Question

En physique classique et en chimie générale , la matière est toute substance qui a une masse et occupe de l’espace en ayant du volume . ^[1] Tous les objets du quotidien qui peuvent être touchés sont finalement 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 composé, et 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 massecomme les photons , ou d’ autres phénomènes énergétiques ou des ondes comme la lumière ou la chaleur . ^{[1] : 21 [2]} La matière existe dans divers états (également connus sous le nom de phases ). Celles-ci incluent les phases classiques de tous les jours telles que le solide , le liquide et le gaz – 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. . ^[3]

La lueur violette de l’ hydrogène dans son état de plasma , la plus abondante de l’univers

Habituellement, les Atomes peuvent être imaginés comme un noyau de Protons et de Neutrons , et un “nuage” environnant d’ électrons en orbite qui “occupent de l’espace”. ^{[4] [5]} Cependant, cela 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 ainsi que des particules et elles n’ont pas de tailles ou de positions bien définies. Dans le modèle standard de la physique des particules , la matière n’est pas un concept fondamental car les constituants élémentaires des Atomes sontdes entités quantiques qui n’ont pas de “taille” ou de ” volume ” inhérents 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 composites et Atomes, sont effectivement obligées de se tenir à distance des autres particules dans les conditions quotidiennes ; cela crée la propriété de la matière qui nous apparaît comme matière occupant 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 parmi les bouddhistes , les hindous et les jaïns au 1er millénaire avant notre ère. ^[6] Les anciens philosophes qui ont proposé la Théorie particulaire de la matière incluent Kanada (c. 6e siècle avant JC ou après), ^[7] Leucippe (~ 490 avant JC) et Démocrite (~ 470–380 avant JC). ^[8]

Comparaison avec la masse

La matière ne doit pas être confondue avec la masse, car les deux ne sont pas les mêmes dans la physique moderne. ^[9] 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 différentes opinions 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’existe 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 son équivalent normal en matière.

Différents domaines scientifiques 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 sens scientifique unique et universellement reconnu du mot “matière”. Scientifiquement, le terme « masse » est bien défini, mais la « matière » peut être définie 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 se déplacer à la vitesse de la lumière), comme les Quarks et les Leptons. Cependant, tant en physique qu’en chimie , la matière présente à la fois des propriétés ondulatoires et particulaires , ce que l’on appelledualité onde-particule . ^{[10] [11] [12]}

Définition

Basé sur les Atomes

Une définition de la “matière” basée sur sa structure physique et chimique est la suivante : la matière est constituée d’ Atomes . ^[13] Une telle matière atomique est aussi parfois appelée matière ordinaire . Par 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 aux 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 .

Basé sur les Protons, les Neutrons et les électrons

Une définition de la “matière” plus fine que la définition des Atomes et des Molécules est la suivante : la matière est constituée de ce dont sont constitués les Atomes et les Molécules , c’est-à-dire tout ce qui est constitué de Protons chargés positivement , de Neutrons neutres et d’ électrons chargés négativement . ^[14] Cette définition va cependant au-delà des Atomes et des Molécules pour inclure des substances fabriquées à partir de ces blocs de construction qui ne sont pas simplement des Atomes ou des Molécules, par exemple des faisceaux d’électrons dans un vieux téléviseur à tube cathodique , ou une naine blanchematière – 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, ce qui conduit à la définition suivante.

Basé sur les Quarks et les Leptons

Selon la définition « Quarks et Leptons », les particules élémentaires et composites constituées des Quarks (en violet) et des 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 la matière ordinaire.

Comme on l’a vu dans la discussion ci-dessus, de nombreuses premières définitions de ce que l’on peut appeler la «matière ordinaire» étaient basées sur sa structure ou ses «éléments constitutifs». A l’échelle des particules élémentaires, une définition qui suit cette tradition peut être énoncée comme suit : “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 fermions élémentaires quelconques à l’exception des antiquarks et des antileptons” . ^{[15] [16] [17]} Le lien entre ces formulations suit.

Les Leptons (le plus célèbre étant l’ électron ) et les Quarks (dont sont faits les baryons , comme les Protons et les Neutrons ) se combinent pour former des Atomes , qui à leur tour forment des Molécules . Parce que les Atomes et les Molécules sont dits être de la matière, il est naturel de formuler la définition comme suit : “la matière ordinaire est tout ce qui est fait des mêmes choses dont sont faits les Atomes et les Molécules“. (Cependant, notez que l’on peut aussi faire de ces blocs de construction une matière qui n’est pasAtomes ou Molécules.) Ensuite, parce que les électrons sont des Leptons, et que 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.” ^[16] (Les particules des générations supérieures se désintègrent rapidement en particules de première génération, et ne sont donc pas couramment rencontrées. ^[18] )

Cette définition de la matière ordinaire est plus subtile qu’il n’y paraît. 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. ^[19] Les bosons W et Z qui médient 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. ^[20] En d’autres termes, la masse n’est pas quelque chose d’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 inclut 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 l’essentiel 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 constitutifs. 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. ^[21] En d’autres termes, l’essentiel de ce qui compose la “masse” de la matière ordinaire est dû à lal’énergie de liaison des Quarks dans les Protons et les Neutrons. ^[22] 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 ). ^{[23] [24]} 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 ; le second comprend les Quarks charme et étrange , le muon et le neutrino muonique ; la troisième génération est constituée des Quarks top et bottom et du tau et du neutrino du tau . ^[25] L’explication la plus naturelle à cela serait que les Quarks et les Leptons des générations supérieures sontétats excités des premières générations. Si cela s’avère être le cas, cela impliquerait que les Quarks et les Leptons sont des particules composites , plutôt que des particules élémentaires . ^[26]

Cette définition quark-lepton de la matière conduit également à ce que l’on peut décrire comme des lois de «conservation de la matière (nette)» – discutées 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 est incluse en tant que sous-classe de matière.

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

Une définition courante ou traditionnelle de la matière est “tout ce qui a une masse et un volume (occupe de l’espace )”. ^{[27] [28]} Par exemple, une voiture serait faite de matière, car elle a une masse et un volume (occupe de l’espace).

Le constat 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 , ^{[29] [30]} 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 de tous les jours, 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 “occupe de l’espace”. Cette définition particulière conduit à définir la matière pour inclure tout ce qui est fait de ces antimatièresparticules ainsi que le quark et le lepton ordinaires, et donc aussi tout ce qui est constitué 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 additionner les masses au repos des particules d’un système pour obtenir la Masse au repos totale du système. ^{[1] : 21} 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. ^{[31] [32]} Ce point de vue est communément admis dans les domaines qui traitent de la relativité générale tels quecosmologie . De ce point de vue, la lumière et d’autres particules et champs sans masse font tous partie de la “matière”.

Structure

En physique des particules, les fermions sont des particules qui obéissent aux statistiques 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 abordés ci-après.

Quarks

Les Quarks sont des particules massives de spin- 1 ⁄ 2 , ce qui implique qu’il s’agit de fermions . Ils portent une charge électrique de − 1 ⁄ 3 e (Quarks de type down) ou + 2 ⁄ 3 e (Quarks de type up). 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 de l’ interaction forte . Les Quarks subissent également une désintégration radioactive , ce qui signifie qu’ils sont soumis à l’ interaction faible .

Propriétés des Quarks^[33]

Nom	symbole	tournoyer	charge électrique ( e )	masse ( MeV / c² )	masse comparable à	antiparticule	symbole d’antiparticule
Quarks de type up
en haut	tu	1 ⁄ 2	+ 2 ⁄ 3	1,5 à 3,3	~ 5 électrons	anti-up	tu
charme	c	1 ⁄ 2	+ 2 ⁄ 3	1160 à 1340	~1 proton	anticharme	c
Haut	t	1 ⁄ 2	+ 2 ⁄ 3	169 100 à 173 300	~180 Protons ou ~1 atome de tungstène	antitop	t
Quarks de type down
vers le bas	ré	1 ⁄ 2	− 1 ⁄ 3	3,5 à 6,0	~10 électrons	anti-down	ré
étrange	s	1 ⁄ 2	− 1 ⁄ 3	70 à 130	~ 200 électrons	anti-étrange	s
bas	b	1 ⁄ 2	− 1 ⁄ 3	4130 à 4370	~ 5 Protons	anti-fond	b

Structure en Quarks d’un proton : 2 Quarks up et 1 quark down. baryonique

Les baryons sont des fermions en interaction forte et sont donc soumis aux statistiques de Fermi-Dirac. Parmi les baryons se trouvent les Protons et les Neutrons, présents dans les noyaux atomiques, mais il existe également de nombreux autres baryons instables. Le terme baryon fait généralement référence aux triquarks, des particules composées de trois Quarks. En outre, 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 les étoiles naines blanches et les étoiles à Neutrons . La lumière micro-onde vue par Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), suggère que seulement environ 4,6% de cette 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 atteindre), est faite de matière baryonique. Environ 26,8 % est de la matière noire et environ 68,3 % est de l’énergie noire. ^[34]

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. ^[35]

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 », composée de hadrons (baryons et mésons ), ou la matière quark (une généralisation des noyaux atomiques), c’est-à-dire la matière QCD « basse » température . ^[36] Il comprend la matière dégénérée et le résultat de collisions de noyaux lourds à haute énergie. ^[37]

Dégénérer

En physique, la matière dégénérée fait référence à l’état fondamental d’un gaz de fermions à une température proche du zéro absolu. ^[38] 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. ^[39] 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. ^[40]

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 up , down et étranges . Elle 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 de Quarks non étranges, qui est un liquide de Quarks qui ne contient que des Quarks up et down. À une densité suffisamment élevée, la matière étrange devrait être supraconductrice de couleur . On suppose que la matière étrange se produit dans le cœur des étoiles à Neutrons ou, plus spéculativement, sous forme de gouttelettes isolées dont la taille peut varier defemtomètres ( strangelets ) en kilomètres ( étoiles quark ).

Deux significations

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

Le sens plus large est simplement la matière des 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 quark (probablement une matière étrange).
Le sens plus étroit est la matière quark qui est plus stable que la matière nucléaire . L’idée que cela pourrait se produire est “l’hypothèse de la matière étrange” de Bodmer ^[41] et Witten. ^[42] 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 des Strangelets .

Leptons

Les Leptons sont des particules de spin- 1 ⁄ 2 , ce qui signifie qu’ils sont des 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.

Propriétés des Leptons

Nom	symbole	tournoyer	charge électrique ( e )	masse ( MeV / c² )	masse comparable à	antiparticule	symbole d’antiparticule
Leptons chargés ^[43]
électron	e⁻	1 ⁄ 2	−1	0,5110	1 électron	antiélectron	e⁺
muon	μ⁻	1 ⁄ 2	−1	105.7	~ 200 électrons	antimuon	μ⁺
tau	τ⁻	1 ⁄ 2	−1	1 777	~ 2 Protons	antitau	τ⁺
neutrinos ^[44]
neutrino électronique	v_e	1 ⁄ 2	0	< 0,000460	< 1 ⁄ 1000 électron	antineutrino électronique	v_e
neutrino muonique	v_μ	1 ⁄ 2	0	< 0,19	< 1 ⁄ 2 électron	muon antineutrino	v_μ
neutrino tau	v_τ	1 ⁄ 2	0	< 18,2	< 40 électrons	antineutrino tau	v_τ

Étapes

Diagramme de phase pour une substance typique à un volume fixe. L’axe vertical est la pression , l’axe horizontal est la température. La ligne verte marque le point de congélation (au-dessus de la ligne verte c’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 tripleles trois phases; liquide, gaz et solide ; peuvent 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. ^[45]

En vrac , la matière peut exister sous plusieurs formes différentes, ou états d’agrégation, appelés phases , ^[46] en fonction de la pression , de la température et du volume ambiants . ^[47] 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 (tels que les plasmas ,superfluides , supersolides , 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 . Lorsque 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 du matériau en vrac, et qui ne sont pas bien décrites par une 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 (les deux sont des gaz).

Antimatière

Problème non résolu en physique :

Asymétrie baryonique . Pourquoi y a-t-il beaucoup plus de matière que d’antimatière dans l’univers observable ?

(plus de problèmes non résolus en physique)

L’antimatière est la 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 ; c’est-à-dire qu’ils peuvent tous deux être convertis en d’autres particules d’ énergie égale conformément à l’équation d’ Albert Einstein 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 reposdes produits de l’annihilation et de la Masse au repos de la paire particule-antiparticule d’origine, qui est souvent assez grande. Selon la définition de la “matière” adoptée, l’antimatière peut être considérée comme une sous-classe particulière de la matière, ou l’opposé de la matière.

L’antimatière ne se trouve pas naturellement sur Terre, sauf très brièvement et en quantités infimes (résultant de la désintégration radioactive , de la foudre ou des rayons cosmiques ). En effet, l’antimatière qui viendrait à 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 anéantie. Les antiparticules et certaines antimatières stables (comme l’ antihydrogène ) peuvent être fabriquées en petites quantités, mais pas en quantité suffisante pour faire plus que tester quelques-unes de ses propriétés théoriques.

Il existe de nombreuses spéculations à la fois dans la science et la science-fiction sur la raison pour laquelle l’univers observable est apparemment presque entièrement constitué de matière (au sens de Quarks et de Leptons mais pas d’antiquarks ou d’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, ^[48] mais à cette époque l’ asymétrie apparente de la matière et de l’antimatière dans l’univers visible est l’un des grandsproblèmes non résolus en physique . Les processus possibles par lesquels il s’est produit sont explorés plus en détail sous la baryogenèse .

Formellement, les particules d’antimatière peuvent être définies par leur nombre de baryon négatif ou leur nombre de lepton , tandis que les particules de matière “normales” (sans antimatière) ont un nombre de baryon ou de lepton positif. ^[49] Ces deux classes de particules sont les partenaires antiparticules l’une de l’autre.

En octobre 2017, les 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. ^{[50] [51]} Cela implique qu’il doit y avoir quelque chose, encore inconnu des scientifiques, qui soit a arrêté la destruction mutuelle complète de la matière et de l’antimatière dans l’univers en formation primitive, soit a donné lieu à un déséquilibre entre les deux formes.

Conservation

Deux quantités qui peuvent définir une quantité de matière au sens quark-lepton (et d’antimatière au sens antiquark-antilepton), le nombre de baryon et le nombre de lepton , sont conservées dans le modèle standard. Un baryoncomme le proton ou le neutron a un nombre de baryons de un, et un quark, parce qu’il y en a trois dans un baryon, reçoit un nombre de baryons 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 de baryons de -1/3), qui est proportionnelle au nombre de baryons et au nombre de Leptons (moins les antileptons), qui s’appelle 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 non matérielles (comme les photons de lumière ou de rayonnement). Au lieu de cela, le nucléaire (et peut-êtrel’énergie de liaison chromodynamique) est libérée, car ces baryons se lient dans des noyaux de taille moyenne ayant moins d’énergie (et, de manière équivalente , moins de masse) par nucléon par rapport aux noyaux originaux petits (hydrogène) et grands (plutonium, etc.). Même dans l’annihilation électron-positon , il n’y a pas de matière nette détruite, car il n’y avait aucune matière nette (zéro nombre total de Leptons et nombre de baryons) pour commencer avant l’annihilation – un lepton moins un antilepton est égal à zéro nombre net de Leptons – et ceci la quantité nette de matière ne change pas car elle reste simplement nulle après l’annihilation. ^[52]

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 anéantissant avec des antibaryons ou des antileptons. Puisque les antibaryons/antileptons ont des nombres de baryon/lepton négatifs, les nombres globaux de baryon/lepton ne sont pas modifiés, donc 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 du baryon et leptogenèse), donc l’annihilation des particules est rare dans des circonstances normales.

Sombre

Graphique circulaire montrant les fractions d’énergie dans l’univers apportées par différentes sources. La matière ordinaire est divisée en matière lumineuse (les étoiles et les gaz lumineux et 0,005 % de rayonnement) et en matière non lumineuse (gaz intergalactique et environ 0,1 % de neutrinos et 0,04 % de trous noirs supermassifs). La matière ordinaire est rare. Modelé d’après Ostriker et Steinhardt. ^[53] Pour plus d’informations, voir NASA .

Énergie noire (73%) Matière noire (23%) Matière non lumineuse (3,6%) Matière lumineuse (0,4%)

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% est de la matière noire ^{[54] [55]} et 73% est de l’énergie noire . ^{[56] [57]}

Courbe de rotation des galaxies 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 . ^{[58] [59] [60]} 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 pas 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. ^{[61] [62]} 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 . ^[61] En tant que tel, il est composé de particules encore non observées en laboratoire. Ce sont peut-être des particules supersymétriques, ^[63] qui ne sont pas des particules du modèle standard mais des reliques formées à de très hautes énergies dans la phase primitive de l’univers et qui flottent encore. ^[61]

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 la matière telles que la densité d’énergie et la pression au vide lui-même. ^{[64] [65]}

70% de la densité de matière dans l’univers semble être sous forme d’énergie noire. Vingt-six pour cent est 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. Des 96 % restants, à part les propriétés que nous venons de mentionner, nous ne savons absolument rien.

— Lee Smolin (2007), The Trouble with Physics , 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 la masse négative .

Etude historique

Antiquité (vers 600 avant JC – vers 322 avant JC)

Dans L’Inde ancienne , les bouddhistes, les hindous et les jaïns ont chacun développé une Théorie particulaire de la matière, postulant que toute matière est constituée 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 avec le temps. ^[6] Ils ont associé leurs idées d’âme, ou leur absence, à leur théorie de la matière. Les développeurs et les défenseurs les plus forts de cette théorie étaient l’école Nyaya- Vaisheshika , les idées du philosophe Kanada (vers le VIe siècle av. J.-C.) étant les plus suivies. ^{[6] [7]}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 ni conscience. ^[6] Les jaïns ont inclus l’âme ( jiva ), ajoutant des qualités telles que le goût, l’odorat, le toucher et la couleur à chaque atome. ^[66] 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 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. ^[6]

En Europe , les présocratiques ont spéculé sur la nature sous-jacente du monde visible. Thales (vers 624 avant JC – vers 546 avant JC) considérait l’eau comme le matériau fondamental du monde. Anaximandre (vers 610 avant JC – vers 546 avant JC) a postulé que le matériau de base était totalement sans caractère ou sans limite: l’Infini ( apeiron ). Anaximène (florissant 585 av. J.-C., décédé en 528 av. J.-C.) a postulé que la substance 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, bien qu’il veuille peut-être dire que tout est changement. Empédocle (vers 490-430 avant JC) a parlé de quatre élémentsdont tout était fait : la terre, l’eau, l’air et le feu. ^[67] 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 les formes appelées Atomes, une philosophie appelée atomisme . Toutes ces notions avaient de profonds problèmes philosophiques. ^[68]

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. cinquième, l’éther . Néanmoins, ces éléments ne sont pas fondamentaux dans l’esprit d’Aristote. Au contraire, comme tout le reste dans le monde visible, ils sont composés des principes de base matière et forme.

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

– Aristote, Physique I: 9: 192a32

Le mot qu’Aristote utilise pour la matière, ὕλη ( hyle ou hule ) , peut être littéralement traduit par bois ou bois de charpente, c’est-à-dire “matière première” pour la construction. ^[70] En effet, la conception d’Aristote de la matière est intrinsèquement liée à la fabrication ou à la composition de quelque chose. En d’autres termes, contrairement à la première conception moderne de la matière comme occupant simplement de 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 transforme l’herbe en lui-même ; l’herbe en tant que telle ne persiste pas dans le cheval, mais un de ses aspects — sa matière — oui. La matière n’est pas spécifiquement décrite (par exemple, comme les Atomes), mais se compose de 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 en interdépendance (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 d’actualité que de la forme ; il n’a pas d’activité ou d’actualité en soi, de la même manière que les parties en tant que telles n’ont leur 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 géomètre. Au lieu, comme Aristote, de déduire l’existence de la matière de la réalité physique du changement, Descartes a arbitrairement postulé que la matière est une substance mathématique abstraite qui occupe l’espace :

Ainsi, l’extension en longueur, en largeur et en 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 suppose l’étendue, et n’est qu’un mode d’une chose étendue.

— René Descartes, Principes de la philosophie ^[71]

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 : ^[72] c’est la philosophie mécanique . Descartes fait une distinction absolue entre l’esprit, qu’il définit comme une substance pensante, non étendue, et la matière, qu’il définit comme une substance étendue, non pensante. ^[73] Ce sont des choses indépendantes. En revanche, Aristote définit la matière et le principe formel/formant comme des principes complémentaires qui composent ensemble une chose indépendante ( la substance ). En bref, Aristote définit la matière (en gros) comme ce dont les choses sont réellement faites (avec un potentielexistence indépendante), mais Descartes élève la matière au rang de chose réellement indépendante 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 d’interdépendance, alors que pour Descartes, la matière et l’intelligence (l’esprit) sont des substances indépendantes et opposées par définition . ^[74]

La justification de Descartes pour restreindre les qualités inhérentes de la matière à l’extension est sa permanence, mais son véritable critère n’est pas la permanence (qui s’applique également à la couleur et à la résistance), mais son désir d’utiliser la géométrie pour expliquer toutes les propriétés matérielles. ^[75] 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. ^[76]

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”. ^[77] De même, dans Optique , il conjecture que Dieu a créé la matière comme “des particules solides, massives, dures, impénétrables, mobiles”, qui étaient “… même si très dures qu’elles ne s’usent jamais ou ne se cassent pas en morceaux”. ^[78] 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 le caractère essentiel des qualités secondes. ^[79]

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 produisaient exclusivement par contact. ^[80]

Bien que la gravité de Newton semble être une puissance des corps, Newton lui-même n’admettait pas qu’elle soit une propriété essentielle de la matière. Poursuivant la logique de manière plus cohérente, Joseph Priestley (1733–1804) a soutenu que les propriétés corporelles transcendent la mécanique de contact : les propriétés chimiques nécessitent la capacité d’attraction. ^[80] Il a soutenu que la matière a d’autres pouvoirs inhérents en plus des soi-disant qualités primaires de Descartes, et al. ^[81]

XIXe et XXe siècles

Depuis l’époque de Priestley, il y a eu une expansion massive de la connaissance des constituants du monde matériel (à savoir, les Molécules, les Atomes, les particules subatomiques). Au XIXe siècle, suite au développement du tableau périodique et de la théorie atomique , les Atomes sont considérés comme les constituants fondamentaux de la matière ; les Atomes formaient des Molécules et des composés . ^[82]

La définition courante 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.

Certains aspects de la vision newtonienne dominaient encore. James Clerk Maxwell a discuté de la matière dans son ouvrage Matter and Motion . ^[83] Il sépare soigneusement la “matière” de l’espace et du temps, et la définit en termes d’objet mentionné dans 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. ^{[84] [ plus d’explications nécessaires ]} Une discussion de manuel de 1870 suggère que la matière est ce qui est composé d’Atomes : ^[85]

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 la division d’une molécule.

Plutôt que d’avoir simplement les attributs de la masse et d’occuper 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 préoccupé du lien possible entre la matière et la charge électrique. ^[86]

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 . interagissent 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 XXe siècle, ^[87]à la plus récente “structure des Quarks de la matière”, introduite dès 1992 par Jacob avec la remarque : “La compréhension de la structure des Quarks de la matière a été l’une des avancées les plus importantes de la physique contemporaine.” ^{[88] [ plus d’explications nécessaires ]} À cet égard, les physiciens parlent de champs de matière et parlent de particules comme “d’excitations quantiques d’un mode du champ de matière”. ^{[10] [11]} 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 de spineurs (comme les Quarks et les Leptons), qui sont censés être les composants fondamentaux de la matière, ou champs scalaires , comme les particules de Higgs , qui sont utilisées pour introduire la masse dans une théorie de jauge (et qui, cependant, pourraient être composées de champs de fermions plus fondamentaux ).” ^{[ 89] [ plus d’explications nécessaires ]}

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 étaient considérés en 2004 par les auteurs d’un texte de premier cycle comme étant les constituants fondamentaux de la matière. ^[90]

Ces Quarks et Leptons interagissent par 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 ) ^[91] à la grande frustration des théoriciens comme Stephen Hawking . Les interactions entre Quarks et Leptons résultent d’un échange departicules porteuses de force telles que les photons entre les Quarks et les Leptons. ^[92] 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 non matérielles telles que les photons, ou même à partir d’énergie pure, telle que l’énergie cinétique). énergie). ^{[ citation nécessaire ]} 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 la relation de Planck ) et les médiateurs de la Force faible ( bosons W et Z ) ont une masse, mais aucun n’est considéré comme de la matière non plus . ^[93]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. ^{[94] [95]}

Résumé

La conception moderne de la matière a été affinée à plusieurs reprises au cours de l’histoire, à la lumière de l’amélioration de la connaissance de ce que sont exactement les éléments de base et de la manière dont ils interagissent. Le terme « matière » est utilisé tout au long de la physique dans des contextes très variés : par exemple, on se réfère à la « physique de la matière condensée », ^[96] « matière élémentaire », ^[97] matière « partonique », « matière noire », « anti “-matière, matière ” étrange ” et matière ” nucléaire “. Dans les discussions sur la matière et l’antimatière ,matière commune ). ^[98] 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 spécifiant.

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 des particules élémentaires. On peut utiliser une définition selon laquelle 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. ^[99]

Voir également

Antimatière

Ambiplasme
Antihydrogène
Antiparticule
Accélérateur de particules

Cosmologie

Constante cosmologique
Équations de Friedmann
Mouvement
Ontologie physique

Matière noire

Axion
Modèle standard supersymétrique minimal
Neutralino
Matière noire non baryonique
Matière noire à champ scalaire

Philosophie

Atomisme
Matérialisme
Physicalisme
Théorie des substances

Autre

Équivalence masse-énergie
Matière
Formation de motifs
Systèmes périodiques de petites Molécules

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Lectures complémentaires

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