Article 1A. Comprendre le Monde afin de me situer dans mon Environnement.
Le premier article de cette première partie traitera de la structure de la matière, ses propriétés, sa cohésion et de ses manifestations.
La même matière de base constitue tout ce qui existe. L'être humain, les animaux, les végétaux, les minéraux, les planètes, les étoiles sont tous constitués, à la base, par les mêmes infimes particules élémentaires qui forment les atomes.
L’atome ; le système de base de toute la matière.
Considérons, dans un premier temps, les particules élémentaires qui sont assemblées pour former les atomes qui constituent tout ce que nous connaissons, de la bactérie à l’Univers dans son ensemble.
Commençons par décrire l’atome le plus simple ; l'atome d'hydrogène, celui-ci est composé par un noyau (le nucléon) le « proton » et un « électron » qui tourne autour de ce proton. En fait, l'électron ne tourne pas exactement comme la Terre autour du Soleil. Comment peut-on, alors, penser ce mouvement ? Nous pouvons déjà affirmer que tout atome est formé d'un noyau autour duquel gravitent, relativement très loin, un certain nombre d'infimes granules d'électricité négative que l'on appelle électrons.
Le diamètre attribué au noyau est environ dix mille fois plus petit que celui de l'atome lui-même. Cependant comme la masse de l'électron est à peu près deux mille fois plus faible que celle du noyau de l'atome, on peut considérer que la matière de l'atome est presque entièrement concentrée dans son noyau. Aussi tout atome apparaît comme ayant une structure essentiellement vide, avec une région centrale extrêmement dense qui constitut le noyau et, autour de ce noyau une région pratiquement vide où circule, à la périphérie, un ou des électrons.
Réflexion sur la conception du vide à l’intérieur d’un système incroyablement minuscule.
Ce qui heurte mon imagination ; c’est l’échelle des distances à l’intérieur de l’atome, ainsi je peux comparer le noyau atomique à un grain de riz au milieu d’un terrain de football alors qu’un, ou des électrons tourneraient autour du stade. Le vide entre le noyau et les électrons périphériques est immense comparativement à la grandeur du nucléon. Mais qu’est-ce que le vide à cette échelle ? Puis-je imaginer le vide entre deux particules élémentaires ? Cette notion de « vide » dépasse ma capacité à interpréter un événement indépendant de ma pensée rationnelle.
Des questions se posent, tout d’abord, qu’est ce que le vide à mon échelle ? Je peux dire que, d’un corps à un autre, il existe un espace qui peut être plus ou moins grand. Si je suis au sommet d’une montagne et que j’aperçois, par temps clair, la montagne voisine, je verrais nettement les sapins au bas des pentes ou la neige qui recouvre son sommet ; mais entre les deux, mon regard ne voit rien. Est-ce du vide ? Je pense vide, parce que je peux tomber dans ce vide ou craindre le vide. Je sais, bien sûr, qu’il y a de l’air et des particules de poussière en suspension, si petites soient-elles, dans ce que je nomme le vide.
Mais je sais aussi que cet air et ces minuscules grains de poussière, qu’il contient, sont formés de molécules, elles-mêmes formées d’atomes qui, eux-mêmes, sont composés de nucléons (neutrons et protons) autour desquels tournent relativement loin (par rapport à leur dimension) des électrons et entre cela toujours du vide.
Comment dont envisager cet état de vide ? A mon niveau la question est simple ; le vide est un espace dans lequel je ne vois rien. Mais au niveau de l’infiniment petit, au niveau des particules élémentaires mon raisonnement a bien de la peine à imaginer le vide, celui-ci serait conçu comment ? C’est à ce niveau que mon raisonnement logique atteint ses limites, j’entre ici dans un domaine où les lois de la physique n’ont plus cours, j’entre dans le monde étrange de la théorie des quanta où tous les phénomènes se déroulent hors de mon esprit logique, dans le champ quantique, qui fera l’objet d’une autre réflexion.
L’assemblage des atomes fait la diversité de la matière.
L'atome d'hydrogène étant le plus simple puisqu'il est formé d'un proton au centre et d'un électron à la périphérie ; il existe une centaine d'autres atomes répertoriés dans un tableau (tableau de Mendeleïev), ils diffèrent par leur nombre de nucléons (protons et neutrons) et leur nombre d'électrons.
Le noyau de l'atome peut être formé par des protons de charges positives et des neutrons qui n'ont pas de charge.
Protons et neutrons sont des « nucléons »puisqu'ils forment le noyau de l'atome. Il faut noter qu'il y a autant d'électrons que de protons afin de neutraliser les charges électriques des atomes ; proton (positif) et électron (négatif) s'annulent. L'atome normal n’a pas de charge électrique, il est neutre.
Le tableau de Mendeleïev contient quatre vingt dix-huit éléments simples susceptibles de se différencier grâce aux électrons qui se répartissent dans sept couches périphériques possibles constituant ainsi autant d’atomes correspondant à un élément chimique. Chacun porte un numéro qui indique le nombre de protons dans son noyau ainsi que le nombre d'électrons dans son cortège orbital. Le numéro un est l'hydrogène, le numéro deux est l'hélium... le six est le carbone... le vingt-six est le fer... le quatre-vingt deux est le plomb, etc.
Les particules qui composent le noyau des atomes représentent 99% de la masse qui nous environne.
Réflexion ; quand l’extrêmement léger peut constituer l’extrêmement lourd, une question de nombre.
Les atomes sont extrêmement légers. On se rend mieux compte de cette légèreté en considérant, par exemple, qu’une bille en acier, d’un centimètre de diamètre, dont la masse est d’environ 8 grammes, contient 84 milliards de milliards d'atomes. Avec un tel nombre de grains de sable, on pourrait recouvrir toutes les plages d'Europe d'une couche de sable de plusieurs dizaines de mètres d’épaisseur.
De même, la dimension totale de l’atome, est de l’ordre de cent millionième de centimètre. Si l’on pouvait juxtaposer des atomes de fer le long d’une ligne de un millimètre seulement, on devrait disposer quatre millions d’atomes alignés.
Encore plus petit, encore plus puissant.
Le proton positif et le neutron négatif (les nucléons) forment donc le noyau de l’atome, connaissant l’extrême petitesse des atomes, puis des nucléons, peut-on imaginer qu’il existe encore plus petit? Oui! un nucléon et aussi composé de trois particules encore plus minuscules, appelées « quarks ». La force qui lie intimement ces quarks est aussi une particule que l’on appelle « gluon ». C’est l’une des quatre forces qui assurent la cohésion de la matière.
Le gluon est une force de très courte portée, c'est-à-dire que cette force gigantesque n’agit qu’à une très faible distance, elle peut se définir par la division suivante : 1 centimètre divisé en 10 000 000 000 parties, soit en 10 milliards de parties.
Les atomes s’associent pour former des molécules, ce sont elles qui donnent une identité à la matière.
L’exemple le plus simple est la molécule d’eau qui est composée par 2 atomes d’hydrogène et 1 atome d’oxygène (H2O).
Tous les corps de la matière sont constitués de molécules très petites, sauf celles qui composent le vivant qui sont des molécules géantes appelées macromolécules.
Pour donner une idée de la dimension d’une molécule, considérons la molécule de sucre. Prenons un grain de sucre et écrasons-le, nous aurons d’abord des morceaux de plus en plus petits et si nous continuons à écraser les petits morceaux nous aurons du sucre en poudre, mais cette poudre vue avec un petit microscope optique présentera toujours un aspect granuleux. En fait, les petits grains formant la poudre de sucre, mêmes invisibles à l’œil nu, ne sont toujours pas des molécules de sucre.
Pour obtenir cette molécule, il faudra mettre le sucre dans un verre d’eau, quand le sucre sera totalement fondu, il sera devenu invisible, mais il n’aura pas disparu pour autant, il sera réduit en molécules. Cette opération simple nous permet de saisir plus concrètement l’extrême petitesse des éléments qui forment tout ce que nous connaissons ; c’est le nombre immense de molécules qui fait que de l’infiniment petit va naître l’infiniment grand.
Réflexion ; trois bases s’unissent pour créer toute la matière que nous connaissons.
Avec trois infimes particules, le quark « u », le quark « d » et l’électron, la nature compose tout, de la bactérie à l’Univers, en passant par nous-mêmes. Ces trois particules élémentaires sont les « lettres » de la nature, de même que les lettres de l’alphabet qui s’assemblent pour former des mots, des phrases, des paragraphes, des chapitres et aussi des encyclopédies qui contiennent l’expérience humaine dans sa diversité. Ainsi, deux quarks « u » et un quark « d » forment un proton et deux quarks « d » et un quark « u » forment un neutron. Protons et neutrons forment le noyau de l’atome (le nucléon) autour duquel tourne un ou des électrons qui définissent ainsi le type d’atome (l’hydrogène pour le plus léger, ou l’uranium pour un des plus lourds). Ces atomes se groupent pour former des molécules qui sont les plus petites parties qui forment un corps. Pour prendre un exemple simple : deux atomes d’hydrogène, plus un atome d’oxygène forment une molécule d’eau qui sous l’effet de la cohésion avec d’autres molécules d’eau constituent tous les océans, fleuves, rivières et cours d’eau de la planètes ainsi que la plus grande partie de la matière qui constitue tous les êtres vivants.
Les quatre forces fondamentales de la nature ; indispensables à la cohésion du tout.
Les milliers d’interactions observées au quotidien se réduisent simplement aux combinaisons des quatre forces fondamentales de la nature décrites ci- dessous :
1. La force interactive gravitationnelle qui nous maintient sur le sol et fait que la Terre tourne autour du Soleil. C’est elle qui fait tomber les pommes et qui fait tourner la Lune autour de la Terre. La particule d’interaction associée à cette force est le « Graviton », (toutefois non découvert pour l’instant). La force gravitationnelle est de très longue portée. Elle est responsable de la création primordiale du Soleil, de toutes les planètes ainsi que des étoiles et des galaxies, en fait, de l’attraction de tous les corps de l’Univers, dont de sa structure.
2. La force interactive électromagnétique assure la cohésion de notre corps et lie les molécules entre elles. C’est elle qui attire l’électron vers le noyau atomique. La particule d’interaction associée à cette force est le « Photon ».
3. La force interactive nucléaire forte, elle unit les quarks ensemble dans les noyaux. Grâce à cette force les quarks restent fortement soudés à l’intérieur des nucléons qui eux-mêmes restent confinés à l’intérieur du noyau atomique. La particule d’interaction associée à cette force est le « Gluon ».
4. La force interactive faible. Cette force est dite faible car elle ne se manifeste que sur des particules les plus légères. On peut imager cette force, par l’exemple suivant : deux bateliers installés chacun sur une barque, les deux barques étant espacées d’environ deux mètres, un batelier lance un ballon à l’autre qui lui renvoie, à chaque lancée la barque du lanceur reculera sur une certaine distance, plus le ballon sera lourd plus le recul sera important, si le ballon est remplacé par un boulet, le batelier ne pourra plus le lancer, c’est sa barque qui reculera. Les particules d’échanges de cette force sont comparables au ballon, elles peuvent agir parce qu’elles sont extrêmement légères, les particules d’interaction associées à cette force sont l’électron et le neutrino.
La lumière ; ondes et particules.
La lumière, quand elle nous vient du Soleil ou des étoiles, arrive à notre œil après avoir traversé d’immenses espaces, d’où la matière est presque absente : la lumière traverse donc le « vide » sans difficulté à la vitesse de 300 000 kilomètres par seconde, soit à 1 milliard 80 millions de kilomètres par heure, elle fait huit fois le tour de la Terre en une seconde. La lumière est composée par des corpuscules, nommées « photons » portés par des ondes dites corpusculaires.
Réflexion ; matière et lumière.
Le photon est considéré comme une particule élémentaire au même titre que le proton, le neutron ou l’électron.
Quand on sait qu’une ampoule électrique de cent watts émet environ cent milliards de milliards de photons par seconde, j’ai du mal à imaginer le nombre de photons émis par le Soleil en une seconde, en une heure ou en une journée.
Comme nous venons de le voir, la vitesse de la lumière est extrêmement rapide, elle est intimement liée à la matière, sans les photons, la matière, nous-mêmes et tout ce qui nous entoure seraient invisibles.
L’antagonisme énigmatique de l’antimatière.
Toute particule a son antiparticule : l’électron qui est négatif a son antiélectron positif ou positon, le proton a son antiproton, le neutron a son antineutron, le quark son antiquark, etc. Ces antiparticules forment l’antimatière. Le tout début de l’Univers, il y a environ 14 milliards d’années, était créé par des particules de matière et des particules d’antimatière. Les particules de matière étant légèrement supérieures en nombre, elles se sont annihilées et le petit surplus a formé ainsi la matière que nous connaissons.
Au C.E.R.N. de Genève (accélérateur de particules européen installé dans un tunnel de vingt kilomètres de circonférence où sont projetées, à très vive allure, des particules élémentaires, les unes contre les autres, afin de créer d’autres particules) chaque fois que les accélérateurs de particules fabriquent un proton, ils fabriquent en même temps un antiproton et vice-versa.
Réflexion sur l’antimatière.
Dans la nature, on observe une parfaite symétrie entre matière et antimatière ; heureusement d’ailleurs. Imaginons une partie de pétanque (jeu de boules provençal), un peu étrange toutefois, vous avez un joueur BN porteur d’une boule normale et un autre joueur BA possédant une boule en antimatière. Si le joueur BN tire et touche la boule du joueur BA, le choc provoquerait alors une énergie capable de détruire toute vie à la surface de la Terre. Il n’existe actuellement aucune expérience qui permette de croire que l’antimatière existe dans le monde sous forme d’atomes et bien sûr de planètes.
L’antimatière n’est observée que sous forme de particules isolées, qui sont produites soit par le rayonnement cosmique, soit par les grands accélérateurs de particules mais qui disparaissent en une fraction de seconde à cause d’un surplus de matière.
La mécanique quantique.
La mécanique quantique, décrit l’infiniment petit, elle rend compte du comportement des atomes et de la lumière (photons) quand la gravité ne joue plus un rôle dominant. Elle ne répond pas aux lois de la physique que nous connaissons.
Réflexion ; un monde étrange et mystérieux qui dépasse toute logique.
Dans ce Monde quantique de l’infiniment petit, tout ce que je perçois avec mes sens, n’est valide. C’est un Monde, d’incertitude, de probabilité, l’électron qui tourne autour du proton (hydrogène) peut se trouver à un instant donné soit à droite, soit à gauche, soit à droite et à gauche au même instant. Imaginons une promenade dans ce Monde, dans une « forêt quantique » par exemple, les feuilles des arbres tremblotent, même s’il n’y a pas de vent, mais elles tremblotent que si je les regarde, je les vois parce qu’elles sont éclairées par les rayons du soleil, c'est-à-dire par des photons qui ont, dans ce Monde, un impact beaucoup plus grand que dans celui où nous vivons, ce sont eux qui font vibrer les « feuilles quantiques ».
Toutes les expérimentations scientifiques classiques sont faussées dans ce monde de l’infiniment petit ; sitôt que j’éclaire un objet, je le déplace ou je transforme sa véritable nature qui est la sienne quand il n’est pas observé.
Pourtant ce monde étrange est aussi le mien, puisque je suis fait d’atomes et que ma vie prend sa source dans l’infiniment petit.
La théorie de la Relativité ; tout dépend de tout, le temps n’est pas le même pour tous.
La théorie de la relativité a complètement bouleversée les idées qu’on se faisait de la physique avant Einstein (le père de la relativité).
Cette théorie considère trois critères : l’espace, le temps, et l’observateur. Elle se résume en deux structures à la fois très simples et essentielles.
La première est qu’à la vitesse de la lumière (300 000 kilomètres par seconde) le temps est ralenti, les longueurs se contractent plus un objet est rapide plus il se contracte.
La seconde est de nature plus abstraite. Elle ne concerne pas une théorie physique en particulier, mais s’applique à toutes les lois de la nature. Il s’agit du principe de la relativité qui repose sur un fait tout simple « si l’on mentionne la rapidité ou la vitesse d’un objet en mouvement, alors il faut toujours définir avec précision qui, ou quoi, fait les mesures » quel est la place de l’observateur dans le système.
Réflexion sur la relativité.
Vous avez peut-être vécu cette expérience. Installé confortablement dans un train à l’arrêt dans une gare, l’heure est matinale, à moitié somnolent, vous regardez par la fenêtre, votre champ de vision se limite à la vue d’un autre train arrêté sur la voie parallèle, vous ne voyez aucun autre élément extérieur, si ce train démarre lentement vous êtes surpris, est-ce votre train qui s’en va ? Ou bien l’autre ? Ou bien peut être les deux ? Si sa progression se faisait sans secousse, alors le mouvement relatif d’un train par rapport à l’autre serait absolument indétectable, si ce n’est que le sens serait toujours inversé par rapport à l’autre train.
Supposons, encore, que vous soyez dans un train sans fenêtre et que les rails soient bien plats afin d’éviter les cahots pendant la marche, si la vitesse reste constante, vous n’aurez aucun moyen de savoir que vous vous déplacer. Il n’y a absolument rien dans le compartiment qui vous permette de savoir si vous êtes immobile ou si, au contraire, vous êtes lancé à vive allure.
Einstein compris que ce principe de la relativité avait, en fait, une portée générale pour des lois de la physique.
Sans cadre de référence appelé « le référent », aucun mouvement n’est imaginable. Nous ne pouvons définir un corps en mouvement que comparativement à un autre corps. Tout objet qui se déplace, le fait par rapport à un autre objet. La Terre tourne autour du Soleil, le référent, dans ce cas, est le Soleil. Sans ce référent, il est impossible de comprendre le fait de mouvement. Si nous considérons un objet ou si nous sommes fixés sur lui, nous aurons l’impression que celui-ci est fixe et que l’autre ou les autres objets se déplacent. On croyait, avant Copernic, que la Terre, était immobile au centre du monde « le référent, en sommes» et que toutes les planètes tournaient autour d’elle, ainsi que « le ciel ». Nous étions loin de la réalité. Non seulement la Terre tourne autour du Soleil, mais le Soleil tourne avec notre Galaxie qui se déplace dans son Groupe local de galaxies, ce Groupe se déplace par rapport aux autres groupes, en fait le mouvement n’existe que par le déplacement d’un ou de plusieurs objets les uns par rapport aux autres.
Réflexion à l’échelle du vivant.
La Relativité, qui décrit pourtant les phénomènes à notre échelle, interpelle notre pensée routinière. Peut-on imaginer que si nous avions la possibilité de voyager dans le cosmos avec une fusée dont la vitesse serait proche de celle de la lumière, le temps, pour nous, ne passerait pas de la même façon que pour une autre personne restée sur Terre. La Relativité affirme que si nous partions, par exemple, à l’âge de trente ans, pour un voyage dans le cosmos à une telle vitesse et que ce voyage dure cent ans, à notre retour sur Terre, nous n’aurions vieilli que d’environ dix ans. Alors qu’elle serait notre surprise ! Nous ne reconnaîtrions plus tout ce que nous avions connu et les nouvelles techniques dépasseraient tous les progrès scientifiques que nous aurions pu imaginer avant notre départ. Que penserait une personne âgée de 30 ans en 1 905 (années de la découverte de la Relativité par Einstein) qui serait parti dans un tel voyage ? A son retour en 2 005, elle aurait 40 ans, elle serait bien étonnée de voir, sur un téléviseur, des images en couleurs provenant d’un lieu distant de milliers de kilomètres au même moment où les événements se produisent. Quelle impression lui donnerait le fait de rencontrer les petits enfants de son frère jumeau qui seraient devenus des vieillards ?
Puisque le temps n’est pas le même pour tous ; la vieillesse de mon père est ma jeunesse à moi et l’enfance de mon fils, la question se pose alors ; qu’est-ce que le temps ? Serait-il créé par mon imagination ? Ou serait-il le fait du fonctionnement de mon cerveau qui enregistre les phénomènes que je perçois avec un certain retard dû à la circulation de mon influx nerveux le long de mes fibres nerveuses axonales et mes connections synaptiques ?
Quand je vois un objet, un verre d’eau par exemple, mon système visuel transmet l’image à une certaine zone, vers l’arrière de mon cerveau, qui reconnaît le verre d’eau, cette zone répond à la question « quoi », cette image est transmise à une autre zone vers l’avant du cerveau qui situe le verre sur la table, elle répond à la question « où ». Je me trouve ici dans une situation d’actions séquencées qui me donnent une impression de temps, qui à l’échelle de mes fonctions cérébrales inconscientes se déroulent dans le Monde quantique intérieur qui ne répond plus aux lois qui régissent le Monde classique à mon échelle.
Maintenant que nous avons vu sommairement comment se structure la matière nous comprendrons mieux, comment elle a pu se créer, c’est le sujet du prochain article.