La question de la nature de la matière remonte à l’Antiquité. On considère souvent que ce sont les penseurs de la Grèce antique qui, les premiers, ont tenté d’en proposer une description rationnelle. Cette introduction n’a pas vocation à détailler l’ensemble des doctrines développées par les philosophes grecs, mais à mettre en lumière l’émergence d’une idée fondamentale : celle de l’atome, formulée par Leucippe et surtout par son disciple Démocrite. Leur vision du monde repose sur l’existence d’unités indivisibles, éternelles et invisibles : les atomes, qui composeraient toute chose.
Cependant, cette conception atomiste a été largement éclipsée pendant près de deux millénaires par la pensée d’Aristote, dont l’influence sur la philosophie naturelle fut prépondérante jusqu’à l’époque moderne. Pour Aristote, la matière était formée de quatre éléments fondamentaux : la terre, l’eau, l’air et le feu. Cette théorie, bien qu’intuitive et accessible, ne reposait sur aucune expérimentation, mais sur une logique qualitative et téléologique. Elle dominera la pensée occidentale jusqu’à ce que la science moderne commence à se développer.
Il faut attendre les 16ème et 17èmes siècles, avec la redécouverte de l’observation rigoureuse et la formalisation mathématique des lois naturelles, pour que naisse un véritable esprit scientifique. Des figures comme Copernic, Galilée, puis Newton vont profondément bouleverser notre rapport à la nature, en mettant en avant la possibilité de décrire le monde de manière précise, expérimentale et prévisible. C’est dans ce contexte que la question de la constitution de la matière va être progressivement réexaminée.
Au 17ème siècle, le débat philosophique entre Gassendi, défenseur d’un atomisme modernisé, et Descartes, partisan d’une matière continue et mécaniste, illustre la tension intellectuelle entre tradition et renouvellement. Ces oppositions ne relèvent pas seulement de divergences métaphysiques : elles traduisent des conceptions différentes de ce que peut être une explication scientifique.
Notre démarche ici, comme dans tout le reste de ce parcours historique vers le modèle standard, n’a pas pour ambition d’être exhaustive, ce qui serait illusoire. Elle consiste plutôt à faire émerger quelques jalons significatifs, théoriques ou expérimentaux, qui ont contribué à façonner progressivement notre compréhension moderne de la matière. Il y a nécessairement un parti pris dans les choix opérés, mais celui-ci vise à éclairer le fil conducteur qui relie ces idées fondatrices aux découvertes contemporaines.
La matière dans la civilisation grecque (4ème siècle avant J. C.)
Les premières tentatives d’explication rationnelle de la nature remontent au 6ème siècle avant J.-C., avec les débuts de la philosophie grecque. Les penseurs de cette époque cherchent à comprendre les phénomènes naturels non plus par des récits mythologiques, mais à travers des raisonnements fondés sur l’observation. Cette démarche marque la naissance de ce que l’on appellera plus tard la philosophie naturelle, ancêtre de la physique moderne.
Parmi les grandes interrogations figure celle de la transformation de la matière : comment expliquer que l’eau s’évapore, que certaines substances brûlent, ou que les corps se transforment ? Thalès de Milet, au 6ème siècle avant J.-C., propose que l’eau constitue le principe premier de toute chose. Il part du constat que « l’humide est l’aliment de tous les êtres » et affirme : « l’Univers est supporté par l’eau ». Pour lui, l’eau engendre tous les autres éléments : par évaporation, elle devient air, puis feu ; condensée, elle donne naissance à la terre.
Cette idée qu’à l’origine de toute chose figure un principe unique, ou un petit nombre de principes, sera développée par d’autres philosophes : Anaximandre avec l’apeiron (le principe indéfini), Héraclite avec le feu, ou encore Parménide, qui soutient que « l’être est, et le non-être n’est pas ». Tous rejettent l’idée du vide : pour eux, l’univers est plein, sans discontinuité.
C’est à Leucippe de Milet et à son disciple Démocrite d’Abdère, au 5ème siècle avant J.-C., que l’on attribue la première formulation de la théorie atomiste. Ils avancent que le monde est constitué d’atomes (du grec atomos, « insécable ») et de vide. Seuls ces deux éléments, les atomes et le vide, ont une réalité véritable, « le reste n’est qu’apparence ». Les atomes, en nombre infini, de formes et de tailles variées, sont invisibles parce que trop petits pour nos sens. Ils s’unissent, se combinent, se séparent, se recombinent, donnant naissance aux objets et aux transformations du monde. Le vide est ce non-être dans lequel les atomes se meuvent librement. Une telle conception préfigure, de manière étonnante, certaines intuitions de la physique du 19ème siècle.
Ces thèses seront reprises par Épicure, puis par Lucrèce, dont le poème De natura rerum transmettra au monde latin une version épicurienne de l’atomisme. Mais elles resteront marginales dans la pensée antique, éclipsées par une autre vision, développée notamment par Empédocle, Platon et Aristote.
Vers 460 avant J.-C., Empédocle propose que la matière est composée de quatre éléments fondamentaux (terre, eau, air, feu) et rejette l’existence du vide. Dans un fragment célèbre, il écrit :« Connais premièrement la quadruple racine de toute chose : Zeus aux feux lumineux, Héra mère de toute vie, et puis Hadès et Perséphone, aux pleurs dont les mortels s’abreuvent. ». Ces divinités sont associées aux quatre éléments : Zeus au feu, Perséphone à l’eau. Selon les interprétations, Héra est associée soit à l’air, soit à la terre, et Hadès à l’un des deux éléments restants.
Dans le Timée (vers 360 av. J.-C.), Platon reprend la théorie des quatre éléments d’Empédocle, en leur attribuant une forme géométrique précise parmi les solides réguliers : le feu est composé de tétraèdres, l’air d’octaèdres, l’eau d’icosaèdres, et la terre de cubes. L’assemblage continu de ces polyèdres ne laisse aucune place au vide. Cette conception permet à Platon d’interpréter certains phénomènes physiques : états de la matière, transformations comme la fusion ou l’évaporation, etc. Il s’agit d’une étape importante vers une vision ordonnée et géométrique de la matière.
Aristote (384–322 av. J.-C.), élève de Platon, systématise cette pensée dans son ouvrage La Physique. Il y aborde les fondements de la nature, le mouvement, le lieu, le temps, et discute également la notion de vide. Il la rejette fermement : « Pas une seule chose ne peut être en mouvement si le vide existe. En effet dans le vide il y a nécessairement repos, car il n’est rien vers quoi un mouvement se fera plus ou moins volontiers, car, en tant que vide, il ne possède pas de différence. »
Comme ses prédécesseurs, Aristote considère que les objets terrestres sont constitués des quatre éléments d’Empédocle, auxquels il ajoute un cinquième élément céleste, l’éther, qui composerait les corps célestes. Il définit la matière comme continue, « ce qui est divisible en parties toujours divisibles ». Pour expliquer les propriétés des corps, comme leur densité, leur chaleur ou leur volatilité, il propose qu’ils soient constitués de proportions variables de ces quatre éléments.
Ainsi, durant toute l’Antiquité et jusqu’au Moyen Âge, c’est cette conception qualitative de continuité de la matière et sans vide, héritée d’Aristote, qui dominera la pensée occidentale. Le modèle atomiste de Démocrite, bien qu’audacieux et remarquablement en avance, restera dans l’ombre, en partie à cause de son caractère spéculatif et de son incompatibilité avec une cosmologie inspirée par les croyances religieuses.
La naissance de l’esprit scientifique moderne (16ème / 17ème siècle)
Il est toujours frappant de constater qu’entre la Grèce antique et la Renaissance, il y a eu très peu d’évolution dans la manière d’essayer de comprendre le monde. Hormis Lucrèce, au Ier siècle avant J.-C., qui reprend les idées atomistes de Démocrite dans son poème De rerum natura (De la nature des choses), il n’existe pratiquement aucun développement notable autour de la nature de la matière durant plus de mille ans.
Pendant tout le Moyen Âge, la pensée d’Aristote, notamment sa conception de la matière comme composée de quatre éléments fondamentaux (terre, eau, air, feu), demeure dominante. Le peu de vie intellectuelle qui subsiste est cantonnée aux monastères, et les questionnements philosophiques sont alors intégrés dans le dogme chrétien. Toute tentative d’explication indépendante du monde est ainsi étouffée : la pensée aristotélicienne devient dogmatique, ce qui interdit tout débat sur la nature réelle de la matière.
Il faudra attendre le 16ème siècle, et surtout le 17ème siècle, pour que quelques esprits, que l’on peut qualifier de scientifiques, remettent en cause ces dogmes, notamment à propos du monde supra-lunaire, celui des astres et des planètes. Ce sont les questionnements sur le mouvement des planètes dans le système solaire qui initient cette première révolution scientifique. Des noms majeurs comme Copernic, Kepler, Galilée marquent l’avènement d’une nouvelle manière d’aborder la physique : une démarche fondée sur des théories mathématiques confrontées à des observations précises du réel.
L’année 1543, date de publication du Traité sur les révolutions des orbes célestes de Nicolas Copernic, est souvent considérée comme l’année de naissance de la physique moderne. Copernic propose l’idée révolutionnaire que la Terre est en mouvement. Ce renversement du modèle géocentrique remet en question la nature du mouvement des astres et de la Terre elle-même. Au cosmos clos hérité de l’Antiquité, Copernic substitue un Univers potentiellement infini, avec une description mathématique des mouvements planétaires où le Soleil occupe une place centrale.
L’acceptation de ces idées coperniciennes se fera lentement, au fil du travail de plusieurs astronomes comme Giordano Bruno, Tycho Brahé, Johannes Kepler ou Galilée. Il fallait un peu plus que l’idée lumineuse de Copernic pour remettre en cause plus de 1 000 ans de dogme religieux. Pour illustrer la persistance de la vision antique jusqu’à la fin du 16ème siècle, prenons l’exemple de Kepler. Dans Mysterium Cosmographicum (1596), il tente de justifier le nombre et la position des planètes par un modèle géométrique fondé sur les cinq solides platoniciens : l’octaèdre, l’icosaèdre, le dodécaèdre, le tétraèdre et le cube. En intercalant ces solides entre les six planètes connues (Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne), Kepler pense expliquer leur agencement et leur distance au Soleil. Cette théorie permettait selon lui de concilier la vision copernicienne avec une conception divine et ordonnée de l’Univers.
En 1623, Galilée expose dans Il Saggiatore (L’Essayeur) une conception fondamentale de la science moderne : « La philosophie est écrite dans ce livre immense qui se tient continuellement ouvert devant nos yeux (je veux dire l’Univers), mais qui ne peut se comprendre que si l’on a préalablement appris à en comprendre la langue et à en connaître les caractères employés pour l’écrire. Ce livre est écrit dans la langue mathématique et ses caractères sont les triangles, les cercles ou tout autre forme géométrique sans lesquelles il est impossible de comprendre un seul mot, sans lesquelles on erre en vain en un labyrinthe obscur ». Ce passage montre l’importance que Galilée accorde à la mathématisation de la nature. Pour lui, comprendre le monde revient à en saisir la structure géométrique, à exprimer les phénomènes naturels sous forme de relations mesurables et quantifiables. Une telle conception était profondément novatrice : au début du 17ème siècle, la science ne disposait encore que de très peu de lois réellement formulées sous forme mathématique.
Certes, depuis l’Antiquité, Archimède avait montré que des principes physiques pouvaient être exprimés numériquement, comme dans la loi de la poussée d’un fluide sur un corps immergé. À la Renaissance, Copernic et surtout Kepler avaient introduit une description géométrique du mouvement des planètes, mais il s’agissait encore de relations empiriques, sans véritable principe dynamique sous-jacent. Les lois de la chute des corps ou de la trajectoire des projectiles, les lois de l’inertie ou de la gravitation universelle restaient inconnues. La physique demeurait dominée par les spéculations qualitatives héritées d’Aristote, selon lesquelles chaque corps avait une « place naturelle » et un mouvement propre à sa nature.
En affirmant que la nature « parle le langage des mathématiques », Galilée rompt donc avec cette tradition spéculative : il invite à chercher dans les mesures, les rapports et les équations la clé des lois universelles. Même si, à son époque, les instruments de mesure restaient rudimentaires et les exemples de lois quantitatives rares, sa formulation prophétique posait les bases de la science moderne : une science fondée sur l’expérience, la mesure, et la traduction mathématique des phénomènes.
Le point culminant de cette révolution scientifique est la publication, en 1687, des « Principia Mathematica » d’Isaac Newton. Il y formalise les notions de masse, de force et de quantité de mouvement, et surtout, il énonce la loi universelle de la gravitation. Il y a deux aspects majeurs dans cet ouvrage, tout d’abord, il propose une définition opératoire de la masse (au travers du poids), définition sur laquelle on reviendra dans la partie relative à la découverte des particules élémentaires. Et surtout, il affirme que les lois de la nature sont universelles : elles s’appliquent aussi bien sur Terre que dans le monde céleste.
C’est cette unification qui permet de relier les lois empiriques de Kepler sur le mouvement des planètes à une loi fondamentale exprimable par une formule mathématique simple. L’idée que les lois physiques soient valables partout dans l’Univers paraît aujourd’hui évidente, mais elle constitue une hypothèse fondamentale en physique. Cette rupture intellectuelle avait en réalité été amorcée bien avant Newton, dès le milieu du 15ème siècle, par le théologien et philosophe allemand Nicolas de Cues. Dans son traité De docta ignorantia (1440), il remet en question la conception géocentrique héritée d’Aristote et de Ptolémée. Pour lui, la Terre ne peut être le centre du monde : elle est un astre parmi d’autres, en mouvement, dans un univers sans centre ni frontière.
Cette intuition, encore formulée dans le langage métaphysique de la théologie, préfigure une idée essentielle de la science moderne : l’unité du cosmos. Nicolas de Cues affirme que la nature tout entière obéit à des principes communs, qu’il s’agisse du mouvement des planètes ou des phénomènes terrestres. En refusant la séparation entre le « monde supra lunaire », parfait et immuable, et le « monde sublunaire », corruptible et imparfait, il ouvre la voie à la conception d’un univers homogène, infini et régi par des lois universelles. Ce renversement de perspective, à la fois philosophique et théologique, prépare la révolution copernicienne du 16ème siècle et trouve son aboutissement dans la physique newtonienne. Avec Newton, cette intuition métaphysique devient une loi quantitative : la gravitation universelle exprime enfin, sous forme mathématique, l’unité du ciel et de la Terre que Nicolas de Cues avait pressentie deux siècles plus tôt.
Cette période marque une transformation décisive des méthodes scientifiques, posant les fondations de la physique moderne. Elle s’articule autour de quatre évolutions fondamentales, qui redéfinissent la manière dont les phénomènes naturels sont observés, analysés et compris :
- L’observation précise des phénomènes, rendue possible par des instruments toujours plus sophistiqués (l’amélioration des lunettes astronomiques a permis d’affiner la description du mouvement des astres, les balances de précision ont favorisé les progrès de la chimie (notamment avec Lavoisier), la cristallographie s’est développée avec l’apparition des microscopes, les réseaux de diffraction ont permis la naissance de la spectroscopie, les thermomètres précis ont rendu possible l’étude fine de la chaleur, …).
- La formulation de lois mathématiques : les travaux de Newton marquent l’apogée de ce mouvement, mais il sera prolongé par Euler, Lagrange, et tant d’autres après eux. Cette formulation des lois en langage mathématique est importante en physique classique, elle l’est encore plus en physique moderne, où les mathématiques ne sont plus seulement un outil externe de description des phénomènes, mais peuvent être considérés comme l’essence même des phénomènes. On pourra se référer sur ce point au chapitre sur « le nouvel esprit scientifique » de Gaston Bachelard.
- L’hypothèse que les lois de la nature sont universelles, sans distinction entre le ciel et la terre est un principe fondateur de toute la physique, y compris de la physique des particules et de la cosmologie moderne. Faire de la science physique suppose que les lois soient invariantes dans le temps et dans l’espace. C’est ce postulat qui rend possible la compréhension des premiers instants de l’Univers, en établissant un lien entre le modèle standard de la physique des particules et celui de la cosmologie.
- La conscience naissante du domaine de validité des théories : Galilée, Newton et leurs successeurs étaient déjà conscients que les lois n’étaient pas absolues. En particulier, une loi physique ne s’applique pas nécessairement à toutes les échelles. Les lois classiques restent valables à notre échelle, mais ne s’appliquent plus à l’échelle atomique ou subatomique. Ce point sera fondamental dans le cadre de la physique quantique.
Ce nouvel esprit scientifique constitue donc le socle nécessaire pour questionner la matière, non plus à travers quatre éléments, mais au moyen d’expérimentations rigoureuses, de modèles mathématiques reproductibles et de la recherche de preuves directes.
Le débat philosophique Gassendi / Descartes (17ème siècle)
Dans le domaine spécifique de la compréhension de la matière, il faut attendre le 17ème siècle pour que le débat sur sa constitution ressurgisse avec vigueur, mêlant réflexions philosophiques et scientifiques. Durant les 17ème et 18ième siècles, de nombreux penseurs, philosophes comme scientifiques, se penchent à nouveau sur la question de ce qu’est réellement la matière.
Pour introduire ce débat, citons le philosophe danois Harald Höffding, qui, dans son Histoire de la philosophie moderne (1906), écrit :« Que fallait-il pour que le matérialisme, ou tout au moins sa méthode scientifique reparût dans le monde ? L’évanouissement progressif de l’ignorance et de la barbarie du Moyen Âge chrétien, la fin des vaines disputes de mots, la renaissance des sciences… Du XVe siècle au milieu du XVIIe siècle, Lange discerne quatre moments du réveil de l’esprit humain. […] Enfin, dans la quatrième, la philosophie règne et domine sur le monde par Bacon et par Descartes, tandis que le matérialisme proprement dit, le matérialisme de Démocrite, d’Épicure et de Lucrèce, se reprend à vivre chez Gassendi et chez Hobbes… Nul doute, en tout cas, que l’atomisme actuel ne soit sorti des idées de Gassendi et de Descartes, et partant ne plonge par ses racines jusqu’à Leucippe et à Démocrite. »
Le renouveau du matérialisme et de l’atomisme ancien s’inscrit donc dans ce vaste mouvement intellectuel de la Renaissance et des débuts de la science moderne. Pierre Gassendi, philosophe, mathématicien et astronome français, est le principal artisan du retour de l’atomisme dans la pensée occidentale. Connu pour ses observations astronomiques, il est aussi le premier à défendre simultanément l’idée d’atome et celle de vide, renouant explicitement avec les thèses de Démocrite.
À partir de 1645, Gassendi enseigne les doctrines d’Épicure et de Lucrèce au Collège Royal. Il synthétise ces idées dans son traité Animadversiones, publié en 1649, après près de quinze années de défense de l’atomisme. Höffding résume ainsi la pensée de Gassendi : « Partant du fait que rien ne peut se transformer en rien ou se former de rien, il démontre que pour que le changement puisse s’expliquer, il faut que ce quelque chose, qui subsiste sous tous les changements — c’est-à-dire la matière — soit une multiplicité d’éléments solides et indivisibles, c’est-à-dire d’atomes. […] Tous les changements de la nature doivent être expliqués par les mouvements des atomes : toutes les causes sont des causes mécaniques. Entre les atomes se trouve un espace vide, sans quoi leur mouvement ne serait pas possible. » L’atomisme défendu par Gassendi suppose donc : des particules élémentaires, solides et indivisible, l’existence d’un vide entre elles pour permettre leur mouvement et une explication mécanique de tous les phénomènes naturels. C’est une position fondamentalement empiriste et physique, bien qu’elle reste, à cette époque, de l’ordre de la spéculation philosophique.
À l’inverse, René Descartes, en héritier partiel d’Aristote, rejette l’idée d’éléments insécables. Pour lui, la matière est continue et divisible à l’infini. Dans Les Météores (1637), il écrit : « Je suppose premièrement que l’eau, la terre, l’air et tous les autres tels corps qui nous environnent sont composés de plusieurs parties de diverses figures et diverses grosseurs… » Il nie donc l’existence d’un niveau fondamental de la matière, constitué de particules élémentaires. De plus, Descartes rejette catégoriquement l’idée de vide. Dans Les Principes de la philosophie (1644), il affirme : « Il n’est pas possible que ce qui n’est rien ait de l’extension. »
À ses yeux, l’espace est nécessairement plein de matière, y compris dans les régions apparemment vides. Il postule l’existence d’une matière subtile, analogue à l’éther des physiciens ultérieurs. Ses « corpuscules », qu’il imagine comme des particules de formes géométriques variées, sont bien des entités matérielles, mais toujours divisibles, et donc non atomiques au sens strict.
 Pierre Gassendi |
 René Descartes |
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Le conflit intellectuel entre Gassendi et Descartes éclate véritablement en 1641, à la publication des Méditations métaphysiques. Gassendi critique le rationalisme déductif de Descartes, qu’il oppose à une approche empirique, fondée sur la perception et l’expérience. Là où Descartes construit ses idées à partir de principes premiers de raison, Gassendi affirme que nos connaissances viennent de l’observation sensible, et que les hypothèses sur la matière doivent rester ancrées dans l’expérience. Le débat dépasse la seule question de la structure de la matière : il cristallise deux conceptions opposées de la connaissance scientifique.
À l’époque, ces idées relèvent encore davantage de la philosophie spéculative que de la science expérimentale. Aucune donnée empirique ne permet encore de trancher entre l’atomisme de Gassendi et la continuité cartésienne. Pourtant, ce débat va jouer un rôle décisif dans la réhabilitation de l’atomisme antique. Il permet de remettre en circulation les idées de Démocrite, Épicure, et Lucrèce, jusqu’alors largement marginalisées. Comme le rappelle Höffding : « Hobbes, matérialiste, ami de Gassendi, était partisan de la théorie corpusculaire de Descartes, alors que Newton se représentait les atomes à la manière de Gassendi. Plus tard, les deux théories se confondirent, et, après un développement parallèle, les concepts d’atomes et de molécules en sont venus à coexister. » Ainsi, même si la réputation postérieure de Descartes a éclipsé celle de Gassendi, il ne fait guère de doute que l’atomisme moderne puise aux deux sources. La rencontre parfois conflictuelle entre ces deux traditions (l’une empirique, l’autre déductive) marque le point de départ d’une longue maturation du concept d’atome, qui ne prendra véritablement une forme scientifique qu’avec la chimie de Lavoisier et les travaux de Dalton au 19ème siècle.
Conclusion
À l’issue de ce parcours, une idée essentielle se dégage : pendant plus de deux millénaires, la question de la nature de la matière est restée largement spéculative. Les intuitions de Démocrite et de Leucippe, aussi remarquables soient-elles, ne reposaient sur aucune validation expérimentale, tandis que la conception continue de la matière héritée d’Aristote dominait en raison de sa cohérence philosophique plus que de sa pertinence physique.
Le tournant du 16ème et du 17ème siècle introduit une rupture méthodologique décisive : la nature cesse d’être interprétée uniquement à travers des systèmes philosophiques pour devenir un objet d’étude fondé sur l’observation, l’expérimentation et la formalisation mathématique. Pourtant, malgré ces progrès considérables, la structure intime de la matière demeure encore inaccessible. Les débats entre Pierre Gassendi et René Descartes illustrent bien cette situation : l’atomisme réapparaît, mais sans preuve expérimentale décisive, et reste en concurrence avec des modèles continus.
Ce n’est qu’à partir de la fin du 18ème siècle et surtout au 19ème siècle que la question va changer de nature. Grâce aux progrès de la chimie, avec des figures comme Antoine Lavoisier et John Dalton, à l’émergence de la théorie cinétique des gaz, et aux premières études de la structure des solides par la cristallographie, l’hypothèse atomique va progressivement quitter le domaine de la spéculation pour entrer dans celui de la science expérimentale.
L’histoire de la matière entre alors dans une nouvelle phase : celle où les entités invisibles deviennent mesurables, quantifiables, et finalement démontrables. C’est cette transition, du concept philosophique à la réalité physique, que nous allons explorer dans les articles suivants.