Pourquoi la matière est-elle impénétrable ?

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Pourquoi la matière est-elle impénétrable ? Une (courte) explication physique du toucher.

Pour comprendre pourquoi la matière est impénétrable, il faut tout d’abord se demander pourquoi on peut supposer dans un premier temps qu’elle le serait ! Et oui, la matière semble totalement remplie, supposer qu’on puisse la pénétrer est étrange puisque deux objets ne peuvent, classiquement, être au même endroit en même temps, il n’y a pas assez de place !

Il faut donc commencer par affirmer :

La matière sous ses divers états est en très grande majorité du vide.

Cela vient de la nature de sa brique “fondamentale” de la matière telle qu’on l’a connaît : l’atome.

L’atome n’est pas une particule élémentaire : c’est un objet composite, constitué d’un noyau (lui-même composite, mais cela n’a pas d’importance ici) et de particules que sont les électrons. C’est pourquoi il est souvent dit qu’on a très mal choisi le nom de cet objet (D’átomos : a- signe du privatif et -tomos : sécable).

Bon, pour la plupart d’entre nous, il s’agit d’un simple rappel. Soit, les atomes sont composites, et alors ? Quel est le rapport avec le vide de la matière ? Quand on touche une table ou qu’on se lave les mains, on touche quelque chose de continu, il n’y a pas de place pour le vide !

Et bien, c’est là que notre intuition se trompe. On peut visualiser par analogie l’atome comme un système solaire où le noyau est le Soleil et les électrons sont les planètes qui orbitent autour du noyau[1]. Maintenant, le rayon du noyau est essentiellement ridicule par rapport au rayon total de l’atome[2] : il y a un rapport de 1:100.000, ce qui équivaut à la différence de taille entre une abeille et le mont Everest ! Mais du coup, qu’y a-t-il d’autre dans cet atome ? On l’aura deviné, l’atome est quasiment totalement vide (on le sait maintenant, d’un vide quantique).

Maintenant que l’on sait que les atomes sont en grande majorité vides et donc que la matière ordinaire est intrinsèquement discrète, discontinue, il devient logique de se demander pourquoi on ne peut pas la pénétrer.

Et le toucher ?

Il y a donc un paradoxe entre le côté lacunaire de la matière et la sensation de continuité qui existe dans le toucher ; lorsqu’on prend un crayon pour écrire, on a la sensation que le vide n’existe pas dans ce crayon, c’est une matière plus ou moins lisse, plus ou moins rugueuse, mais en tout cas continue et non discrète.

Comment faire place au vide lorsque nos sensations nous disent qu’il n’est pas là ? Faut-il toujours laisser de côté nos perceptions ? Si notre intuition nous induit autant en erreur, c’est bien parce nos sens se trompent !

C’est exact, mais il ne s’agit pas de perdre toute la confiance qu’on a naturellement en nos capteurs sensoriels ; sans eux, on est évidemment totalement perdus. Il faut par contre pouvoir se donner les outils afin d’être critique face à ce que l’on ressent, pour comprendre pourquoi on les ressent ainsi, ce qui nous permettra de faire la part des choses entre le réel et l’illusoire, et finalement répondre à notre question : pourquoi la matière semble dénuée de vide et est impénétrable.

Pour répondre à cela, on affirmera par la suite :

Le toucher n’est pas un contact réel et a pour source une répulsion.

Ceci ne veut pas dire que la source du toucher n’est pas réel. Pour bien comprendre les deux idées de cette proposition, il faut se concentrer sur le phénomène physique qui est source des sensations se rapportant au toucher, c’est-à-dire la force électromagnétique. Pour cela, il faut faire un petit détour auprès d’un autre sens, la vue, car leur lien est plus flagrant.

La vue : De la lumière à l’électromagnétisme

Il est évident pour tout le monde que la vue s’appuie sur la lumière puisqu’à l’intérieur d’une pièce dans l’obscurité la plus totale, on ne voit rien, et à l’inverse, lorsqu’on regarde une source lumineuse trop forte, on est aveuglés. Ainsi, notre oeil capte la lumière, puis nos nerfs et notre cerveau font le travail d’interpréter ce qu’il reçoit pour finalement donner les images et leurs détails qu’on perçoit, que ce soit la forme d’un arbre, la brillance d’un téléphone, ou la couleur de cette tasse.

On sait (expérimentalement) que la lumière existe réellement et la théorie qui permet d’expliquer son comportement est l’électromagnétisme. Lorsque nos cheveux se dressent après avoir mis un gros pull en laine, on a en fait électriquement chargé nos cheveux. Or la théorie de l’électromagnétisme nous dira que si deux objets sont chargés d’une charge électrique de même signe comme nos cheveux, ils se repoussent !

On peut illustrer la théorie de l’électromagnétisme à travers la loi de Coulomb (image ci-dessus) qui en est une bonne approximation[3]. Si on a deux charges électriques, a et b, de charge électrique respective q_a et q_b séparées d’une distance r, les forces que subiront les deux charges seront proportionnelles aux charges et (et inversement proportionnelles au carré de la distance entre les deux charges , mais cette information n’est pas utile ici).

Ainsi, pour savoir si deux charges s’attirent ou se repoussent, il est suffisant de savoir quel est le signe du produit des charges électriques q_a \cdot q_b :

  • S’il est positif, cela veut dire que les charges a et b ont une charge électrique de même signe (soit toutes les deux sont chargées positivement, soit négativement) et donc se repoussent, comme nos cheveux !
  • S’il est négatif, l’une des deux charges a une charge positive tandis que l’autre a une charge négative ; ainsi, elles s’attirent.

Et la lumière[4] dans tout ça ? C’est très simple :

La lumière est le messager de la force électromagnétique.

Qu’est-ce que ça veut dire ? Deux charges électriques se renvoient de la lumière, comme deux joueurs de tennis se renvoient la balle, pour savoir s’ils vont s’attirer ou se répulser ! C’est pourquoi en fait la lumière est ce qu’on appelle une onde[5] électromagnétique.

Le toucher : une explication électromagnétique

On peut finir maintenant la digression et conclure sur le toucher : la source de la vue est la lumière et celle-ci existe réellement, bien que les images soient produites par notre cerveau. Et bien, pour le toucher, c’est la même chose : le toucher a lui-même pour source la force électromagnétique ; lorsque je rapproche ma main d’un livre, les électrons de ma main sont repoussés par ceux du livre, ainsi ils se déplacent ce qui crée un courant électrique, et enfin, ce courant se propage jusqu’au cerveau qui l’interprétera pour nous donner la sensation du toucher.

De ce fait, il n’y a pas de contact direct lorsqu’on touche quelque chose :

On détecte l’onde électromagnétique de l’objet qu’on prend en main.

C’est pourquoi la répulsion électromagnétique permet d’expliquer en quoi la matière est impénétrable, en quoi le toucher n’est pas un contact réel, et par conséquent pourquoi on ne peut pas sentir le vide d’un objet qu’on prend en main.

Toute cette réflexion débouche sur plusieurs questions autrement fondamentales : comment la sensation de la vue ou du toucher peuvent-elles naître d’une interprétation du cerveau ; plus largement, quel est le lien entre les perceptions et le cerveau, entre la pensée et le cerveau ? De plus, on a vu que la lumière est le messager de l’électromagnétisme, et la loi de Coulomb ne présente rien sur une quelconque propagation dans l’espace et dans le temps de la lumière ; la loi de Coulomb décrit la force électromagnétique comme une force instantanée. Ceci voudrait dire que la lumière a, en quelque sorte, une vitesse infinie, ce qui n’est pas le cas puisqu’il a été vérifié à la fin du XIXème siècle[6] que la lumière a une célérité finie et fixe c. Comment résoudre ce paradoxe ?

Jean Philippe Arias Zapata

jean-philippe.arias@causamundi.com

Image :

http://scientificsentence.net/Equations/Electrostatics/index.php?key=yes&Integer=coulomb_law

[1] Cette vision n’est pas totalement correcte en physique, ce n’est qu’une analogie qui présente ses limites.

[2] Pourquoi ne pas prendre en compte la taille de l’électron ? Tout simplement parce qu’elle est négligeable par rapport à la taille du noyau lui-même.

[3] La théorie correcte de l’électromagnétisme sont les lois de Maxwell, qui s’insère immédiatement en relativité restreinte ; la force de Coulomb en est une approximation galiléenne, on définira tout cela plus loin.

[4] Attention, quand on parle de lumière, il ne s’agit pas simplement de lumière visible mais aussi d’ondes radio, de rayons gamma, d’UV etc.

[5] On parlera plus en détail de ce sujet dans un autre article.

[6] Pour aller plus loin, lire l’article : Expérience de Michelson et Morley.

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