MATIÈRE (physique)États de la matière

D'Aristote à Réaumur, au xviii^e siècle, la nature des solides ou des fluides a posé de grandes énigmes aux savants de jadis. Les découvertes de plus en plus fines de la science moderne sur l'organisation des molécules et des liaisons atomiques dans les matériaux ou dans les composés étudiés au laboratoire, comme dans les corps ordinaires de la vie quotidienne, expliquent largement l'origine de ces difficultés historiques ; elles obligent à revoir certaines divisions simplistes, issues à la fois des limites de l'expérience quotidienne et des orientations schématiques ou grossières de disciplines scientifiques naissantes.

La division classique en états solide, liquide et gazeux est issue de la thermodynamique du xix^e siècle. Elle dut subir une révision avec la découverte par les thermodynamiciens du xx^e siècle de l'état critique, qui révélait une continuité de fait entre l'état gazeux et l'état liquide. On invoqua alors un état fluide, censé regrouper les états liquide, gazeux et critique, par opposition à l'état solide a priori mieux défini. Toutefois, dans la plupart des situations, la distinction entre liquide et gaz gardait tout son sens.

L'émergence dans le champ de la recherche des milieux extrêmement chauds obligea à introduire un quatrième état de la matière : l'état de gaz globalement neutre, mais constitué d'atomes ou de molécules ionisés, que l'on rencontre surtout en astrophysique (étoiles, ionosphères planétaires, aurores boréales, etc.) et dans un certain nombre de dispositifs industriels (ampoules au néon par exemple) ou militaires (bombe atomique). L'état ionisé se révélait si fondamentalement différent de l'état ordinaire de la matière qu'il méritait une nomenclature à part, le plasma. L'expression consacrée de « quatrième état de la matière » est équivoque : elle laisse entendre une proximité taxinomique du plasma avec l'état fluide ou l'état solide qui est davantage ancrée dans la traditionnelle nécessité d'une nomenclature que dans les faits scientifiques. Quand on décrit comme « état de la matière » l'état plasma, il faut être bien conscient que les concepts qui sous-tendent ce dernier sont presque sans rapport avec les attributs des états fluide et solide.

De son côté, la physique quantique a enregistré une série impressionnante de succès, dont le moindre ne fut pas la découverte des états supraconducteur et superfluide. Le superfluide quantique, lui aussi, fait éclater les catégories héritées d'une autre époque.

Mais à l'intérieur même des catégories habituelles fluide et solide, et sans aller jusqu'à invoquer des effets quantiques, des distinctions essentielles ont vu le jour, qui remettent en cause l'expérience quotidienne. En effet, le verre ordinaire, par exemple, quoique parfaitement solide au premier abord, se révèle posséder une structure bien plus proche de celle d'un liquide que de celle d'un quartz ou d'un grenat (cristaux typiques). À l'opposé, certains liquides sont constitués de molécules régulièrement ordonnées, ce sont les cristaux liquides. On parle parfois d'état mésomorphe pour ce type de corps, ce qui signifie état « intermédiaire » (entre liquide et solide). En découvrant, ou en inventant des corps nouveaux possédant, à l'état fluide, de nombreuses propriétés des solides ou, à l'inverse, des corps solides présentant la plupart des attributs des fluides, la science moderne a fait éclater les catégories recouvertes par les expressions état solide ou état fluide. À quel état rattacher une mayonnaise, une mousse, une peinture qui ne coule pas ? La physique des gels, celle des milieux dispersés, des argiles, des polymères ou des colles a permis de jeter une lumière sur des états de la matière qui, quoique exotiques au regard de la classification état fluide-état solide, se révèlent en parfaite résonance avec l'expérience quotidienne (la meringue ne coule pas).

Plus récemment encore, l'émergence de la physique hors d'équilibre a ouvert le champ à l'étude de « manières d'être » de la matière pour lesquelles le terme d'état ne saurait guère convenir : structures oscillantes dynamiques, telles que spirales auto-organisées ou rouleaux convectifs. À l'horizon des structures auto-organisées complexes étudiées aujourd'hui au laboratoire se dessine la matière vivante, pour laquelle la notion d'état paraît également insuffisante. Bref, à l'expression d'état de la matière, on est tenté de préférer celle de « manière d'être » de la matière en question.

États désordonnés de la matière

La nature assemble parfois magnifiquement les atomes pour donner l'ordre cristallin. Mais la matière est souvent dans un état désordonné où l'organisation des divers éléments est aléatoire. Ainsi, par exemple, l'état amorphe de l'opale tranche avec l'aspect ordonné du cristal de... 

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Historique de la recherche sur l'état de la matière

L'expérience immédiate de la matière est commune à tous les hommes, depuis qu'ils sont doués de raison. La distinction entre solide et liquide était certainement présente à l'esprit de nos ancêtres de la préhistoire. Cependant, on peut se contenter de faire remonter les interrogations scientifiques sur les différents états de la matière à plusieurs lignes d'observations ou d'activités humaines, intimement liées à la « manière d'être », solide ou fluide, de la matière. Ces domaines sont la métallurgie, la météorologie empirique (que l'on songe à l'importance de la glace, de la neige et, bien sûr, de la pluie), la joaillerie et la médecine.

La métallurgie a occupé l'homme depuis le Néolithique, et la perfection de nombreux artefacts démontre bien le savoir-faire et les compétences acquises dans ce domaine depuis des temps très lointains (5 000 ans). Il faut garder à l'esprit que certains métaux comme l'or, l'argent ou le cuivre se présentent naturellement à l'état natif et que certains autres, comme le fer, sont facilement obtenus par réduction des minerais dans des feux à combustion lente (le dégagement de CO au lieu de CO₂ permettant la réduction des oxydes en métal). La maîtrise de la métallurgie par les hommes de l'Antiquité passait par une connaissance précise de certains procédés et des comportements de la matière. En particulier, il faut convenir que la notion d'état liquide et d'état solide, et leur lien avec « quelque chose » comme la chaleur, corollaire objectif des techniques de fonderie, remonte à la plus haute antiquité. Lorsque le célèbre savant allemand Agricola rassemble dans le De re metallica (publication posthume, 1556) les connaissances métallurgiques de son temps, il livre un ouvrage in folio de plusieurs centaines de pages comportant de très nombreuses planches et des descriptions d'ateliers de métal [...]

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