La matière

La matière représente tout ce qui est physiquement palpable autour de nous. Pour pouvoir être de la matière, elle doit pouvoir être détectable, d'une quelconque manière. Pour cela, elle doit avoir des propriétés physiques, lui permettant d'interagir directement ou indirectement avec une quelconque autre forme de matière. En général, cela est possible via 2 propriétés primaires : avoir une masse et occuper un espace.

Si nous zoomons sur une quelconque forme de matière, nous pourrons la voir sous beaucoup de formes différentes. Cependant, une forme extrêmement importante, qui permet de définir précisément les propriétés de la matière, est la forme d'atomes. Toute matière est composée de cette forme à partir d'un certain zoom. Les atomes se différencient les uns des autres par leur composition interne. Leur composition interne peut influer sur leur comportement interne (dans l'atome), comme externe (les interactions avec les autres atomes). Il existe cependant d'infiniment rares formes exotiques de matières, n'ayant pas la forme d'atomes.

Au milieu de ces atomes, nous pouvons trouver un petit tas de matière, nommé le noyau atomique. Ce noyau est composé de particules, nommées des baryons. En général, il existe deux types de baryons communs : les protons, de charge électrique +1, et les neutrons, de charge électrique neutre. Pour être stable, le nombre de protons et de neutrons dans le noyau doit être proche. Le nombre de protons dans le noyau défini le type d'élement auquel appartient le noyau, dans le célèbre tableau périodique des éléments. Le nombre de neutron définit l'isotope de l'élément auquel appartient le noyau. Le noyau joue un rôle clé dans la stabilisation de l'atome, et donc dans son comportement global.

Pour équilibrer les charges électriques, un atome est constitué de particules de charges électriques -1, nommées les électrons. Ils ont une masse beaucoup plus faible que les baryons. Décrire la position et le comportement précis d'un électron est une tâche extrêmement complexe. Cependant, pour simplifier la façon dont il fonctionne, nous allons utiliser un modèle extrêmement connu, bien qu'obsolète : le modèle de Bohr. Selon ce modèle, les électrons orbitent autour du noyau, à certaines distances bien précises. Chaque orbite possible est définie par un niveau d'énergie, que l'électron doit acquérir pour être stable sur cette orbite. Si il a trop d'énergie pour son orbite actuelle (donc, si il en reçoit de quelque part), il passe à une orbite supérieure. À l'inverse, si il n'a plus assez d'énergie pour son orbite actuelle (donc, si il en émet), il passe à une orbite inférieure. Bien que toutes les orbites soient théoriquement stables pour l'électron, certaines sont trop énergétiques pour la totalité de l'atome, et l'électron doit émettre de l'énergie sous forme de lumière pour revenir à une orbite moins énergétique. Les orbites trop énergétiques sont nommées "orbites excitées". La façon dont les électrons doivent se répartir dans l'atome pour être stable (étant la façon la moins énergétique possible) est nommée état fondamental de l'atome. Cependant, si l'orbite est trop énergétique, alors l'électron quitte l'atome.

Le concept de stabilisation de la matière est indissociable du concept d'interactions élémentaires. Déjà, il faut comprendre ce qu'est une interaction. Ici, une interaction est un effet se produisant entre plusieurs particules, pouvant leur procurer une certaine force, ou un certain état. Les interactions élémentaires représentent les interactions physiques primaires, responsables de tous les autres phénomènes de l'univers. Il y en a 4 précisément décrites :

• L'interaction électromagnétique, interaction centrale des phénomènes à échelle macroscopique
• L'interaction faible, une forme de radioactivité naturelle permettant la stabilité de certains noyaux atomiques
• L'interaction forte, permettant la stabilité des noyaux atomiques
• L'interaction gravitationelle, expliquant les phénomènes gravitationelles

Chacune de ces interactions peuvent se représenter par un échange de particules nommées des bosons de Jauge, comme le gluon pour l'interaction forte ou le photon pour l'interaction électromagnétique. Dans notre monde actuel, ces 4 forces sont parfaitement indépendantes. Cependant, un dés défis de la physique moderne est de trouver un lien / une origine commune entre ces 4 forces.

Le concept le plus important pous comprendre la stabilisation de la matière à échelle macroscopique est le concept de la charge électrique (à ne pas confondre avec l'électricité, qui est liée mais différente). La charge électrique d'une particule est une valeur correspondant au degré d'interaction de cette particule avec les autres particules chargées autour d'elle. La charge électrique d'un objet est exprimé en coulomb, unité éponyme du scientifique Charles-Augustin Coulomb. Un coulomb représente environ 6,24 milliards de milliards de charges d'un électron. Elle peut être de deux types différents : positif et négatif. Le positif repousse le positif, le négatif repousse le négatif, et le positif et le négatif s'attirent entre eux. Bien que cette définition peut sembler quelque peu abstraite, elle est utilisable concrétement via la loi de Coulomb, permettant de calculer les forces appliquées entre deux particules via leur charge électrique. Cependant, elle évolue dans un champ mathématique (le champ électromagnétique), rendant son étude précise assez complexe.

À échelle atomique, le moyen le plus utilisé pour ranger la matière est le tableau périodique des éléments. Il s'agit d'un tableau, classant (actuellement) 118 matières différentes. Chaque matière est appelée un "élément", et est différenciée des autres par le nombre de proton que contient son noyau (ce nombre est appelé son numéro atomique). Chaque élément est aussi désigné par un nom propre, comme l'oxygène, le carbone ou l'hélium, ainsi qu'un symbole, représentant un raccourci du nom (ou de l'ancien nom) de l'élément. Une autre donnée assez important souvent marquée sur le tableau est la masse de l'isotope le plus commun de l'élément, en comparaison de la masse d'environ un proton. Les couleurs peuvent aussi représentent des données, généralement l'état physique de l'élément à température ambiante. La forme du tableau représente aussi un ensemble de données, comme le groupe de l'élément selon sa position horizontale, ou sa période selon sa position verticale. Il contient beaucoup d'informations très intéressantes et utiles, pour quiconque ayant un intêret en la physique ou la chimie.

À échelle subatomique (plus petit que l'atome), le moyen le plus accepté actuellement pour ranger la matière est le modèle standard. Comme pour le tableau périodique, il s'agit d'un tableau contenant 17 particules élémentaires (on ne sait pas ce qui les compose). Elle compte trois catégories de particules: les quarks, les leptons et les bosons. Les quarks composent les protons et les neutrons, et les électrons sont des leptons. Les bosons jouent un rôle de médiateur entre les autres particules, comme le moyen de transfert des interactions élémentaires (force électromagnétique, force forte...), sauf la gravité (bien que le boson en question soit activement recherché par les physiciens). Selon leur catégorie, ces particules ont des caractéristiques différentes. Ces caractéristiques peuvent représenter plusieurs choses, comme le spin, la charge électrique, le nombre quantique... Selon ces caractéristiques, les particules obéissent à plusieurs principes différents : statistique de Fermi-Dirac, la théorie de charge des couleurs, le principe d'exclusion de Pauli... Bien qu'elle ne soit pas parfaite, elle est la meilleure théorie expliquant actuellement les particules en physique quantique.