MATIÈRE (physique)États de la matière

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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 métallurgie saisissantes de précision. Une distinction entre métaux et terres était établie depuis longtemps : les premiers devaient être refroidis pour durcir, les secondes chauffées. Dans son contexte, cette distinction, parfaitement discriminante, était éminemment scientifique ; on connaissait ainsi sept métaux (or, argent, mercure, cuivre, fer, étain, plomb).

La joaillerie a également attiré et fasciné l'homme depuis son origine, mais cette attirance a dans le même temps contribué à l'éveil de la curiosité et d'une recherche des causes de la manière d'être des pierres (dureté, diaphanéité, couleur, « vertus », etc.). Les interrogations sur les roches sont fort anciennes. La Bible comporte de très nombreuses mentions de cristaux ou de minéraux, souvent à l'occasion de descriptions de couronnes serties, de portes incrustées ou d'autres parures. Le quartz, l'agate, l'amiante, l'émeraude, le porphyre, le béryl..., un grand nombre de roches et de minéraux étaient connus dans l'Antiquité et, s'ils n'ont pas fait l'objet d'un traitement aussi approfondi que les objets de la médecine ou de la biologie, ils apparaissent dans quelques ébauches de traités rassemblés sous le terme générique de « lapidaires ». Théophraste, Dioscoride, Strabon, « Hermès Trismégiste » (pseudonyme probable de divers auteurs alexandrins) en sont les auteurs. Leur héritage nous est parvenu grâce aux savants arabes ou persans, au premier rang desquels Avicenne.

Les questions posées par le phénomène du durcissement étaient particulièrement claires en présence d'un des éléments les plus communs et les plus présents dans la vie de l'homme, l'eau. Le processus de congélation a alimenté tous les courants scientifiques s'interrogeant sur la composition des corps depuis que l'homme s'interroge sur la nature. Empruntons cette fois un exemple à l'Asie – en avance sur l'Europe sur plusieurs points : les Chinois ont remarqué depuis plus de deux mille ans, soit quinze siècles avant les Occidentaux, le caractère hexagonal des cristaux de neige. Pour les Chinois, la transformation de la neige en eau était l'une des incarnations du principe Yin, de la tendance de toutes les choses et de tous les êtres à rouler perpétuellement d'un état vers un autre, sans réelle discontinuité. Cette pensée a profondément marqué la culture orientale. En Occident, au xviie siècle, de grands esprits ont avancé des spéculations hardies sur les flocons de neige : Johannes Kepler (1614), René Descartes (1635), Érasme Bartholin (1660) observent avec précision ceux-ci. La distinction entre vapeur, liquide et solide est claire à leurs yeux, la cristallisation est un changement d'état attribué aux forces mécaniques organisant des gouttes d'eau entre elles, et les corpuscules d'eau entre eux au sein des gouttes. Ainsi, l'observation des flocons de neige est associée au renouveau de l'atomisme au xviie siècle, à travers des textes comme les Météores de Descartes (1637), ou le Democritus reviviscens (1645) de Jean-Chrysostome Magnen, pour qui la variété des formes de flocons de neige est la preuve de la petitesse des corpuscules d'eau.

La médecine, de son côté, a grandement contribué à l'étude des états de la matière. Non seulement, les savants des siècles passés étaient souvent des médecins de formation, mais, en outre, la circulation des fluides dans le corps posait des questions de physique pertinentes ; de plus, la formation très douloureuse de calculs dans le corps (« maladie de la pierre ») était l'un des principaux soucis de la médecine (et des malades). De ce fait, les réflexions sur le passage de l'état liquide à l'état solide étaient largement motivées par des considérations médicales. Un exemple frappant nous est donné par Sténon, anatomiste danois vivant à Florence, qui comprend en 1669 comment se forment les roches, par une lente accumulation de petites parties transportées par les liquides. En observant la sédimentation des dépôts dans les fioles d'urine (et en regardant bien entendu la géologie de la Toscane), il comprend le phénomène de formation des strates géologiques et celui de formation des cristaux par superposition de couches de corpuscules. Au bout du compte, la médecine est une grande inspiratrice de ce fondateur de la géologie moderne. De même, lorsque Érasme Bartholin s'intéresse à la croissance des flocons de neige dans son De figura nivis (1660), c'est parce que son frère, Thomas, célèbre médecin, préconise l'usage de l'eau de nei [...]

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  • : chargé de recherche au C.N.R.S., laboratoire de physique de la matière condensée, École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer l’article

Vincent FLEURY, « MATIÈRE (physique) - États de la matière », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 29 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-etats-de-la-matiere/