Question - Matter

Question

La matière est généralement classée en trois états classiques , le plasma étant parfois ajouté comme quatrième état. De haut en bas : quartz ( solide ), eau ( liquide ), dioxyde d'azote ( gaz ) et un globe à plasma ( plasma ).

En physique classique et en chimie générale , la matière est toute substance qui a une masse et prend de l'espace en ayant du volume . Tous les objets de tous les jours qui peuvent être touchés sont en fin de compte composés d' atomes , qui sont constitués de particules subatomiques en interaction , et dans l'usage quotidien ainsi que scientifique, la « matière » comprend généralement les atomes et tout ce qui en est constitué, ainsi que toutes les particules (ou combinaison de particules ) qui agissent comme si elles avaient à la fois une masse et un volume au repos . Cependant, il n'inclut pas les particules sans masse telles que les photons , ou d'autres phénomènes énergétiques ou les ondes telles que la lumière . La matière existe dans divers états (également appelés phases ). Ceux-ci incluent les phases quotidiennes classiques telles que solide , liquide et gazeuse - par exemple, l' eau existe sous forme de glace, d'eau liquide et de vapeur gazeuse - mais d'autres états sont possibles, notamment le plasma , les condensats de Bose-Einstein , les condensats fermioniques et le plasma quark-gluon .

Habituellement, les atomes peuvent être imaginés comme un noyau de protons et de neutrons , et un "nuage" environnant d' électrons en orbite qui "prennent de l'espace". Cependant, ce n'est que partiellement correct, car les particules subatomiques et leurs propriétés sont régies par leur nature quantique , ce qui signifie qu'elles n'agissent pas comme les objets de tous les jours semblent agir - elles peuvent agir comme des ondes aussi bien que des particules et elles n'ont pas de propriétés bien définies. tailles ou positions. Dans le modèle standard de la physique des particules , la matière n'est pas un concept fondamental car les constituants élémentaires des atomes sont des entités quantiques qui n'ont pas de "taille" ou de " volume " inhérent au sens courant du terme. En raison du principe d'exclusion et d'autres interactions fondamentales , certaines " particules ponctuelles " connues sous le nom de fermions ( quarks , leptons ), et de nombreux composés et atomes, sont effectivement obligés de se tenir à distance des autres particules dans des conditions quotidiennes; cela crée la propriété de la matière qui nous apparaît comme une matière prenant de l'espace.

Pendant une grande partie de l'histoire des sciences naturelles, les gens se sont penchés sur la nature exacte de la matière. L'idée que la matière était constituée de blocs de construction discrets, la soi-disant théorie particulaire de la matière , est apparue indépendamment dans la Grèce antique et l'Inde ancienne chez les bouddhistes , les hindous et les jaïns au 1er millénaire avant notre ère. Les philosophes antiques qui ont proposé la théorie particulaire de la matière incluent Kanada (c. 6ème siècle avant JC ou après), Leucippe (~ 490 avant JC) et Démocrite (~ 470-380 avant JC).

Comparaison avec la masse

La matière ne doit pas être confondue avec la masse, car les deux ne sont pas identiques dans la physique moderne. La matière est un terme général décrivant toute « substance physique ». En revanche, la masse n'est pas une substance mais plutôt une propriété quantitative de la matière et d'autres substances ou systèmes ; divers types de masse sont définis en physique - y compris, mais sans s'y limiter , la masse au repos , la masse inertielle , la masse relativiste , la masse-énergie .

Bien qu'il existe des points de vue différents sur ce qui devrait être considéré comme de la matière, la masse d'une substance a des définitions scientifiques exactes. Une autre différence est que la matière a un "opposé" appelé antimatière , mais la masse n'a pas d'opposé - il n'y a pas d'"anti-masse" ou de masse négative , pour autant que l'on sache, bien que les scientifiques discutent du concept. L'antimatière a la même propriété de masse (c'est-à-dire positive) que sa contrepartie normale de la matière.

Différents domaines de la science utilisent le terme matière de manières différentes, et parfois incompatibles. Certaines de ces manières sont basées sur des significations historiques vagues, d'une époque où il n'y avait aucune raison de distinguer la masse d'une simple quantité de matière. En tant que tel, il n'y a pas de signification scientifique unique et universellement acceptée du mot « matière ». Scientifiquement, le terme « masse » est bien défini, mais « matière » peut être défini de plusieurs manières. Parfois, dans le domaine de la physique, la « matière » est simplement assimilée à des particules qui présentent une masse au repos (c'est-à-dire qui ne peuvent pas voyager à la vitesse de la lumière), comme les quarks et les leptons. Cependant, en physique comme en chimie , la matière présente à la fois des propriétés ondulatoires et particulaires , ce qu'on appelle la dualité onde-particule .

Définition

Basé sur des atomes

Une définition de la "matière" basée sur sa structure physique et chimique est la suivante : la matière est composée d' atomes . Une telle matière atomique est aussi parfois appelée matière ordinaire . À titre d'exemple, les molécules d' acide désoxyribonucléique (ADN) sont de la matière selon cette définition car elles sont constituées d'atomes. Cette définition peut être étendue pour inclure les atomes et molécules chargés, de manière à inclure les plasmas (gaz d'ions) et les électrolytes (solutions ioniques), qui ne sont évidemment pas inclus dans la définition des atomes. Alternativement, on peut adopter la définition des protons, des neutrons et des électrons .

A base de protons, neutrons et électrons

Une définition de la "matière" plus fine que la définition des atomes et des molécules est la suivante : la matière est composée de ce dont sont faits les atomes et les molécules , c'est-à-dire tout ce qui est fait de protons chargés positivement , de neutrons neutres et d' électrons chargés négativement . Cette définition va au-delà des atomes et des molécules, cependant, pour inclure des substances fabriquées à partir de ces éléments constitutifs qui ne sont pas simplement des atomes ou des molécules, par exemple des faisceaux d'électrons dans un vieux téléviseur à tube cathodique , ou de la matière naine blanche - généralement, des noyaux de carbone et d'oxygène dans une mer d'électrons dégénérés. Au niveau microscopique, les « particules » constitutives de la matière telles que les protons, les neutrons et les électrons obéissent aux lois de la mécanique quantique et présentent une dualité onde-particule. À un niveau encore plus profond, les protons et les neutrons sont constitués de quarks et des champs de force ( gluons ) qui les lient ensemble, conduisant à la définition suivante.

A base de quarks et de leptons

Selon la définition des « quarks et leptons », les particules élémentaires et composites constituées de quarks (en violet) et de leptons (en vert) seraient de la matière, tandis que les bosons de jauge (en rouge) ne seraient pas de la matière. Cependant, l'énergie d'interaction inhérente aux particules composites (par exemple, les gluons impliqués dans les neutrons et les protons) contribue à la masse de matière ordinaire.

Comme on l'a vu dans la discussion ci-dessus, de nombreuses premières définitions de ce que l'on peut appeler « matière ordinaire » étaient basées sur sa structure ou ses « blocs de construction ». A l'échelle des particules élémentaires, une définition qui suit cette tradition peut être énoncée comme : " la matière ordinaire est tout ce qui est composé de quarks et de leptons ", ou " la matière ordinaire est tout ce qui est composé de tous les fermions élémentaires à l'exception des antiquarks et des antileptons ". . Le lien entre ces formulations suit.

Les leptons (le plus connu étant l' électron ) et les quarks (dont sont constitués les baryons , tels que les protons et les neutrons ) se combinent pour former des atomes , qui à leur tour forment des molécules . Parce qu'on dit que les atomes et les molécules sont de la matière, il est naturel de formuler la définition comme suit : « la matière ordinaire est tout ce qui est fait des mêmes choses que les atomes et les molécules sont faits ». (Cependant, notez que l'on peut aussi fabriquer à partir de ces éléments constitutifs de la matière qui ne sont ni des atomes ni des molécules.) Ensuite, parce que les électrons sont des leptons, et les protons, et les neutrons sont constitués de quarks, cette définition conduit à son tour à la définition de la matière comme étant "quarks et leptons", qui sont deux des quatre types de fermions élémentaires (les deux autres étant des antiquarks et des antileptons, qui peuvent être considérés comme de l'antimatière comme décrit plus loin). Carithers et Grannis déclarent : « La matière ordinaire est entièrement composée de particules de première génération , à savoir les quarks [up] et [down], plus l'électron et son neutrino. (Les particules de générations supérieures se désintègrent rapidement en particules de première génération et ne sont donc pas couramment rencontrées.)

Cette définition de la matière ordinaire est plus subtile qu'il n'y paraît au premier abord. Toutes les particules qui composent la matière ordinaire (leptons et quarks) sont des fermions élémentaires, tandis que tous les porteurs de force sont des bosons élémentaires. Les bosons W et Z qui assurent la médiation de la force faible ne sont pas constitués de quarks ou de leptons, et ne sont donc pas de la matière ordinaire, même s'ils ont une masse. En d'autres termes, la masse n'est pas quelque chose qui est exclusif à la matière ordinaire.

La définition quark-lepton de la matière ordinaire, cependant, identifie non seulement les éléments constitutifs élémentaires de la matière, mais comprend également les composites fabriqués à partir des constituants (atomes et molécules, par exemple). De tels composites contiennent une énergie d'interaction qui maintient les constituants ensemble, et peut constituer la majeure partie de la masse du composite. Par exemple, dans une large mesure, la masse d'un atome est simplement la somme des masses de ses protons, neutrons et électrons qui le constituent. Cependant, en creusant plus profondément, les protons et les neutrons sont constitués de quarks liés entre eux par des champs de gluons (voir dynamique de la chromodynamique quantique ) et ces champs de gluons contribuent de manière significative à la masse des hadrons. En d'autres termes, la majeure partie de ce qui compose la « masse » de matière ordinaire est due à l' énergie de liaison des quarks dans les protons et les neutrons. Par exemple, la somme de la masse des trois quarks dans un nucléon est d'environ12,5  MeV/ c ² , ce qui est faible par rapport à la masse d'un nucléon (environ938  MeV/ c ² ). L'essentiel est que la majeure partie de la masse des objets du quotidien provient de l'énergie d'interaction de ses composants élémentaires.

Le modèle standard regroupe les particules de matière en trois générations, chaque génération étant constituée de deux quarks et de deux leptons. La première génération est constituée des quarks up et down , de l' électron et du neutrino électronique ; la seconde comprend les quarks charmés et étranges , le muon et le neutrino du muon ; la troisième génération est constituée des quarks top et bottom et des neutrinos tau et tau . L'explication la plus naturelle à cela serait que les quarks et les leptons des générations supérieures sont des états excités des premières générations. Si tel est le cas, cela impliquerait que les quarks et les leptons sont des particules composites plutôt que des particules élémentaires .

Cette définition quark-lepton de la matière conduit également à ce qui peut être décrit comme des lois de « conservation de la matière (nette) » - discuté plus loin ci-dessous. Alternativement, on pourrait revenir au concept masse-volume-espace de la matière, conduisant à la définition suivante, dans laquelle l'antimatière devient incluse en tant que sous-classe de la matière.

Basé sur les fermions élémentaires (masse, volume et espace)

Une définition commune ou traditionnelle de la matière est "tout ce qui a une masse et un volume (occupe l' espace )". Par exemple, une voiture serait faite de matière, car elle a une masse et un volume (occupe de l'espace).

L'observation que la matière occupe l'espace remonte à l'Antiquité. Cependant, une explication de la raison pour laquelle la matière occupe l'espace est récente et est considérée comme le résultat du phénomène décrit dans le principe d'exclusion de Pauli , qui s'applique aux fermions . Deux exemples particuliers où le principe d'exclusion relie clairement la matière à l'occupation de l'espace sont les étoiles naines blanches et les étoiles à neutrons, discutées plus loin.

Ainsi, la matière peut être définie comme tout ce qui est composé de fermions élémentaires. Bien que nous ne les rencontrions pas dans la vie quotidienne, les antiquarks (comme l' antiproton ) et les antileptons (comme le positon ) sont les antiparticules du quark et du lepton, sont également des fermions élémentaires et ont essentiellement les mêmes propriétés que les quarks et les leptons, y compris l'applicabilité du principe d'exclusion de Pauli dont on peut dire qu'il empêche deux particules d'être au même endroit en même temps (dans le même état), c'est-à-dire que chaque particule "prend de la place". Cette définition particulière conduit à définir la matière pour inclure tout ce qui est fait de ces particules d' antimatière ainsi que le quark et le lepton ordinaires, et donc aussi tout ce qui est fait de mésons , qui sont des particules instables composées d'un quark et d'un antiquark.

En relativité générale et cosmologie

Dans le contexte de la relativité , la masse n'est pas une quantité additive, dans le sens où l'on ne peut pas additionner les masses au repos des particules d'un système pour obtenir la masse au repos totale du système. Ainsi, en relativité, une vue plus générale est généralement que ce n'est pas la somme des masses au repos , mais le tenseur énergie-impulsion qui quantifie la quantité de matière. Ce tenseur donne la masse au repos pour l'ensemble du système. La « matière » est donc parfois considérée comme tout ce qui contribue à l'énergie-impulsion d'un système, c'est-à-dire tout ce qui n'est pas purement gravitationnel. Ce point de vue est communément admis dans les domaines qui traitent de la relativité générale comme la cosmologie . De ce point de vue, la lumière et les autres particules et champs sans masse font tous partie de la "matière".

Structure

En physique des particules, les fermions sont des particules qui obéissent à la statistique de Fermi-Dirac . Les fermions peuvent être élémentaires, comme l'électron, ou composites, comme le proton et le neutron. Dans le modèle standard , il existe deux types de fermions élémentaires : les quarks et les leptons, qui sont discutés ci-après.

Quarks

Quarks sont des particules massives de spin 1 / deux , ce qui implique qu'ils sont fermions . Ils portent une charge électrique de - 1 / 3  e (quarks down type) ou + 2 / 3  e (quarks up-type). A titre de comparaison, un électron a une charge de -1 e. Ils portent également une charge de couleur , qui est l'équivalent de la charge électrique pour l' interaction forte . Les quarks subissent également une désintégration radioactive , ce qui signifie qu'ils sont soumis à l' interaction faible .

Structure en quarks d'un proton : 2 quarks up et 1 quark down.

baryonique

Les baryons sont des fermions fortement interactifs, et sont donc soumis aux statistiques de Fermi-Dirac. Parmi les baryons se trouvent les protons et les neutrons, qui se produisent dans les noyaux atomiques, mais il existe également de nombreux autres baryons instables. Le terme baryon fait généralement référence aux triquarks, des particules constituées de trois quarks. De plus, les baryons « exotiques » constitués de quatre quarks et d'un antiquark sont connus sous le nom de pentaquarks , mais leur existence n'est généralement pas acceptée.

La matière baryonique est la partie de l'univers constituée de baryons (y compris tous les atomes). Cette partie de l'univers n'inclut pas l'énergie noire , la matière noire , les trous noirs ou diverses formes de matière dégénérée, telles que la composition des étoiles naines blanches et des étoiles à neutrons . La lumière micro-onde vue par la sonde d'anisotropie micro-onde Wilkinson (WMAP) suggère que seulement environ 4,6% de la partie de l'univers à portée des meilleurs télescopes (c'est-à-dire la matière qui peut être visible parce que la lumière pourrait nous en parvenir), est produite de la matière baryonique. Environ 26,8 % sont de la matière noire et environ 68,3 % sont de l'énergie noire.

La grande majorité de la matière ordinaire dans l'univers est invisible, puisque les étoiles et le gaz visibles à l'intérieur des galaxies et des amas représentent moins de 10 % de la contribution de la matière ordinaire à la densité masse-énergie de l'univers.

Une comparaison entre la naine blanche IK Pegasi B (au centre), son compagnon de classe A IK Pegasi A (à gauche) et le Soleil (à droite). Cette naine blanche a une température de surface de 35 500 K.

Hadronique

La matière hadronique peut désigner la matière baryonique « ordinaire », constituée de hadrons (baryons et mésons ), ou la matière quark (une généralisation des noyaux atomiques), c'est-à-dire la matière QCD « basse » température . Il comprend la matière dégénérée et le résultat de collisions de noyaux lourds à haute énergie.

Dégénérer

En physique, la matière dégénérée fait référence à l'état fondamental d'un gaz de fermions à une température proche du zéro absolu. Le principe d'exclusion de Pauli exige que seuls deux fermions puissent occuper un état quantique, l'un en spin-up et l'autre en spin-down. Par conséquent, à température nulle, les fermions remplissent des niveaux suffisants pour accueillir tous les fermions disponibles - et dans le cas de nombreux fermions, l'énergie cinétique maximale (appelée énergie de Fermi ) et la pression du gaz deviennent très importantes et dépendent de le nombre de fermions plutôt que la température, contrairement aux états normaux de la matière.

On pense que la matière dégénérée se produit au cours de l'évolution des étoiles lourdes. La démonstration par Subrahmanyan Chandrasekhar que les étoiles naines blanches ont une masse maximale autorisée en raison du principe d'exclusion a provoqué une révolution dans la théorie de l'évolution des étoiles.

La matière dégénérée comprend la partie de l'univers constituée d'étoiles à neutrons et de naines blanches.

Étrange

La matière étrange est une forme particulière de matière de quarks , généralement considérée comme un liquide de quarks haut , bas et étranges . Il s'oppose à la matière nucléaire , qui est un liquide de neutrons et de protons (qui sont eux-mêmes constitués de quarks up et down), et à la matière quark non étrange, qui est un quark liquide qui ne contient que des quarks up et down. À une densité suffisamment élevée, on s'attend à ce que la matière étrange soit supraconductrice de couleur . La matière étrange est supposée se produire dans le cœur des étoiles à neutrons , ou, plus spéculativement, sous forme de gouttelettes isolées dont la taille peut varier de femtomètres ( étranges ) à des kilomètres ( étoiles à quarks ).

Deux sens

En physique des particules et en astrophysique , le terme est utilisé de deux manières, l'une plus large et l'autre plus spécifique.

1. Le sens le plus large est simplement la matière de quarks qui contient trois saveurs de quarks : haut, bas et étrange. Dans cette définition, il existe une pression critique et une densité critique associée, et lorsque la matière nucléaire (constituée de protons et de neutrons ) est comprimée au-delà de cette densité, les protons et les neutrons se dissocient en quarks, produisant de la matière quarks (probablement de la matière étrange).
2. Le sens le plus étroit est la matière des quarks qui est plus stable que la matière nucléaire . L'idée que cela pourrait se produire est l'"hypothèse de la matière étrange" de Bodmer et Witten. Dans cette définition, la pression critique est nulle : le véritable état fondamental de la matière est toujours la matière des quarks. Les noyaux que nous voyons dans la matière qui nous entoure, qui sont des gouttelettes de matière nucléaire, sont en fait métastables , et avec suffisamment de temps (ou le bon stimulus externe) se désintégreraient en gouttelettes de matière étrange, c'est-à-dire étranges .

Leptons

Leptons sont des particules de spin 1 / deux , ce qui signifie qu'ils sont fermions . Ils portent une charge électrique de -1  e (leptons chargés) ou 0 e (neutrinos). Contrairement aux quarks, les leptons ne portent pas de charge de couleur , ce qui signifie qu'ils ne subissent pas d'interaction forte . Les leptons subissent également une désintégration radioactive, ce qui signifie qu'ils sont soumis à l' interaction faible . Les leptons sont des particules massives, donc soumis à la gravité.

Étapes

Diagramme de phase pour une substance typique à un volume fixe. L' axe vertical est P ression, axe horizontal est T empérature. La ligne verte marque le point de congélation (au-dessus de la ligne verte est solide , en dessous c'est liquide ) et la ligne bleue le point d'ébullition (au-dessus c'est liquide et en dessous c'est gaz ). Ainsi, par exemple, à T plus élevé , un P plus élevé est nécessaire pour maintenir la substance en phase liquide. Au point triple les trois phases ; liquide, gazeux et solide; peut coexister. Au-dessus du point critique, il n'y a pas de différence détectable entre les phases. La ligne pointillée montre le comportement anormal de l'eau : la glace fond à température constante avec une pression croissante.

En vrac , la matière peut exister sous plusieurs formes différentes, ou états d'agrégation, appelés phases , en fonction de la pression ambiante , de la température et du volume . Une phase est une forme de matière qui a une composition chimique et des propriétés physiques relativement uniformes (telles que la densité , la chaleur spécifique , l' indice de réfraction , etc.). Ces phases comprennent les trois phases familières ( solides , liquides et gaz ), ainsi que des états plus exotiques de la matière (comme les plasmas , les superfluides , les supersolides , les condensats de Bose-Einstein , ...). Un fluide peut être un liquide, un gaz ou un plasma. Il existe également des phases paramagnétiques et ferromagnétiques des matériaux magnétiques . À mesure que les conditions changent, la matière peut passer d'une phase à une autre. Ces phénomènes sont appelés transitions de phase et sont étudiés dans le domaine de la thermodynamique . Dans les nanomatériaux, le rapport considérablement accru de la surface au volume se traduit par une matière qui peut présenter des propriétés entièrement différentes de celles des matériaux en vrac, et qui ne sont pas bien décrites par aucune phase en vrac (voir les nanomatériaux pour plus de détails).

Les phases sont parfois appelées états de la matière , mais ce terme peut prêter à confusion avec les états thermodynamiques . Par exemple, deux gaz maintenus à des pressions différentes sont dans des états thermodynamiques différents (pressions différentes), mais dans la même phase (tous deux sont des gaz).

Antimatière

L'antimatière est une matière composée des antiparticules de celles qui constituent la matière ordinaire. Si une particule et son antiparticule entrent en contact l'une avec l'autre, les deux s'annihilent ; autrement dit, ils peuvent tous deux être convertis en d' autres particules avec une égale énergie en conformité avec Albert Einstein l » équation E = mc ² . Ces nouvelles particules peuvent être des photons de haute énergie ( rayons gamma ) ou d'autres paires particule-antiparticule. Les particules résultantes sont dotées d'une quantité d'énergie cinétique égale à la différence entre la masse au repos des produits de l'annihilation et la masse au repos de la paire particule-antiparticule d'origine, qui est souvent assez grande. Selon la définition de « matière » adoptée, l'antimatière peut être considérée comme une sous-classe particulière de matière, ou l'opposé de la matière.

L'antimatière ne se trouve pas naturellement sur Terre, sauf très brièvement et en quantités infimes (suite à la désintégration radioactive , à la foudre ou aux rayons cosmiques ). C'est parce que l'antimatière qui est venue exister sur Terre en dehors des limites d'un laboratoire de physique approprié rencontrerait presque instantanément la matière ordinaire dont la Terre est faite et serait annihilée. Les antiparticules et certaines antimatières stables (telles que l' antihydrogène ) peuvent être fabriquées en quantités infimes, mais pas en quantité suffisante pour faire plus que tester quelques-unes de ses propriétés théoriques.

Il y a une spéculation considérable à la fois dans la science et la science-fiction pour savoir pourquoi l'univers observable est apparemment presque entièrement de la matière (au sens des quarks et des leptons mais pas des antiquarks ou des antileptons), et si d'autres endroits sont presque entièrement de l'antimatière (antiquarks et antileptons) à la place . Dans l'univers primitif, on pense que la matière et l'antimatière étaient également représentées, et la disparition de l'antimatière nécessite une asymétrie dans les lois physiques appelée violation de symétrie CP (charge-parité) , qui peut être obtenue à partir du modèle standard, mais à cette époque l'apparente asymétrie de la matière et de l'antimatière dans l'univers visible est l'un des grands problèmes non résolus de la physique . Les processus possibles par lesquels il s'est produit sont explorés plus en détail sous baryogenèse .

Formellement, les particules d'antimatière peuvent être définies par leur négatif nombre baryonique ou lepton nombre , tandis que « normal » (non-antimatière) des particules ont la matière baryonique positive ou nombre leptonique. Ces deux classes de particules sont les partenaires antiparticulaires l'une de l'autre.

En octobre 2017, des scientifiques ont rapporté de nouvelles preuves que la matière et l' antimatière , également produites lors du Big Bang , sont identiques, devraient s'annihiler complètement et, par conséquent, l' univers ne devrait pas exister. Cela implique qu'il doit y avoir quelque chose, encore inconnu des scientifiques, qui a soit arrêté la destruction mutuelle complète de la matière et de l'antimatière dans l'univers en formation précoce, soit qui a provoqué un déséquilibre entre les deux formes.

Préservation

Deux quantités qui peuvent définir une quantité de matière au sens quark-lepton (et l'antimatière au sens antiquark-antilepton), le nombre de baryons et le nombre de leptons , sont conservées dans le modèle standard. Un baryon tel que le proton ou le neutron a un nombre de baryon de un, et un quark, parce qu'il y en a trois dans un baryon, a un nombre de baryon de 1/3. Ainsi, la quantité nette de matière, mesurée par le nombre de quarks (moins le nombre d'antiquarks, qui ont chacun un nombre baryonique de -1/3), qui est proportionnel au nombre baryonique, et au nombre de leptons (moins antileptons), qui est appelé le nombre de leptons, est pratiquement impossible à changer dans n'importe quel processus. Même dans une bombe nucléaire, aucun des baryons (protons et neutrons dont sont composés les noyaux atomiques) n'est détruit - il y a autant de baryons après qu'avant la réaction, donc aucune de ces particules de matière n'est réellement détruite et aucune n'est même convertie. aux particules de non-matière (comme les photons de lumière ou de rayonnement). Au lieu de cela, l' énergie de liaison nucléaire (et peut-être chromodynamique) est libérée, car ces baryons se lient à des noyaux de taille moyenne ayant moins d'énergie (et, de manière équivalente , moins de masse) par nucléon par rapport à l'original petit (hydrogène) et grand (plutonium, etc. ) noyaux. Même dans l'annihilation électron-positon , il n'y a pas de matière nette détruite, car il n'y avait aucune matière nette (nombre total de leptons et nombre de baryons) pour commencer avant l'annihilation - un lepton moins un antilepton équivaut à zéro nombre de leptons nets - et ceci le montant net ne change pas car il reste simplement nul après l'annihilation.

En bref, la matière, telle que définie en physique, fait référence aux baryons et aux leptons. La quantité de matière est définie en termes de nombre de baryons et de leptons. Des baryons et des leptons peuvent être créés, mais leur création s'accompagne d'antibaryons ou d'antileptons ; et ils peuvent être détruits, en les annihilant avec des antibaryons ou des antileptons. Étant donné que les antibaryons/antileptons ont des nombres de baryons/leptons négatifs, les nombres globaux de baryons/leptons ne sont pas modifiés, de sorte que la matière est conservée. Cependant, les baryons/leptons et les antibaryons/antileptons ont tous une masse positive, de sorte que la quantité totale de masse n'est pas conservée. De plus, en dehors des réactions nucléaires naturelles ou artificielles, il n'y a presque pas d'antimatière généralement disponible dans l'univers (voir asymétrie baryonique et leptogenèse ), donc l'annihilation des particules est rare dans des circonstances normales.

Sombre

La matière ordinaire, dans la définition des quarks et des leptons, constitue environ 4% de l' énergie de l' univers observable . L'énergie restante est théorisée comme étant due à des formes exotiques, dont 23% de matière noire et 73% d' énergie noire .

Courbe de rotation de la galaxie pour la Voie lactée. L'axe vertical est la vitesse de rotation autour du centre galactique. L'axe horizontal est la distance du centre galactique. Le soleil est marqué d'une boule jaune. La courbe de vitesse de rotation observée est bleue. La courbe prédite basée sur la masse stellaire et le gaz dans la Voie lactée est rouge. La différence est due à la matière noire ou peut-être à une modification de la loi de la gravité . La dispersion dans les observations est indiquée grossièrement par des barres grises.

En astrophysique et en cosmologie , la matière noire est une matière de composition inconnue qui n'émet ou ne réfléchit pas suffisamment de rayonnement électromagnétique pour être observée directement, mais dont la présence peut être déduite des effets gravitationnels sur la matière visible. Les preuves observationnelles de l'univers primitif et de la théorie du Big Bang exigent que cette matière ait de l'énergie et de la masse, mais ne soit pas composée de baryons ordinaires (protons et neutrons). L'opinion communément admise est que la majeure partie de la matière noire est de nature non baryonique . A ce titre, il est composé de particules non encore observées en laboratoire. Ce sont peut-être des particules supersymétriques , qui ne sont pas des particules du modèle standard , mais des reliques formées à de très hautes énergies dans la première phase de l'univers et flottant encore.

Énergie

En cosmologie , l'énergie noire est le nom donné à la source de l'influence répulsive qui accélère le taux d' expansion de l'univers . Sa nature précise est actuellement un mystère, bien que ses effets puissent raisonnablement être modélisés en attribuant des propriétés semblables à celles de la matière telles que la densité d'énergie et la pression au vide lui-même.

70% de la densité de matière dans l'univers semble être sous forme d'énergie noire. Vingt-six pour cent sont de la matière noire. Seulement 4% est de la matière ordinaire. Ainsi, moins d'une partie sur 20 est constituée de matière que nous avons observée expérimentalement ou décrite dans le modèle standard de la physique des particules. Sur les 96% restants, mis à part les propriétés que nous venons de mentionner, nous ne savons absolument rien.

—  Lee Smolin (2007), Le problème avec la physique , p. 16

Exotique

La matière exotique est un concept de la physique des particules , qui peut inclure la matière noire et l'énergie noire, mais va plus loin pour inclure tout matériau hypothétique qui viole une ou plusieurs des propriétés des formes connues de la matière. Certains de ces matériaux pourraient posséder des propriétés hypothétiques comme une masse négative .

Étude historique

Antiquité (vers 600 av. J.-C. – Vers 322 av. J.-C.)

Dans l'Inde ancienne , les bouddhistes, les hindous et les jaïns ont chacun développé une théorie particulaire de la matière, posant que toute matière est faite d'atomes ( paramanu , pudgala ) qui sont en eux-mêmes « éternels, indestructibles et innombrables » et qui s'associent et se dissocient selon à certaines lois naturelles fondamentales pour former une matière plus complexe ou changer au fil du temps. Ils ont couplé leurs idées d'âme, ou leur absence, dans leur théorie de la matière. Les plus grands promoteurs et défenseurs de cette théorie étaient l' école Nyaya- Vaisheshika , les idées du philosophe Kanada (vers le VIe siècle av. J.-C.) étant les plus suivies. Les bouddhistes ont également développé ces idées à la fin du 1er millénaire avant notre ère, des idées similaires à l'école hindoue Vaishashika, mais qui n'incluaient aucune âme ou conscience. Les jaïns incluaient l'âme ( jiva ), ajoutant des qualités telles que le goût, l'odorat, le toucher et la couleur à chaque atome. Ils ont étendu les idées trouvées dans la littérature ancienne des hindous et des bouddhistes en ajoutant que les atomes sont soit humides, soit secs, et que cette qualité cimente la matière. Ils ont également proposé la possibilité que les atomes se combinent en raison de l'attraction des contraires, et que l'âme s'attache à ces atomes, se transforme avec des résidus de karma et transmigre à chaque renaissance.

En Europe , les présocratiques spéculaient sur la nature sous-jacente du monde visible. Thalès (vers 624 av. J.-C.-vers 546 av. J.-C.) considérait l'eau comme la matière fondamentale du monde. Anaximandre (vers 610 av. J.-C.-vers 546 av. J.-C.) a postulé que le matériau de base était totalement sans caractère ou sans limites : l'Infini ( apeiron ). Anaximène (s'épanouit en 585 av. J.-C., décédé en 528 av. J.-C.) a postulé que l'étoffe de base était le pneuma ou l'air. Héraclite (vers 535–vers 475 av. J.-C.) semble dire que l'élément de base est le feu, même s'il veut peut-être dire que tout est changement. Empédocle (vers 490-430 av. J.-C.) parlait de quatre éléments dont tout était fait : la terre, l'eau, l'air et le feu. Pendant ce temps, Parménide a soutenu que le changement n'existe pas, et Démocrite a soutenu que tout est composé de corps minuscules et inertes de toutes formes appelés atomes, une philosophie appelée atomisme . Toutes ces notions possédaient de profonds problèmes philosophiques.

Aristote (384-322 av. J.-C.) a été le premier à mettre la conception sur une base philosophique solide, ce qu'il a fait dans sa philosophie naturelle, en particulier dans le livre de physique I. Il a adopté comme suppositions raisonnables les quatre éléments d'Empedoclean , mais a ajouté un cinquième, l' éther . Néanmoins, ces éléments ne sont pas fondamentaux dans l'esprit d'Aristote. Au contraire, comme tout le reste du monde visible, ils sont composés des principes de base matière et forme.

Car ma définition de la matière est précisément celle-ci : le substrat premier de chaque chose, d'où elle vient à être sans qualification, et qui persiste dans le résultat.

—  Aristote, Physique I:9:192a32

Le mot qu'Aristote utilise pour la matière, ( hyle ou hule ) , peut être littéralement traduit par bois ou bois, c'est-à-dire « matière première » pour la construction. En effet, la conception d'Aristote de la matière est intrinsèquement liée à quelque chose en train d'être fait ou composé. En d'autres termes, contrairement à la conception moderne de la matière comme occupant simplement l'espace, la matière pour Aristote est liée par définition au processus ou au changement : la matière est ce qui sous-tend un changement de substance. Par exemple, un cheval mange de l'herbe : le cheval change l'herbe en lui-même ; l'herbe en tant que telle ne persiste pas chez le cheval, mais certains de ses aspects, sa matière, si. La matière n'est pas spécifiquement décrite (par exemple, en tant qu'atomes ), mais consiste en tout ce qui persiste dans le changement de substance de l'herbe au cheval. La matière dans cette compréhension n'existe pas indépendamment (c'est-à-dire en tant que substance ), mais existe de manière interdépendante (c'est-à-dire en tant que "principe") avec la forme et seulement dans la mesure où elle sous-tend le changement. Il peut être utile de concevoir la relation entre la matière et la forme comme très similaire à celle entre les parties et le tout. Pour Aristote, la matière en tant que telle ne peut recevoir l' actualité que de la forme ; il n'a aucune activité ou actualité en soi, de la même manière que les parties en tant que telles n'ont d'existence que dans un tout (sinon elles seraient des touts indépendants).

XVIIe et XVIIIe siècles

René Descartes (1596-1650) est à l'origine de la conception moderne de la matière. Il était avant tout un géomètre. Au lieu, comme Aristote, de déduire l'existence de la matière de la réalité physique du changement, Descartes a postulé arbitrairement que la matière est une substance mathématique abstraite qui occupe l'espace :

Ainsi, l'étendue en longueur, largeur et profondeur constitue la nature de la substance corporelle ; et la pensée constitue la nature de la substance pensante. Et tout le reste attribuable au corps présuppose l'étendue, et n'est qu'un mode d'extension.

—  René Descartes, Principes de philosophie

Pour Descartes, la matière n'a que la propriété d'extension, donc sa seule activité en dehors de la locomotion est d'exclure les autres corps : c'est la philosophie mécanique . Descartes fait une distinction absolue entre l'esprit, qu'il définit comme substance pensante non étendue, et la matière, qu'il définit comme substance étendue non pensante. Ce sont des choses indépendantes. En revanche, Aristote définit la matière et le principe formel/formateur comme des principes complémentaires qui composent ensemble une chose indépendante ( substance ). En bref, Aristote définit la matière (grossièrement) comme ce dont les choses sont réellement faites (avec une existence indépendante potentielle ), mais Descartes élève la matière à une chose indépendante réelle en soi.

La continuité et la différence entre les conceptions de Descartes et d'Aristote sont remarquables. Dans les deux conceptions, la matière est passive ou inerte. Dans les conceptions respectives, la matière a des relations différentes avec l'intelligence. Pour Aristote, la matière et l'intelligence (la forme) existent ensemble dans une relation interdépendante, alors que pour Descartes, la matière et l'intelligence (l'esprit) sont des substances indépendantes et opposées par définition .

La justification de Descartes pour restreindre les qualités inhérentes de la matière à l'étendue est sa permanence, mais son véritable critère n'est pas la permanence (qui s'appliquait également à la couleur et à la résistance), mais son désir d'utiliser la géométrie pour expliquer toutes les propriétés matérielles. Comme Descartes, Hobbes, Boyle et Locke ont soutenu que les propriétés inhérentes des corps étaient limitées à l'extension, et que les qualités dites secondaires, comme la couleur, n'étaient que des produits de la perception humaine.

Isaac Newton (1643-1727) a hérité de la conception mécanique de la matière de Descartes. Dans le troisième de ses "Règles de raisonnement en philosophie", Newton énumère les qualités universelles de la matière comme "l'extension, la dureté, l'impénétrabilité, la mobilité et l'inertie". De même, dans Optics, il conjecture que Dieu a créé la matière comme « des particules solides, massives, dures, impénétrables et mobiles », qui étaient « ... même si très dures qu'elles ne pouvaient jamais s'user ou se briser en morceaux ». Les propriétés « primaires » de la matière se prêtaient à une description mathématique, contrairement aux qualités « secondaires » telles que la couleur ou le goût. Comme Descartes, Newton a rejeté la nature essentielle des qualités secondaires.

Newton a développé la notion de matière de Descartes en restituant à la matière des propriétés intrinsèques en plus de l'extension (au moins sur une base limitée), comme la masse. L'utilisation par Newton de la force gravitationnelle, qui fonctionnait « à distance », a effectivement répudié la mécanique de Descartes, dans laquelle les interactions se faisaient exclusivement par contact.

Bien que la gravité de Newton semble être une puissance des corps, Newton lui-même n'admet pas qu'elle soit une propriété essentielle de la matière. Faisant avancer la logique de manière plus cohérente, Joseph Priestley (1733-1804) a soutenu que les propriétés corporelles transcendent la mécanique du contact : les propriétés chimiques nécessitent la capacité d'attraction. Il a soutenu que la matière a d'autres pouvoirs inhérents en plus des qualités dites primaires de Descartes, et al.

19e et 20e siècles

Depuis l'époque de Priestley, il y a eu une expansion massive de la connaissance des constituants du monde matériel (à savoir, molécules, atomes, particules subatomiques). Au 19ème siècle, suite au développement du tableau périodique et de la théorie atomique , les atomes étaient considérés comme les constituants fondamentaux de la matière ; les atomes forment des molécules et des composés .

La définition commune en termes d'occupation de l'espace et de masse contraste avec la plupart des définitions physiques et chimiques de la matière, qui reposent plutôt sur sa structure et sur des attributs qui ne sont pas nécessairement liés au volume et à la masse. Au tournant du XIXe siècle, la connaissance de la matière entame une évolution rapide.

Des aspects de la vision newtonienne dominaient toujours. James Clerk Maxwell a discuté de la matière dans son ouvrage Matter and Motion . Il sépare soigneusement la "matière" de l'espace et du temps, et la définit en fonction de l'objet auquel se réfère la première loi du mouvement de Newton .

Cependant, l'image newtonienne n'était pas toute l'histoire. Au 19ème siècle, le terme "matière" a été activement discuté par une foule de scientifiques et de philosophes, et un bref aperçu peut être trouvé dans Levere. Une discussion de manuel de 1870 suggère que la matière est ce qui est composé d'atomes :

Trois divisions de la matière sont reconnues en science : les masses, les molécules et les atomes.
Une masse de matière est toute portion de matière appréciable par les sens.
Une molécule est la plus petite particule de matière en laquelle un corps peut être divisé sans perdre son identité.
Un atome est une particule encore plus petite produite par division d'une molécule.

Plutôt que d'avoir simplement les attributs de masse et d'occupation de l'espace, la matière était considérée comme ayant des propriétés chimiques et électriques. En 1909, le célèbre physicien JJ Thomson (1856-1940) a écrit sur la "constitution de la matière" et s'est intéressé à la connexion possible entre la matière et la charge électrique.

À la fin du XIXe siècle avec la découverte de l' électron , et au début du XXe siècle, avec la découverte du noyau atomique par l' expérience Geiger-Marsden et la naissance de la physique des particules , la matière était considérée comme composée d'électrons, de protons et de neutrons. interagir pour former des atomes. S'est alors développée toute une littérature concernant la « structure de la matière », allant de la « structure électrique » au début du 20e siècle, à la plus récente « structure en quarks de la matière », introduite dès 1992 par Jacob avec la remarque : « Comprendre la structure des quarks de la matière a été l'une des avancées les plus importantes de la physique contemporaine." A ce propos, les physiciens parlent de champs de matière , et parlent de particules comme « d'excitations quantiques d'un mode du champ de matière ». Et voici une citation de de Sabbata et Gasperini : "Avec le mot "matière", nous désignons, dans ce contexte, les sources des interactions, c'est-à-dire les champs spineurs (comme les quarks et les leptons ), qui sont considérés comme les composants fondamentaux de matière, ou des champs scalaires , comme les particules de Higgs , qui servent à introduire la masse dans une théorie de jauge (et qui, cependant, pourraient être composés de champs de fermions plus fondamentaux )."

Les protons et les neutrons ne sont cependant pas indivisibles : ils peuvent être divisés en quarks . Et les électrons font partie d'une famille de particules appelées leptons . Les quarks et les leptons sont des particules élémentaires et ont été considérés en 2004 par les auteurs d'un texte de premier cycle comme étant les constituants fondamentaux de la matière.

Ces quarks et leptons interagissent par l'intermédiaire de quatre forces fondamentales : la gravité , l' électromagnétisme , les interactions faibles et les interactions fortes . Le modèle standard de la physique des particules est actuellement la meilleure explication de toute la physique, mais malgré des décennies d'efforts, la gravité ne peut pas encore être prise en compte au niveau quantique ; elle n'est décrite par la physique classique (voir gravité quantique et graviton ) qu'à la frustration de théoriciens comme Stephen Hawking . Les interactions entre quarks et leptons sont le résultat d'un échange de particules porteuses de force telles que des photons entre quarks et leptons. Les particules porteuses de force ne sont pas elles-mêmes des blocs de construction. En conséquence, la masse et l'énergie (qui, à notre connaissance actuelle, ne peuvent pas être créées ou détruites) ne peuvent pas toujours être liées à la matière (qui peut être créée à partir de particules de non-matière telles que les photons, ou même à partir d'énergie pure, telle que l'énergie cinétique). énergie). Les médiateurs de force ne sont généralement pas considérés comme de la matière : les médiateurs de la force électrique (photons) possèdent de l'énergie (voir relation de Planck ) et les médiateurs de la force faible ( bosons W et Z ) ont une masse, mais aucun n'est non plus considéré comme de la matière. Cependant, bien que ces quanta ne soient pas considérés comme de la matière, ils contribuent à la masse totale des atomes, des particules subatomiques et de tous les systèmes qui les contiennent.

Sommaire

La conception moderne de la matière a été affinée à plusieurs reprises dans l'histoire, à la lumière de l'amélioration de la connaissance de ce que sont les éléments de base et de la manière dont ils interagissent. Le terme « matière » est utilisé dans toute la physique dans une grande variété de contextes : par exemple, on se réfère à « physique de la matière condensée », « matière élémentaire », « matière partonique », matière « noire », « anti »-matière, « matière " étrange " et matière " nucléaire ". Dans les discussions sur la matière et l' antimatière , la première a été désignée par Alfvén sous le nom de koinomatter (Gk. matière commune ). Il est juste de dire qu'en physique , il n'y a pas de large consensus quant à une définition générale de la matière, et le terme "matière" est généralement utilisé en conjonction avec un modificateur de spécification.

L'histoire du concept de matière est une histoire des échelles de longueur fondamentales utilisées pour définir la matière. Différents blocs de construction s'appliquent selon que l'on définit la matière au niveau atomique ou particulaire élémentaire. On peut utiliser une définition que la matière est des atomes, ou que la matière est des hadrons , ou que la matière est des leptons et des quarks selon l'échelle à laquelle on souhaite définir la matière.

Ces quarks et leptons interagissent par l'intermédiaire de quatre forces fondamentales : la gravité , l' électromagnétisme , les interactions faibles et les interactions fortes . Le modèle standard de la physique des particules est actuellement la meilleure explication de toute la physique, mais malgré des décennies d'efforts, la gravité ne peut pas encore être prise en compte au niveau quantique ; elle n'est décrite que par la physique classique (voir gravité quantique et graviton ).

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

• Lillian Hoddeson; Michael Riordan, éd. (1997). L'essor du modèle standard . La presse de l'Universite de Cambridge. ISBN 978-0-521-57816-5.
• Timothée Paul Smith (2004). "La recherche des quarks dans la matière ordinaire" . Mondes cachés . Presse de l'Université de Princeton. ISBN 978-0-691-05773-6.
• Harald Fritzsch (2005). Particules élémentaires : éléments constitutifs de la matière . Scientifique du monde. p. 1 . Bibcode : 2005epbb.book ..... F . ISBN 978-981-256-141-1.
• Bertrand Russell (1992). "La philosophie de la matière" . Une exposition critique de la philosophie de Leibniz (Réimpression de 1937 2e éd.). Routledge. p. 88. ISBN 978-0-415-08296-9.
• Stephen Toulmin et June Goodfield, The Architecture of Matter (Chicago : University of Chicago Press, 1962).
• Richard J. Connell, Matter and Becoming (Chicago : The Priory Press, 1966).
• Ernan McMullin , The Concept of Matter in Greek and Medieval Philosophy (Notre Dame, Indiana : Univ. of Notre Dame Press, 1965).
• Ernan McMullin , The Concept of Matter in Modern Philosophy (Notre Dame, Indiana : University of Notre Dame Press, 1978).

Liens externes

• Module Visionlearning sur la matière
• La matière dans l'univers Combien y a-t-il de matière dans l'univers ?
• La NASA sur le cœur superfluide d'une étoile à neutrons
• Matière et énergie : une fausse dichotomie – Conversations sur la science avec le physicien théoricien Matt Strassler