Matière et rayonnement
Dans la physique, l’énergie, qu’on associe au temps, se présente habituellement sous deux formes distinctes : Le rayonnement de masse nulle et la matière condensée de masse non nulle. La symétrie matière anti- matière permet de passer d’une forme à l’autre : une particule et son antiparticule peuvent s’annihiler en 2 photons (rayonnements) et vice versa, un rayonnement peut créer une paire.
Mécanique quantique : Fermions et bosons
Au niveau des particules, la matière est constituée de fermions.
Au rayonnement électromagnétique on associe le photon qui est le boson médiateur de l’interaction électromagnétique, de masse nulle, de portée infinie, d’énergie E = h.f où h est la constante de Planck et f est la fréquence du rayonnement dans le référentiel où on mesure l’énergie, et se propageant à la vitesse de la lumière : La théorie associée est l’électrodynamique quantique.
D’autres bosons, associés aux autres interactions, dont certains de faible portée sont massifs (Bosons W, Z, gluons), existent également. A noter que pour la gravitation, son boson médiateur, le graviton, qui serait de masse nulle et de portée infinie et se propagerait à la vitesse de la lumière, reste spéculatif, faute d’une théorie quantifiée de la gravitation.
Statistiques et spins associées
Les fermions obéissent à une statistique de Fermi-Dirac, interdisant à deux fermions de mêmes nombres quantiques de cohabiter (principe d’exclusion de Pauli). Ils sont en quelque sorte des marqueurs dans un espace formel en en occupant des cases. Les fermions ont un spin de 1/2.
Les bosons obéissent à la statistique de Bose-Einstein qui, non seulement n’a pas cette restriction mais au contraire, pour les photons en tout cas, sont plutôt grégaires. Les bosons ont un spin entier. On a donc affaire à deux phénoménologies très différentes.
Énergie, masse et inertie
Une particule d’énergie nulle possède elle une existence physique ? Pour cela il faudrait qu’elle puisse interagir avec d’autres particules, ce qui ne semble pas possible. Par ailleurs son énergie serait parfaitement déterminée ce qui est contraire aux lois de la mécanique quantique.
Donc toutes les particules physiques ont une énergie non nulle qu’elles aient une masse ou non.
Lorsque la masse est nulle, pour avoir une énergie, elle doit se propager à la vitesse de la lumière dans le référentiel où elle est observée, quel qu’il soit, ce dernier point étant indispensable conceptuellement pour qu’elle conserve son caractère (ce que les équations de la relativité confirment). Seule la fréquence observée d’un photon (donc son énergie) dépend du référentiel de mesure. Pour eux, l’énergie cinétique est décrite par une modification de la fréquence, à vitesse relative constante, à la différence de ce qui se passe pour la matière..
Une caractéristique de la matière est qu’elle possède une inertie, expliquée par son couplage avec le champ de Higgs, mais qui est conceptuellement fondamentale pour obtenir une physique raisonnable. Par exemple, dans un choc entre 2 objets matériels, sans cette inertie et les lois afférentes, quel serait le phénomène après le choc ? La matière aurait un comportement aberrant !
Par ailleurs cette inertie et cette masse non nulle interdisent à la matière d’atteindre une vitesse, mesurée dans un référentiel quelconque, égale à celle de la lumière. On parle souvent de masse au repos, mais en fait la masse est un invariant en relativité. Il faut plutôt parler d’énergie au repos qui est alors considérée comme l’énergie potentielle minimale de la matière à laquelle une énergie de type cinétique peut s’ajouter si la particule est animée d’un mouvement par rapport au référentiel de mesure. L’énergie au repos est un paramètre des différentes particules élémentaires. Elle ne se déduit pas des lois de la physique, on les mesure, mais rien ne permet de les prédire : On dit que c’est un paramètre libre! Cette particularité n’est pas comprise et donne la migraine à bien des physiciens…
Si l’existence physique de la matière est soumise aux interactions forte et faible, et accessoirement électromagnétique si elle est chargée, on peut se demander pourquoi, la nature en un lieu donné choisit cette solution plutôt que du rayonnement. Le principe anthropique dit que si ce n’était pas le cas nous ne serions pas là pour en parler, mais c’est un argument à posteriori.