Phénoménologie de la matière

Matérialisme = Tout ce qui existe est « matériel ». Qu'entend-on par matière ?

Le matérialisme est un système philosophique qui soutient non seulement que toute chose est composée de matière mais que, fondamentalement, tout phénomène résulte d'interactions matérielles et de mouvement. Le physicalisme est une branche du matérialisme qui postule que tout ce qui existe, notamment les êtres vivants, est une manifestation physique. Il se veut en accord avec les découvertes en sciences physiques, afin d'inclure des notions plus sophistiquées que celle de « matière », telles que : l'espace-temps, l'énergie, les champs de forces, etc. En philosophie analytique (chez Rudolph Carnap par exemple), le terme « physicalisme » est souvent préféré à celui de « matérialisme », tandis que certains auteurs les utilisent comme synonymes.

Le matérialisme considère que la matière construit toute réalité et s'oppose au spiritualisme pour lequel l'esprit domine la matière ou viendrait de l'extérieur. Il considère que la conscience, la pensée et les émotions sont les conséquences de mécanismes matériels qui procèdent de la matière vivante. Pour le matérialisme, la mort du corps matériel entraine la disparition de la conscience et de la sensation d'exister. Il considère également que le monde résulte de mécanismes matériels, sans but et sans signification et que l'esprit en est un effet dérivé.

L'information, la communication, la connaissance n'échappent pas à la règle : sans support matériel, sans support de communication, sans support de mémoire, écrit ou oral, il n'y aurait rien. En somme, la matérialité est non seulement un vecteur de communication, mais elle module aussi le sens et l'impact du message, par sa nature matérielle même.

En philosophie, la matière est donc souvent comprise de manière plus abstraite qu'une simple substance tangible ou matérielle. En dehors de la notion classique de substance, la matière est perçue comme ce qui permet l’existence d’une réalité physique ou phénoménale, indépendamment de son état spécifique (solide, liquide, gaz). Il ne s'agit pas d'un "support" passif mais d'un ensemble dynamique d'interactions, de formes, et de processus énergétiques.

Par exemple, dans le matérialisme contemporain, la matière n’est pas réduite à un objet physique statique, mais elle est conçue comme un flux d'énergie et d'informations en interaction avec son environnement. Cette vision intègre des notions issues de la physique moderne, telles que les ondes, les corpuscules, et les échanges d’énergie.

Cela signifie que la matière vivante, par exemple, n'est pas fondamentalement différente de la matière inanimée, mais qu'elle s'en distingue par une organisation biochimique complexe et des interactions continues avec son environnement, au-delà de la simple substance matérielle.

Mais qu'entend-ton par matière, car même en physique cette notion n’est pas encore très claire… C’est ce que nous examinons ci-après.

Qu’est-ce que la matière ?

La propriété de dualité de la particule élémentaire (se comportant à la fois comme un corpuscule et comme une onde) a été l’une des interrogations les plus difficiles de la physique quantique. L’onde et le corpuscule sont deux descriptions très opposées de la réalité et pourtant la matière comme la lumière se sont révélés être à la fois corpusculaires et ondulatoires dans nombre d’expériences en physique au cours du XXème siècle. Cela entraîne ainsi une double nature de la matière : discontinue (corpuscule) et continue (ondulatoire). A cela s’ajoute encore la notion d’équivalence entre matière et énergie à travers la célèbre relation d’Einstein E = mc2 et des organisations différentes de la matière à des échelles macroscopique et cosmologique.

La physique quantique, et l’élaboration toujours en cours de la théorie quantique des champs, nous oblige à changer notre regard phénoménologique sur la matière. Les champs (de force, d’énergie, etc.) semblent en effet opérer tant au niveau microscopique qu’au niveau cosmologique en passant par le monde macroscopique (échelle de l’homme).

En mécanique quantique, la dualité onde-corpuscule se modélise par une fonction d'onde associée à la particule qui représente la densité de probabilité de toute variable mesurable caractérisant cette particule. La position d'une particule est un exemple d'une de ces variables : elle est décrite [1] en termes d'onde de probabilité. Ainsi l'on peut voir la particule comme un pic de densité d'une onde.

Il en résulte des propriétés nouvelles et parmi les plus intrigantes l’intrication quantique et la superposition d’états.

Intrication quantique, ou enchevêtrement quantique, est un phénomène dans lequel deux particules (ou groupes de particules) forment un système lié, et présentent des états quantiques dépendant l'un de l'autre quelle que soit la distance qui les sépare. Un tel état est dit « intriqué » ou « enchevêtré », parce qu'il existe des corrélations entre les propriétés physiques observées de ces particules distinctes. En effet, le théorème de Bell démontre que l'intrication donne lieu à des actions non locales. Ainsi, deux objets intriqués O1 et O2 ne sont pas indépendants même séparés par une grande distance, et il faut considérer {O1+O2} comme un système unique, par exemple une seule onde avec deux pics de densité. Cette intrication de particules a été vérifiée expérimentalement, notamment par Alain Aspect, prix Nobel de physique 2022,
Superposition d’états : l'état de superposition est une conséquence purement mathématique de la théorie quantique. L'interprétation physique pose problème, car cet état ne correspond à rien de connu en physique classique, et semble ne pas subsister à l'échelle macroscopique. Ce principe résulte du fait que l'état - quel qu'il soit - d'un système quantique (une particule, une paire de particules, un atome, etc.) est représenté par un vecteur dans un espace vectoriel de dimension infinie (nommé espace de Hilbert). Ce vecteur peut se projeter sur un sous-espace doté d’une base donnée et donc prendre des « états » différents selon la base de projection. Cette projection est la mesure que fait l’observateur sur le système.

Ces deux propriétés résultent bien de la définition de la fonction d’onde c’est-à-dire du modèle mathématique choisi pour représenter la particule (aspect matériel lié à la densité) et le flux de particules (aspect ondulatoire, non matériel). Young avait déjà montré le double aspect onde-corpuscule de la matière qui n’est donc pas qu’un effet de la représentation mathématique mais aussi le point de vue avec lequel on considère le phénomène.

Aujourd'hui, le modèle quantique est devenu incontournable pour représenter ce qui se passe à ces niveaux infinitésimaux. En effet l'étude des collisions entre particules a permis de mieux comprendre la physique du noyau atomique (réactions de fission, de fusion, radioactivité) et a révélé l'existence de deux interactions fondamentales (l'interaction forte et l'interaction faible) qui viennent s'ajouter aux interactions gravitationnelles et électromagnétiques déjà connues dans le monde macroscopique.

L'interaction forte : permet d'expliquer la cohésion des noyaux (formés de protons et de neutrons) malgré la répulsion électrostatique entre les protons. Cette interaction est de très courte portée. Les particules qui y sont sensibles (proton, neutron, etc.) sont appelées hadrons mais sont composés à leur tour de particules plus élémentaires : les quarks. Cette interaction se transmet entre les quarks par l'intermédiaire de gluons peuvent être considérés comme des champs de force, des ondes plutôt que des particules matérielles. Notons que d’autres combinaisons de quarks et d'antiquarks se répartissent en deux classes : (a) les baryons, formés de trois quarks, comme les neutrons ou les protons ou de trois antiquarks : l'antiproton et l'antineutron. Ils sont caractérisés par un nombre quantique appelé charge baryonique et (b) les mésons, formés d'un quark et d'un antiquark. Notons que les étoiles et galaxies se sont formées à partir d’une « soupe » de baryons aux premiers temps de l’univers.
L'interaction faible : permet d'expliquer les phénomènes de désintégration radioactive. Cette interaction est de très courte portée. Les six particules qui y sont sensibles sont appelées leptons (électron, muon, tau, neutrino électronique, neutrino muonique, neutrino tau). Cette interaction entre leptons est transmise par les bosons parmi lesquels il faut distinguer le boson de Higgs qui confère leur masse à certaines particules. Les bosons sont comme les gluons, des champs de force non matériels bien qu’ils se comportent comme des particules.
L'interaction électromagnétique : permet d'expliquer l'attraction ou la répulsion de deux particules chargées. Cette interaction est à longue portée, elle varie en 1/r2, où r est la distance qui sépare les particules. Cette interaction est transmise par le photon. Notons que le photon est de masse nulle (comme les gluons).
L'interaction gravitationnelle : permet d'expliquer l'attraction entre deux masses. Cette interaction est à longue portée, elle varie en 1/r2, où r est la distance qui sépare les particules. Cette interaction serait transmise par le graviton (particule de masse nulle, jamais détectée à ce jour sauf à travers les ondes gravitationnelles).

Catégories de particules

Les bosons de spin 1 sont les médiateurs des forces fondamentales : photons pour l'électromagnétisme, gluons pour l'interaction forte W+, W- et Zo pour l'interaction faible et Higgs de spin 0, qui fournit leur masse aux particules élémentaires. A l'autre bout, les fermions de spin 1/2, constituent la matière proprement dite : les leptons - comme les électrons, sensibles à l'électromagnétisme et à l'interaction faible mais pas à l'interaction forte, et les neutrinos sensibles uniquement à l'interaction faible. Enfin, les quarks sont formés par les hadrons : protons, neutrons, mésons, liés par les gluons.

Toutes ces « particules » élémentaires sont définies par des nombres (spin, masse, charge électrique, charme, couleur, etc.) et par leurs interactions plutôt que par les traditionnels paramètres de la physique macroscopique : position, mouvement, vitesse, etc. puisqu’ils ne sont pas localisables (ce sont des ondes) ni observables directement. Ainsi ce terme de particule prend-il un côté « abstrait » et ne recouvre pas uniquement le côté matériel des objets envisagés mais aussi d’autres descriptions. Par raison de symétrie, la description rend possible d’envisager qu’à chaque particule correspond une antiparticule par symétrie de charge électrique. Une particule est semblable à son antiparticule, avec des changements de signe. La charge électrique est opposée, c'est ce qui définit l'antiparticule. La masse est en revanche identique. L’annihilation matière antimatière donne un rayonnement gamma c’est à dire un rayonnement de très haute énergie. Mais cette énergie ne reste pas sous cette forme et redonne un couple matière/antimatière c’est-à-dire lepton/antilepton (muon/antimuon par exemple) ou quark/antiquark (méson kaon par exemple) et qui eux-mêmes ensuite donnent bien d’autres choses encore. Cette théorie n’est pourtant pas arbitraire : elle donne bel et bien des résultats observables et n’interdit pas d’aller plus loin. Poursuivons.

Les antiparticules appelées encore particules virtuelles, proviennent de « l’oscillation du vide ». Le vide n’est pas le néant. Il est polarisé et contient des charges électriques, car les ondes électromagnétiques peuvent le traverser. Il est quantique, chaotique et fractal. Il est la source du temps et de l’espace. La matière n’est qu’une partie des niveaux d’organisation du vide quantique qui est constitué de particules fugitives, éphémères qui, en interagissant entre elles, ont donné naissance à l’univers corps-lumière dans lequel nous vivons. C’est l’oscillation du vide qui produit l’émergence de la matière. En théorie des supercordes, les briques fondamentales de l'univers ne seraient pas des particules ponctuelles mais des sortes de cordelettes vibrantes (ouvertes ou en forme de boucles) possédant une tension, à la manière d'un élastique. Ce que nous percevons comme des particules de caractéristiques distinctes (masse, charge électrique, etc.) ne seraient que des cordes vibrant différemment sur des modes harmoniques ou des fréquences différentes. Les différents types de cordes, seraient ainsi à l'origine de toutes les particules élémentaires de notre univers. Elles ne sont plus de la matière proprement dite mais une oscillation très localisée de l’espace lui-même, oscillation qui peut se propager en le déformant et en le densifiant au point de lui donner une « impénétrabilité » digne d’un corps solide.

Vide quantique

On voit ainsi que la matière ne peut plus être pensée en termes de « grains » comme pourrait l’être un tas de sable, ni même en termes d’ « atomes » insécables comme on l’imaginait dans l’antiquité. Les particules d’interaction gluons, bosons, photons et gravitons, sans masse, n’ont de particules que le nom et sont plutôt des vecteurs de force porteurs d’énergie, c’est-à-dire des champs de force. C’est d’ailleurs par leur intermédiaire que la « matière » peut s’échanger en énergie selon la formule E = D(M)c2 laquelle se disperse ensuite sous forme d’ondes (rayonnement, onde de chaleur, onde de choc onde électromagnétique). En fait la matière ne disparait pas entièrement (d’où la notation D qui indique une partie de masse) sauf dans le cas d’un choc particule-antiparticule, ce qui permet à certains de dire que l’énergie n’est autre que le couple matière-antimatière.

Matière et Energie sont capables de se transformer l’une et l’autre et cependant sont contraires l’une de l’autre. Cela s’exprime dans le fait (a) que la matière est liée aux lois des fermions et l’énergie aux lois des bosons, deux systèmes aux lois opposées, dans le fait (b) que la matière est liée à la discontinuité des particules et l’énergie à leur continuité ondulatoire, et dans le fait (c) que l’énergie est liée au vide et la matière à l’apparent non-vide, en tout cas à deux visions de l’espace-temps complémentaires. Remarquons que l’interdépendance de la matière et de l’énergie se manifeste dans le fait que toute relation matière-matière passe par des échanges d’énergie, via des photons notamment. Sans énergie, il n’y a donc aucune relation matière-matière possible.

Ainsi on le voit, la matière est tout sauf simple dans sa composition. Elle est en perpétuel mouvement, oscillation et agitation que ce soit au niveau microscopique comme au niveau cosmologique (étoiles, galaxies, planètes, trous noirs, etc.). Elle s’échange avec l’énergie sous forme d’ondes et elle est baignée dans plusieurs champs de force qui déforment l’espace-temps le contractent ou le dilatent. Elle apparaît donc comme une structuration/organisation de cet espace-temps à diverses échelles, du microscopique au macroscopique en passant par des nanostructures (atomes, molécules) puis des microstructures (cristaux, solides, liquides, gaz, plasmas) pour semble-il revenir à des « soupes de particules » dans les étoiles ou les trous noirs, reliant ainsi les infiniment petits et grands. La matière n'est pas une substance primale, elle résulte du vide et et sa mise en mouvement structure l'espace-temps dans des champs ondulatoires croisés. La matière a de plus, une structure et des niveaux d'organisation :

Organisation en couches (multicouches) : utilisée dans les semi-conducteurs ou les revêtements pour contrôler les propriétés électriques ou mécaniques.
Réseaux ordonnés et désordonnés : la symétrie et l'ordre des arrangements atomiques déterminent la rigidité, la conductivité thermique et la transparence optique.
Nano-organisation : dans les nanomatériaux, l'arrangement des particules à une échelle nanométrique conduit à des propriétés uniques comme la superplasticité ou la supraconductivité.

Conséquences pour le matérialisme philosophique

Peut-on continuer à parler de matière inerte comme pour une table ou une pierre ? Car même dans une table ou une pierre les atomes sont en mouvement, les réactions d'usure opèrent en surface, etc. Ces corps parmi les plus usuels sont soumis comme tous les corps à des ondes autant qu'à des interactions matérielles classiques : la corrosion chimique, l'érosion mécanique, les champs de force électromagnétiques ou gravitationnels, etc. La matière est toujours en mouvement en tant que lieu de forces et de changements : les astres génèrent la matière et la lumière, se meuvent et créent à leur tour des champs gravitationnels et d'autres mouvements autour d'eux.

Ce que nous appelons matière est beaucoup plus qu'un assemblage de molécules ou de particules élémentaires car ces dernières se comportent aussi comme des ondes ou émettent des rayonnements. Les ondes pour leur part peuvent être considérées comme porteuses d'information, ce que nos sens savent très bien exploiter (1). Les ondes sont aussi porteuses d'énergie : les photons donnent la lumière et éclairent la scène où nous vivons, les électrons l'énergie électrique avec laquelle nous nous chauffons ou les ondes électromagnétiques par lesquelles nous communiquons. Les ondes sont partout dans l'univers et procèdent directement de la matière, sont la matière même.

Le matérialisme philosophique pour sa part, doit donc élargir la notion ordinaire de matière au sens de substance, comme seul support matériel de la vie et considérer qu'à travers la triple nature corpuscule, onde et énergie, la matière vivante est vivante par elle-même, plongée dans un monde ondulatoire et échangeant de l'énergie et des signaux/informations avec son environnement. Ainsi, le corps matériel est une structure vivante imbriquée dans un réseau ondulatoire, où chaque élément participe aux interactions énergétiques qui soutiennent la vie.

Pour leur part, les neurosciences doivent dépasser la question de l'incarnation matérielle de l'esprit qu'elles réduisent bien souvent à un cerveau équipé de neurones considéré comme un système mécanique de traitement de l'information (neuro-phénoménologie) : elles doivent considérer tous les autres aspects de la matérialité que sont les ondes (électriques, nerveuses, etc.) qui parcourent le corps et le cerveau ainsi que tous les échanges d'énergie. Le corps n'est pas séparé du cerveau et participe lui aussi aux fonctions cognitives et conatives de l'individu (on sait par exemple que le rythme cardiaque participe aux émotions). L'esprit n'est pas une machine dans la matière mais une forme de matérialité "ondulatoire" de la "machine".

Ainsi la matière a bien des aspects immatériels, qu'il faut certainement exploiter de manière plus générale en philosophie, notamment en philosophie de l'esprit et en phénoménologie. Il faut également repenser une ontologie de l'infiniment petit et corrélativement une ontologie de l'infiniment grand.

Méditations

La matière est-elle sans matière ? Une simple condensation à l'extrême, de l'espace ? Des cordes vibrantes (théorie des cordes)

Le regard vers le lointain et aussi profond qu'il soit est toujours porté par des photons

La parole est une onde acoustique qui se propage dans l’air

Tous nos sens reçoivent des ondes (2) non de la matière

Au-delà de la matière il y a encore de la matière-énergie même de l’antimatière-matière

En-deçà il n’y avait pas de matière à l’origine du monde mais du vide vibrant qui allait donner un espace-temps palpable

Qu’est-ce alors l’immatériel ? De la matière sans matière ? Cela ne se peut guère… ou alors de la matière-ondulatoire, une onde énergétique ?

Et l’antimatière ? De la matière inversée ?

Il n’y a que le néant qui soit de la non-matière car même le vide est plein de matière-antimatière. Or le néant n’est pas envisageable en physique.

Tout n’est donc question que d’échelles : du micro au giga et la matière n'est que des soubresauts de l'espace-temps dans ces échelles.

Le cosmologique agit sur le macroscopique autant que le microscopique.

Le macroscopique semble être le lieu de convergence et d'équilibre de toute la physique : en deçà c'est le monde désordonné et chaotique des particules, au-delà c'est le monde des énergies et des forces colossales.

La vie ne peut apparaître que dans des zones de turbulence moyenne,

dans des conditions de calme physique relatif,

avec des briques moléculaires stables et des champs d'ondes pas trop intenses.

La matière vivante et la matière inanimée sont toujours en mouvement.

Le yin et le yang de la matière, deux états intriqués.

Matière et onde,
Dans le flux d'énergie pure,
L'univers frémit.

Quand l'onde danse,

la matière s'évapore,
et l'énergie s'élève,

dans un univers en vie.

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(1) Une théorie (basée sur des phénomènes quantiques) suggère que les récepteurs olfactifs détectent la vibration des molécules qui les atteignent et que « l'odeur » est due à différentes fréquences vibratoires ; cette théorie est appelée à juste titre « théorie vibratoire de l'olfaction ». Pour la vision l'œil reçoit des ondes lumineuses et l'oreille des ondes de pression.

(2) Les enzymes peuvent utiliser l'effet tunnel quantique pour transférer des électrons sur de longues distances. Il est possible que la conformation quaternaire des protéines ait évolué pour permettre un enchevêtrement et une cohérence quantiques soutenus. Plus précisément, les enzymes peuvent augmenter le pourcentage de la réaction qui se produit par "tunnelisation" de l'hydrogène. De même dans les synapses des neurones du cerveau des phénomènes ondulatoires ont pu être observés. Des ondes cérébrales en soutien à la connectivité cérébrale ont été détectées lors de l'exécution de tâches : le cerveau utilise ces oscillations neuronales pour propager l'information dans différentes zones et, en organisant les processus neuronaux à travers l'espace et le temps, les ondes progressives jouent un rôle important dans le soutien de la connectivité cérébrale. Source: Neuron June 2018 10.1016/j.neuron.2018.05.019 Theta and Alpha Oscillations Are Traveling Waves in the Human Neocortex (Visuel Joshua Jacobs / Columbia Engineering).

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Une citation parmi d’autres

Basarab Nicolescu, Nous, la particule et le Monde, Editions Le Mail, 1985 : “Le Vide quantique - un vide “plein” : (...) Quand nous pénétrons dans une région de plus en plus petite de l’espace nous découvrons une activité de plus en plus grande, signe d’un perpétuel mouvement. La clef de la compréhension de cette situation paradoxale est fournie à nouveau par le principe d’incertitude de Heisenberg. Une toute petite région de l’espace correspond, par définition, à un temps très court et donc, conformément au principe de Heisenberg, à un spectre très large d’énergies. Par conséquent, pour des intervalles de temps très courts, la loi de conservation d’énergie peut être violée : tout se passe comme si les quantas de matière sont créés à partir de rien. Plus précisément, les “fluctuations quantiques” du vide déterminent l’apparition soudaine de paires particules-antiparticules “virtuelles” qui s’annihilent ensuite réciproquement, ce processus ayant lieu dans des intervalles de temps très courts.”

La formation de l’univers en temps accéléré

· Formation d’une galaxie,

Début simulation à z = 15,54 = t ~ 256 millions d’années
Fin simulation à z = 0 = t ~ 13,8 milliards d’années (aujourd’hui)

· Formation d’une partie de l’univers,

Début simulation à z = 49 =t ~ 50 millions d’années
Fin simulation à z = 0 = t ~ 13,8 milliards d’années (aujourd’hui)

Danse de la matière

Dans l'infini silence où naissent les mystères,

Le vide quantique danse, libre, éphémère.

Fugitives, des particules entre elles se croisent,

Tissant un univers où la lumière s'expanse.

Éphémères éclats, à peine perceptibles,

Fondations invisibles, pourtant indélébiles,

Leur jeu subtil crée matière et résonance,

Et dans ce vide naît la première danse.

Le corps-lumière, de cette toile tissée,

Brille au cœur du vide, délicatement guidé,

Par ces particules qui s'effacent et renaissent,

Formant l'univers, où tout est promesse.

Ainsi la matière, simple vague passagère,

N’est qu’un reflet du vide, son éclat éphémère.

Un ballet de forces en perpétuel mouvement,

Là où la vie naît du néant rayonnant.

[1] En 1924, Louis de Broglie affirma que toute matière (et pas seulement la lumière) a une nature ondulatoire. Il associa la quantité de mouvement p d'une particule à une longueur d'onde λ, appelée longueur d'onde de de Broglie : l = h/p {\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}}}où h est la constante de Planck (6,626×10^-34J.s). La fonction d'onde est un des concepts fondamentaux de la mécanique quantique. Elle correspond à la représentation de l'état quantique d'un système dans une base de dimension infinie, en général celle des positions. Dans ce dernier cas, elle est notée : ! $\Psi ({\mathbf {r}},t)$ >, Elle correspond à une amplitude de probabilité, en général à valeur complexe. La probabilité de trouver une particule au voisinage de la position r à l'instant t est alors proportionnelle au carré du module de la fonction d'onde, densité de probabilité (volumique) de présence, et à la mesure du volume du voisinage de r. Cette interprétation probabiliste de la notion de fonction d'onde a été développée dans les années suivantes par Max Born, Werner Heisenberg et d'autres, et constitue l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, laquelle interprète ce caractère probabiliste dans l'interaction entre le système de mesure et le système quantique.