Lorsqu’une bûche brûle, il ne reste qu’un peu de cendre. La matière semble s’être évaporée. La chimie révèle ce qu’elle devient, tandis que la physique nucléaire oblige à nuancer l’idée de conservation.
Le mystère d’une bûche consumée
Imaginons une bûche placée dans une cheminée. Au départ, nous avons plusieurs kilogrammes de bois. Après la combustion, une poignée de cendres. Une grande partie de la matière paraît s’être volatilisée.
Cette impression tient surtout à ce que nous voyons. Le bois contient des substances riches en carbone, en hydrogène et en oxygène. Pendant la combustion, leurs atomes réagissent avec l’oxygène de l’air. Il se forme notamment du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau, qui se dispersent dans l’atmosphère. D’autres produits demeurent dans les cendres ou sont emportés par les fumées.
Pour comprendre le bilan, il faudrait mesurer non seulement le bois, mais aussi l’oxygène consommé, puis recueillir l’ensemble des produits obtenus. Dans un système fermé, la masse totale resterait pratiquement inchangée.
La matière ne s’est pas simplement évanouie : elle a pris d’autres formes, dont la plupart ne sont plus visibles à l’œil nu.
Des atomes qui changent de partenaires
La conservation de la matière est un principe fondamental de la chimie ordinaire. Lors d’une réaction, les atomes sont réorganisés pour former de nouvelles substances.
Prenons la formation de l’eau à partir du dihydrogène et du dioxygène :
2 H2 + O2 → 2 H2O
Avant la réaction, il y a quatre atomes d’hydrogène et deux atomes d’oxygène. Après, nous retrouvons le même nombre d’atomes de chaque élément, assemblés en deux molécules d’eau.
La transformation peut être spectaculaire sans qu’aucun de ces atomes ne disparaisse. L’eau n’a pas les propriétés des gaz qui ont servi à la produire : une structure nouvelle suffit à faire apparaître un comportement nouveau.
C’est ce que l’on apprend dans les premières leçons de chimie. Mais cette règle ne raconte pas toute l’histoire de la matière.
Dans le Soleil, le bilan change
Au cœur du Soleil, les réactions dominantes ne consistent pas à recombiner des électrons autour de noyaux inchangés. Elles modifient les noyaux atomiques eux-mêmes. Une suite de réactions de fusion transforme, au total, de l’hydrogène en hélium.
La somme des masses au repos des produits finaux est légèrement inférieure à celle des constituants initiaux. Cette différence correspond à de l’énergie libérée. La relation E = mc2, issue de la relativité, permet de comprendre pourquoi une petite différence de masse peut représenter une quantité considérable d’énergie.
La lumière du Soleil est ainsi liée à des transformations nucléaires. Dans ces processus, la masse au repos n’est pas conservée séparément de l’énergie : il faut raisonner sur le bilan énergétique complet du système.
Il serait donc incorrect d’appliquer sans nuance la conservation de la masse de la chimie à toutes les situations de la physique fondamentale.
Quand matière et antimatière se rencontrent
Le cas de l’antimatière pousse encore plus loin cette distinction. L’électron possède une antiparticule, le positron, dont la charge électrique est opposée.
Lorsqu’un électron et un positron s’annihilent, ils peuvent produire des photons. Les deux particules initiales ne figurent plus parmi les produits de la réaction. Pourtant, l’énergie, la quantité de mouvement et les autres grandeurs conservées sont prises en compte dans le bilan.
Ce phénomène n’équivaut pas à une disparition de toute réalité physique. C’est une transformation dans laquelle la forme initiale de la matière n’existe plus, mais où les lois de conservation continuent de s’appliquer.
Il faut aussi distinguer la masse au repos d’une particule de l’énergie qu’elle transporte : un photon n’a pas de masse au repos, mais il possède bien de l’énergie.
« Disparaître » dépend de ce que l’on observe
Une bûche devient des gaz et des cendres. Une molécule se décompose. Un noyau peut être transformé. Une paire de particules peut s’annihiler.
Dans le langage courant, nous disons volontiers que quelque chose a disparu dès lors que nous ne le reconnaissons plus. La science exige une description plus précise : qu’est-ce qui a changé, et quelles grandeurs restent conservées ?
La réponse varie selon le phénomène étudié. En chimie, les atomes sont généralement réorganisés. En physique nucléaire et en physique des particules, les transformations touchent une échelle plus fondamentale.
La matière n’est pas toujours conservée sous la même forme. Comprendre une disparition apparente, c’est d’abord identifier la transformation qui l’a produite.
Références scientifiques
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