne de 1900 à nos jours.

 

Le passage d’une période à une autre s’accompagne d’une révolution, véritable rupture et discontinuité de la pensée philosophique, qui s’effectue dans un laps de temps relativement bref, soit de 1543 à 1686 pour arriver à la physique classique, puis de 1900 à 1926 pour parvenir à la physique moderne.

 


La question centrale autour de laquelle vont s’articuler nos réflexions est en bref « qu’est-ce que la matière ? ». Devant cette question, même le physicien qui a consacré toute sa carrière à l’étude de la matière se trouve aussi démuni que Saint Augustin écrivant dans les Confessions (397-398) « Qu’est-ce que le temps ? Si personne ne me le demande je le sais; mais si on me le demande et que je veuille l’expliquer, je ne le sais plus. » Cette citation sur le temps est également pertinente pour le questionnement sur la matière. En effet, toujours dans les Confessions, Saint Augustin se pose aussitôt la question du sens qu’il y aurait à définir le concept « temps » sans tenir compte de l’existence de la matière. Et quelque 1200 ans plus tard, Descartes identifiera la matière à l’espace. Nous voyons ainsi que les concepts les plus fondamentaux de la physique, « espace – temps – matière », puis plus récemment « onde – énergie », ne sont pas indépendants. Ils sont à la base de la description des phénomènes naturels, mais très difficiles à définir si l’on pose les questions à la manière des philosophes : qu’est-ce que la matière, l’espace, le temps ? Au contraire, celles des physiciens sont plutôt : quels sont les constituants de la matière ? quelles sont les propriétés et les lois qui permettent d’expliquer les phénomènes observés ? C’est bien la démarche des physiciens que nous suivrons ici, et non celle des philosophes, pour laquelle nous renvoyons le lecteur aux ouvrages consacrés à la philosophie des sciences.

A la fin du 19e siècle la rédaction d’un tel livre aurait été relativement facile.
En effet, on pouvait dire que le but de la physique, soit l’explication des phénomènes naturels, a été pratiquement atteint (à quelques exceptions près).
La nature peut se comparer à un théâtre :
• L’espace et le temps sont la scène immuable sur laquelle se déroulent les phénomènes. Ils ont une existence indépendante des corps qui s’y trouvent ; ils sont infinis et continus. Le temps s’écoule de façon uniforme et l’espace est là de toute éternité.
• La matière (formée de corpuscules localisés) et les ondes électromagnétiques (qui remplissent l’espace) sont les acteurs qui évoluent sur cette scène en obéissant à un certain nombre de contraintes : les lois de la nature.
• Finalement les mathématiques sont la langue dans laquelle la pièce est écrite et qu’il faut apprendre pour en comprendre l’histoire. Suite à la prise de conscience intervenue au début du 20e siècle de l’interdépendance toujours plus étroite des concepts fondamentaux, la situation au 21e siècle est devenue beaucoup plus complexe : la relativité restreinte unifie dans une même structure l’espace et le temps qui devient l’espace-temps et montre l’équivalence de la masse et de l’énergie; la relativité générale soumet cet espace-temps à l’action de la matière, et la mécanique quantique lie indissolublement ondes et corpuscules. Cependant le titre du livre ouvre une perspective historique qui facilitera notre présentation : nous suivrons essentiellement un ordre chronologique, qui correspond au développement le plus naturel de la pensée scientifique. S’il ne traite pas de la philosophie des sciences, notre texte n’est pas non plus une histoire des sciences. Les protagonistes et les dates que nous présenterons permettent d’articuler le discours autour de scientifiques éminents et de moments importants, mais il ne faut pas perdre de vue qu’une découverte a toujours nombre d’antécédents aussi bien dans les idées des précurseurs que dans le développement des techniques. Il est souvent difficile de démêler l’écheveau des chemins qui ont conduit à une nouvelle observation ou un nouveau concept et d’attribuer des priorités. C’est justement là le travail de l’historien professionnel. Nous ne serons ni toujours suffisamment précis ni complets dans ce domaine.

Fin des mythes et début de la science occidentale

L’étude de la matière et des phénomènes naturels commence au 6e siècle av. J.-C. avec Thalès de Milet (~625-547) qui est considéré comme le premier philosophe, physicien et mathématicien grec. Avant lui l’explication des phénomènes naturels et humains était d’ordre mythique ou religieux. Dans cette philosophie mythique les dieux étaient seuls responsables de ce que nous observons. Avec Thalès on assiste à une véritable révolution. Il rejette la mythologie et cherche des causes naturelles aux phénomènes. En particulier il admet qu’il doit exister des vérités générales qu’il est possible de découvrir par le raison nement. Celles-ci doivent permettre d’expliquer l’univers et les changements continuels que nous voyons dans la nature. Pour Thalès, et les philosophes de l’école de Milet qui suivront, il existe une substance élémentaire, ou matière première, qui est à l’origine de tout et vers laquelle tout retourne. Pour lui ce principe explicatif des corps est l’Eau. C’est le principe de vie et c’est également le principe d’où procèdent les autre éléments : Terre, Air, Feu. De Thalès jusqu’au 21e siècle nous pouvons considérer que l’étude de la nature s’est effectuée en trois étapes : philosophie naturelle, physique classique et période moderne. Chacune de ces étapes est précédée d’une révolution scientifique qui bouleverse les idées en vigueur jusqu’alors.

Première période : philosophie naturelle (600 av. J.-C. à 1600)

La première période couvre plus de 2000 ans d’histoire pendant laquelle s’élabore une étude de la nature que l’on appelle philosophie naturelle. Elle va mettre en jeu deux conceptions radicalement différentes, la théorie des éléments et la théorie atomique.
A des variantes près, Empédocle (490-435), Platon (428-348) et Aristote (384-322) développent l’idée que toute matière sublunaire (c’est-à-dire à l’intérieur de la sphère centrée sur la terre et portant l’orbite de la lune) résulte d’une combinaison de quatre éléments fondamentaux ou matière première : Terre, Eau, Air, Feu. Dans le monde supra lunaire, monde de la perfection et de l’éternité situé au-delà de l’orbite de la lune, les corps célestes sont constitués d’un cinquième élément, l’éther. De plus on démontre que l’existence du vide est impossible. Au contraire, les philosophes atomistes Leucippe (460-370), Démocrite (460-370), puis Epicure (342-270) et Lucrèce (98-55) affirment que toute matière est formée d’atomes, particules de matière, indivisibles et éternelles, se déplaçant dans le vide et dont l’assemblage constitue les corps. En 1600, c’est toujours la philosophie d’Aristote qui prédomine. Elle a traversé les siècles et elle est devenue la « servante de la théologie » grâce aux travaux de Saint Thomas d’Aquin (1225-1274). Pour arriver en Europe, les écrits d’Aristote passent par Alexandrie où ses textes sont traduits en arabe, puis étudiés et commentés. Suite à la conquête musulmane (711-1492), l’Espagne devient un centre de rayonnement de la pensée d’Aristote. A Tolède au 12e siècle, on trouve un bureau de traduction de ses oeuvres d’arabe en latin dont le but est de favoriser leur diffusion à travers l’Europe. Mais cela n’est pas du goût de l’Eglise qui a peur de l’influence que pourraient avoir les écrits d’Aristote. La lecture de cette philosophie est alors interdite et menacée d‘excommunication par les Conciles de 1210 et 1230, puis par l’évêque de Paris en 1270 et 1277. Après 1270, toutes les oeuvres connues d’Aristote ont été traduites soit de l’arabe, soit du grec original, en latin. Saint Thomas d’Aquin, dominicain considéré comme l’un des principaux maîtres de la scolastique et de la théologie catholique, s’attache à concilier la philosophie d’Aristote et la pensée chrétienne. Il a la certitude que l’étude philosophique ne peut jamais contredire l’enseignement religieux puisque tous les deux recherchent la vérité. Suivant Aristote, et contrairement à Platon, il affirme que la connaissance intellectuelle est une abstraction de la connaissance sensible et qu’il « n’y a rien dans l’intelligence qui n’ait été auparavant dans les sens ».
Les condamnations de l’Eglise seront finalement révoquées en 1325 et à partir du Concile de Trente (1545), les textes d’Aristote sont considérés presque aussi infaillibles que la Bible. Par exemple, un arrêt de la Sorbonne de 1633 interdit d’enseigner toute maxime contre les anciens et en particulier contre Aristote. Ainsi en 1600, la philosophie d’Aristote est la seule reconnue par l’Eglise et la compréhension de la nature peut se résumer comme suit.

Conception du monde selon la philosophie naturelle

• La terre est immobile au centre de l’univers ; la lune, le soleil, les cinq planètes connues, puis les étoiles fixes sont sur des sphères tournant autour d’axes passant par le centre de la terre.
• L’univers est divisé en deux parties obéissant à des lois différentes : le monde sublunaire, qui est celui de l’imperfection, des contraires, des changements, et le monde supralunaire qui est celui de la perfection et de l’éternité.
• Dans le monde sublunaire les corps sont composés à partir des quatre éléments : Terre, Eau, Air, Feu, auxquels sont associés deux des quatre propriétés, chaud ou froid, sec ou humide. Chacun des quatre éléments peut se transformer en un autre pour autant qu’ils aient une propriété commune. Les corps parfaits du monde supralunaire sont constitués du cinquième élément, éther ou quintessence.
• Le mouvement est l’un des principes de la matière. Dans le monde supralunaire le seul mouvement est circulaire et uniforme : il est parfait, éternel, sans commencement ni fin et sans contraire. Dans le monde sublunaire il y a deux types de mouvements : les mouvements naturels d’une part qui conduisent le corps vers son lieu naturel dont il ne pourra s’éloigner que sous l’action d’une force extérieure, et d’autre part les mouvements violents qui éloignent les corps de leur position naturelle. De plus il y a deux types de corps et de mouvement naturel : les graves qui se meuvent de façon rectiligne vers le centre de la terre, et les légers qui, au contraire, vont en ligne droite du centre de la terre vers les sphères célestes.
• On admet que la vitesse du corps est proportionnelle à la force et que le mouvement cesse dès que celle-ci cesse d’agir. Dans le cas du mouvement naturel c’est la force qui doit amener le corps en son lieu naturel, dans le cas du mouvement violent c’est soit la main qui lance la flèche, soit l’air qui la propulse lorsque la main a lâché la flèche. Dans sa chute un corps a une vitesse proportionnelle à son poids et inversement proportionnelle à la résistance du milieu. Ainsi dans le vide le corps aurait une vitesse infinie, ce qui est absurde et démontre l’impossibilité de l’existence du vide.
• Finalement l’étude de la nature est basée sur les sens (par opposition aux idées de Platon) et les mathématiques ne sont pas vraiment appropriées pour cette étude.

 

> Pour en savoir plus

Extrait du titre  De l'atome antique à l'atome quantique
de Christian Gruber et Philippe-André Martin
Publié aux Presses polytechniques et universitaires romandes

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