2. La quantité de matière et d’énergie est-elle constante

Tous les étudiants en sciences l’apprennent : la quantité globale de matière et d’énergie est constante.

Cette loi n’est habituellement pas remise en cause. Mais elle est confrontée à de nouveaux défis. La plupart des physiciens considèrent désormais que l’univers contient de grandes quantités de « matière noire » dont les propriétés restent obscures. Ils considèrent que cette matière noire constitue environ 23% de la masse et de l’énergie de l’univers alors que masse et énergie connue n’en constituent que 4%.

Pire encore, la plupart des cosmologues contemporains estiment que l’expansion continue de l’univers est le fruit d’une énergie noire qui représenterait 73% de la masse et de l’énergie de l’univers.

Les lois de conservation de la matière et de l’énergie ont été formulées bien avant ces observations.  Je passe en revue dans ce chapitre l’histoire qui a conduit à ces lois auxquelles la physique moderne pose des questions.

Matière, force, énergie (102)

La physique newtonienne  classique était basée sur une distinction fondamentale entre matière et force. La matière était considérée comme passive et des forces agissaient sur elle. Au contraire de la matière, inerte, les forces et les énergies agissent.

Je vais vous raconter l’histoire de cette croyance en la conservation de la matière qui a commencé il y a plus de 2500 ans.

Des atomes éternels ( 103-107)

Dans l’Antiquité grecque, les philosophes se préoccupaient de savoir s’il y avait, derrière le monde changeant du vécu, une réalité éternelle immuable. Le philosophe Parménide tenta intellectuellement de définir cet être ultime comme une sphère indifférenciée et inchangeante.

Cette présentation parut inacceptable aux philosophes ultérieurs. Les philosophes de la tradition de Pythagore -570-485 av JC- croyaient que la réalité est faite de vérités mathématiques immuables.

Platon et ses adeptes pensaient en terme d’idées et de Formes transcendant l’espace et le temps.

Puis, les philosophes atomistes proposèrent une autre réponse : l’Être absolu n’est pas une vaste sphère mais une infinité de petites chose insécables , des atomes de matière agissant dans le vide : la matière devenait l’être absolu. Cette philosophie atomiste et matérialiste fut avancée au Vième  siècle avant notre ère par Leucippe et Démocrite. Elle était basée sur d’impressionnantes prouesses de déduction logique.

Le principal attrait qu’offrait la philosophie atomiste ou matérialiste dans le monde gréco-romain pré-chrétien était son scepticisme envers l’innombrable panthéon des dieux et déesse. Epicure – 340-270 av JC- l’un des philosophes atomistes les plus influents prêchait que le matérialisme pouvait nous éviter la peur des dieux. Il enseignait que le meilleurs moyen d’accéder au bonheur passe par des plaisirs simples et la compagnie d’amis. Le philosophe Lucrèce -99-55 av JC-popularise la philosophie épicurienne dans son poème « De la nature ». Il commence par brosser le portrait de ce héros qui a écrasé le monstre de superstition et de la religion.

Le matérialisme atomiste a refait son apparition dans la pensée européenne à partir de la fin du XVI ième siècle en grande partie grâce à ce poète. Le principal propagateur de l’atomisme fut le prêtre français Gassendi (1592-1655) qui essaya de le rendre compatible avec la doctrine chrétienne.

La théorie mécaniste du XVII ième siècle combinait deux visions grecques de l’éternité : la nature était faite d’atomes mais au lieu d’être éternels ils avaient été créés par Dieu.

Robert Boyle préférait parler de corpuscules et Newton était d’accord avec cette vision.

Les atomes ont  acquis une identité plus précise à la fin du XVIII ième en tant que constituant des éléments chimiques. Le pionnier Lavoisier (1743-1794) considérait que dans les réactions chimiques la masse totale des produits obtenus était égale à celle des entrants. Il a été le premier à isoler l’hydrogène et l’oxygène. Le développement de la chimie a fait de l’atomisme une théorie extrêmement fructueuse.

La dissolution de la matière solide (107-110)

Depuis les années 1920 la théorie quantique voit dans les constituants de la matière -électrons, noyaux et particules atomiques- des modèles vibratoires à l’intérieur de champs. Comme l’a dit Karl Popper, le matérialisme s’est transcendé lui-même : la matière s’avère être de l’énergie fortement condensée. Ces résultats suggèrent que nous devons abandonner l’idée de substance ou d’essence. Il suggère également qu’il n’existe aucune entité identique à elle-même dans le temps. L’univers apparaît comme un ensemble interactif d’événements et de processus ( comme l’a souligné Whitehead)

Aujourd’hui selon la théorie quantique électrodynamique exposée par Richard Feynman, des particules virtuelles tels qu’électrons et photons apparaissent et disparaissent du champ de vide quantique appelé champ de point zéro et qui imprègne l’univers.

Selon l’électrodynamique quantique toutes les forces électriques et magnétiques sont rendues possibles par des photons virtuels qui surgissent du champ du vide et y disparaissent ensuite.  Quand vous regardez une boussole qui interagit avec le champ magnétique terrestre, elle le fait grâce à des photons virtuels, de même pour un moteur électrique etc… Comme le dit le physicien Paul Davies : « ce vide n’est ni inerte ni sans consistance, mais vivant d’une palpitante énergie et vitalité ».

Nous n’en sommes plus à la simple croyance en l’atome… même la masse de la matière s’avère être profondément mystérieuse. Selon le modèle officiel en physique des particules la masse de celles-ci dépend de son interaction avec un champ appelé « champ de Higgs » en référence à l’un des physiciens qui l’a proposé en 1964. Selon les physiciens ce champ ressemble à un universel bain de mélasse qui « colle » aux particules et leur confère leur masse. Ce champ repose sur des particules spécifiques appelées « bosons de Higgs » ( annonce de sa découverte au CERN le 4 juillet 2012 et confirmée le 15 mars 2013.)

La conservation de l’énergie (110-114)

Les formes prises par l’énergie pouvaient changer mais sa quantité restait constante. Ce principe fut gravé dans le marbre avec la seconde loi de l’énergie : « rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme« . Cette idée a joué un rôle essentiel dans le développement des équations en physique. Dans les années 1960 Richard Feynman la confirmait encore sur la base des connaissances de l’époque. L’union des principes de conservation de la matière et de l’énergie est l’oeuvre d’Einstein avec sa célèbre formule E= mC2 qui établit une équivalence entre masse, énergie et lumière. L’idée de quantité constante de matière et d’énergie rencontre des problèmes sérieux en cosmologie.

Une matière venue de nulle part ( 114-118)

Nommée à l’origine théorie de l’atome primitif, la théorie du Big Bang a été avancée pour la première fois en 1927 par la Père Georges Lemaître. Elle est devenue officielle à la fin des années 60. Cette théorie implique que toutes les équations aient été violées au départ et qu’il n’y avait pas alors conservation de la matière et de l’énergie, l’univers est issu de rien.

Dès 1951, la pape Pie XII l’accueillait avec bienveillance estimant que la science avait réussi à se faire le témoin de ce « fiat lux ! » -« que la Lumière soit ! « , première parole de Dieu dans la Bible- A contrario, elle fut controversée au début par certains physiciens à cause de ces implications théologiques. Ainsi l’astronome Fred Hoyle condamna la théorie en tant que modèle construit sur des fondements judéo-chrétiens.  Au début des années 60, les preuves rassemblées par le radioastronome britannique Martin Ryle puis en 1963 une autre découverte faite par le radioastronome hollandais Maarten Schmidt confirmèrent cette théorie.

La matière noire (118-120)

Dans les années 1930 l’astrophysicien Fritz Zwicky étudiait les mouvements des galaxies à l’intérieur des amas de galaxies lorsqu’il s’aperçut que ces deniers ne pouvaient  tenir ensemble par le seul fait de la gravitation. les galaxies s’attiraient beaucoup trop et la force qui les maintenait semblait 100 fois supérieure à ce que la gravitation des corps visibles pouvait accomplir.

Les constats de Zwicky furent passés sous silence pendant des décennies mais lorsqu’il fut évident que l’orbite des étoiles dans les galaxies ne pouvait s’expliquer par l’attraction gravitationnelle ces observations furent prises au sérieux. Les sources de gravitation ne correspondaient pas à la structure habituelle en disque des galaxies mais une distribution grossièrement sphérique de matière qu’ils nommèrent « matière noire ». Personne ne sait ce qu’elle est. Certains physiciens pensent qu’on pourrait se passer de l’hypothèse matière noire en modifiant les lois de la gravitation.

L’énergie noire (120-121)

Vers le milieu des années 1990 les problèmes des cosmologues ont empiré avec l’observation de supernovas éloignées – des étoiles explosant dans des lointaines galaxies- qui indiquait une accélération de l’expansion de l’univers. Or, la gravitation aurait dû la ralentir. Les physiciens furent contraints d’en conclure à une force anti-gravitationnelle nommée « énergie noire ».

En 2010, on estimait que 4% seulement de l’univers était constitué de matière et d’énergie connues. La même année l’observation du centre de notre galaxie a montré que l’émission de rayon gamma était supérieure à ce que les sources connues pouvaient produire suggérant que de la matière noire donne naissance à de l’énergie normale.

A la lumière de la cosmologie actuelle comment peut-on être certain que la quantité globale de matière et d’énergie est toujours constante ? E ce n’est pas tout car il semble que la quantité d’énergie noire augmente.

Le mouvement perpétuel et la seconde loi de la thermodynamique ( 121-126)

Depuis ses débuts, la science moderne considère comme une question de principe de refuser à une machine le mouvement perpétuel. Rudolph Clausius reformula l’interdiction sous la forme de la seconde loi de la thermodynamique : la température ne peut « grimper » sans un apport d’énergie.

Généraliser la seconde loi de la thermodynamique à l’univers entier impliquait que celui-ci soit vu comme une machine perdant sa vapeur. La mort de l’univers par perte ultime de chaleur était le concept sous-jacent à la vision de Bertrand Russel des « débris d’un univers en ruine ».

A l’opposé, la biologie évolutionniste montrait que la vie évolue vers toujours plus de complexité. Entre biologie et thermodynamique les flèches du temps allaient en sens inverse. Mais après 1960, la cosmologie devient elle-même évolutionniste : l’univers a commencé très petit et très chaud, il s’est refroidi et des formes d’organisation plus complexes sont apparues. Certains modèles suggéraient cependant qu’après une phase d’expansion l’univers se contracterait : après le Big Bang on s’orienterait vers un Big Crunch.

A la fin des années 1990 une nouvelle théorie a remplacé le Big Crunch, celle d’une expansion cosmique continue alimentée par l’énergie noire. La plupart des modèles estiment que la quantité d’énergie noire est toujours la même dans un espace donné.  Cette hypothèse combinée à celle de l’expansion de l’univers conduit donc à estimer que la quantité d’énergie noire augmente et l’univers ressemble à un mouvement perpétuel.

Dans ce contexte, les lois de conservation de la matière et de l’énergie ressemblent à des règles pratiques de la physique et chimie terrestre.

Les énergies alternatives ( 126-128)

Les dogmes scientifiques engendrent des tabous. Une recherche sur internet des mots « appareils à énergie libre » ou « appareils à sur-unité » conduit à une époustouflante variété de prétentions et de procédures. Mais il est difficile de briser le tabou et d’obtenir des financements.

Conservation de l’énergie et organismes vivants (129-130)

En physique, personne ne contestait l’idée de la conservation de l’énergie avant l’apparition de ces nouvelles théories cosmologiques.

A partir du XVII ième siècle, les adeptes de la philosophie mécaniste ont affirmé que les organismes vivants étaient des machines. Les vitalistes protestaient. Helmholtz ardent défenseur de la théorie mécaniste de la vie publia en 1847 un mémoire intitulé Sur la conservation de la force qui unifiait les idées de la conservation des forces chez les êtres vivants  en physique et en mécanique. Ses idées constituèrent un ingrédient majeur au consensus sur la conservation de l’énergie. A partir de là, cette supposition fut considérée comme un fait établi. Henri Poincaré fit remarquer que le caractère extrêmement général des lois de conservation signifiait qu' »il n’était plus possible de les vérifier ».

Peut-on soumettre la conservation d’énergie à des tests ? (130-134)

Max Rubner à Berlin garda un chien dans une pièce spéciale pendant 5 semaines et il observa que la perte de chaleur du corps correspondait  aux calculs fait à partir de la nourriture avec une précision de 99,7%.

De même pour les expériences des américains Atwater et Benedict. Mais d’autres expériences n’aboutissaient pas aux mêmes résultats mais elles ne furent pas retenues. Fin des années 70 Paul Webb reprit ces expériences. Il trouva d’étonnantes failles dans les études. Une fois toutes les études rassemblées il s’aperçut que plus d’un quart de l’énergie consommée n’avait pas de source identifiée. Un yogi parlerait du prana et un acupuncteur du chi.

L’inédie ou jeune extrême (135-141) ( note de lecture -> cf page « inédie » sur le site)

Les histoires récurrentes de gens qui semblent pouvoir vivre pendant des mois ou des années sans manger posent à la science un défi bien plus grand. Ce phénomène est connu sous le nom « d’inédie » du mot latin inedia. J’ai découvert le phénomène en Inde en 1984. Là -bas l’explication est que l’énergie vient du prana . En 2010, une équipe de l’Institut militaire indien pour la physiologie et les sciences afférentes a investigué le cas du vieux yogi nommé Prahlad Jani vivant dans le Gujarat qui n’avait pas mangé depuis 70 ans. Pendant l’enquête il passa 15 jours à l’hôpital sous observation constante, filmé pour la télévision.

L’occcident compte aussi un bon nombre de cas semblables dont ceux de saints et saintes : Catherine de Sienne, sainte Lidwina, le bienheureux Nicholas de Flüe la vénérable Domenica dal Paradiso ces trois derniers étant réputés avoir jeûné pendant respectivement 28, 19 et 20 ans.

Au XIX ième siècle deux femmes très pieuses furent présentées comme n’ayant mangé que l’hostie de leur communion quotidienne pendant 12 ans : Domenica Lazzari et Louise Lateau.

Herbert Thurston, intellectuel jésuite  a livré une étude devenue classique de ce phénomène intitulée Les phénomènes physiques du mysticisme. ( note de lecture : cf aussi  Métanoïa de Aimé  Michel)

Un des points de départ d’une recherche pourrait être de trouver où l’inédie existe et inclure cette recherche dans la science. Existe-t-il des formes d’énergie ignorées par la science.

Qu’est ce que cela change ? (141-142)

L’idée de matière passive et d’énergie ou force comme principe actif de la nature est fondamentale pour la science.  Le flux d’énergie ne dépend peut-être pas toujours, pour les êtres vivants, de la nourriture ou de la physiologie digestive. Il pourrait dépendre de la façon dont l’organisme est relié à un flux plus vaste d’énergie. Des termes comme pneuma, prana, et Qi renvoient à une forme d’énergie que la science mécanisée a laissé de côté. Notre connaissance en physiologie est peut-être très incomplète.

Questions aux matérialistes

Votre foi en la conservation de l’énergie et de la matière est-elle une supposition ou est-elle basée sur des preuves ? Et dans ce cas quelles sont-elles ?

Pensez-vous que la loi de conservation de la matière s’applique à la matière noire ?

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