Touchons-nous vraiment les objets ? Ce que la physique et le cerveau nous révèlent sur le toucher
Posez votre main sur une table.
La sensation semble incontestable : votre main touche la table. Vous sentez sa dureté, sa texture, sa température et la pression qu’elle exerce contre vos doigts.
Pourtant, lorsqu’on descend à l’échelle des atomes, cette notion de « contact » devient beaucoup plus étrange.
Les atomes de votre main ne viennent pas simplement s’écraser contre ceux de la table comme deux petites billes solides. À l’échelle quantique, ce que nous appelons le contact résulte principalement d’interactions électromagnétiques et des propriétés quantiques des électrons.
Et ce que vous ressentez finalement comme un contact n’est pas la table elle-même qui entre dans votre cerveau.
C’est une information électrochimique produite par votre système nerveux.
Alors, touchons-nous réellement les objets ?
La réponse dépend de ce que nous entendons par « toucher ».
Tout commence avec les atomes
Votre main, la table, votre téléphone, une pierre et pratiquement toute la matière ordinaire qui nous entoure sont constitués d’atomes.
Un atome possède un noyau contenant des protons et des neutrons, entouré d’un nuage électronique décrit par la mécanique quantique.
Et c’est ici qu’apparaît une première surprise.
À notre échelle, une table semble parfaitement compacte. Mais la structure de la matière à l’échelle atomique ne ressemble absolument pas à cette surface solide que nous percevons.
Le noyau est extrêmement petit comparativement à l’étendue du nuage électronique.
La sensation de solidité ne vient donc pas simplement de minuscules sphères pleines empilées les unes contre les autres.
Elle émerge des interactions entre les constituants de la matière.
Que se passe-t-il lorsque votre doigt approche de la table ?
Lorsque votre doigt descend vers une table, les atomes de votre peau se rapprochent progressivement de ceux de sa surface.
Les nuages électroniques commencent alors à interagir.
Les électrons possèdent tous une charge électrique négative. Les interactions électromagnétiques deviennent donc extrêmement importantes lorsque les distributions électroniques des deux matériaux se rapprochent.
Mais il existe également un phénomène quantique fondamental : le principe d’exclusion de Pauli.
Les électrons sont des fermions. Ils ne peuvent pas tous occuper exactement le même état quantique.
Lorsque les nuages électroniques de deux morceaux de matière commencent à se chevaucher fortement, les propriétés quantiques des électrons contribuent donc elles aussi à une résistance très importante à la compression.
C’est cette combinaison de phénomènes qui explique une grande partie de ce que nous percevons comme la solidité de la matière.
Votre main ne traverse donc pas la table
Imaginez que vous appuyez plus fort.
Votre main exerce une force sur la table.
La table exerce simultanément une force sur votre main.
À notre échelle, nous disons simplement :
« ma main est en contact avec la table ».
Et cette description est parfaitement correcte en physique macroscopique.
Mais à l’échelle microscopique, le phénomène correspond à des interactions entre les structures électroniques et les atomes des deux matériaux.
Autrement dit, vous n’avez pas besoin que deux noyaux atomiques se rencontrent directement pour ressentir une surface.
Bien avant cela, les interactions électromagnétiques et quantiques produisent les forces que nous appelons forces de contact.
Alors, est-il vrai que nous ne touchons « jamais » rien ?
Cette phrase est séduisante, mais elle mérite une nuance.
On entend parfois :
« Les atomes ne se touchent jamais, donc nous ne touchons jamais réellement les objets. »
Tout dépend de la définition du mot toucher.
Si toucher signifie que deux objets macroscopiques exercent des forces l’un sur l’autre à leur interface, alors oui, nous touchons réellement les objets.
Si l’on imagine plutôt le toucher comme deux petites surfaces parfaitement rigides qui doivent entrer en contact géométrique, la réalité atomique est beaucoup plus complexe.
Les atomes ne sont pas de minuscules boules dures possédant des frontières parfaitement définies.
Il est donc plus exact de dire que ce que nous appelons le contact est lui-même un phénomène électromagnétique et quantique.
Et cette réalité est encore plus fascinante que l’idée selon laquelle nous ne toucherions rien.
Mais comment cette interaction devient-elle une sensation ?
Nous arrivons maintenant à la deuxième moitié du phénomène.
Une interaction physique se produit entre votre doigt et la table.
Mais comment devient-elle cette sensation consciente de pression que vous ressentez ?
La réponse se trouve dans votre peau.
Notre peau contient différents récepteurs sensoriels capables de répondre à des déformations mécaniques, des vibrations, des changements de température et d’autres stimuli.
Lorsque vous appuyez votre doigt contre la table, votre peau se déforme légèrement.
Cette déformation agit sur des mécanorécepteurs.
Ils convertissent alors une stimulation mécanique en signal électrochimique.
Cette transformation porte un nom important :
la transduction sensorielle.
De la matière vers l’électricité biologique
On peut résumer le début du processus ainsi :
table
↓
interaction physique avec la peau
↓
déformation des tissus
↓
activation des récepteurs sensoriels
↓
modification de l’activité électrique des neurones
Nous venons donc de transformer une interaction mécanique en information nerveuse.
Cette information peut ensuite être transmise vers le système nerveux central.
Le signal voyage jusqu’au cerveau
Les neurones utilisent notamment des phénomènes électriques appelés potentiels d’action pour transmettre de l’information.
Ces signaux dépendent de mouvements contrôlés d’ions à travers les membranes cellulaires.
L’information provenant de votre doigt emprunte des nerfs périphériques, passe par la moelle épinière et atteint différentes régions du cerveau impliquées dans le traitement sensoriel.
Votre cerveau peut alors déterminer de nombreuses caractéristiques :
où se trouve le contact ?
quelle est son intensité ?
la surface est-elle lisse ou rugueuse ?
y a-t-il une vibration ?
la sensation change-t-elle dans le temps ?
À partir de l’activité de populations de neurones, votre système nerveux construit ce que vous vivez consciemment comme le toucher.
Vous ne ressentez donc pas directement la table
Cette distinction est fascinante.
La table reste à l’extérieur de votre organisme.
Ce qui atteint votre cerveau, ce ne sont pas les atomes de la table.
Ce sont des signaux nerveux résultant de l’interaction entre votre corps et la table.
On peut représenter toute la chaîne :
atomes de la table
↓
interactions électromagnétiques et quantiques avec la matière de votre doigt
↓
déformation de la peau
↓
activation des récepteurs
↓
signaux électrochimiques dans les neurones
↓
traitement par le cerveau
↓
sensation consciente de toucher
Le cerveau ne reçoit donc jamais directement « la table ».
Il reçoit de l’information sur ce qui arrive à votre organisme.
Mais un signal électrique n’est pas encore une sensation
Dire que le toucher « n’est qu’un signal électrique » serait toutefois trop simplificateur.
Un potentiel d’action individuel ne contient pas à lui seul une petite sensation de table.
La perception dépend de l’organisation de l’activité de très nombreux neurones, des circuits activés, de leur fréquence de décharge, de leur localisation et de la manière dont différentes informations sont intégrées.
Le même principe apparaît avec nos autres sens.
Nos yeux transforment la lumière en activité nerveuse.
Nos oreilles transforment les vibrations mécaniques en activité nerveuse.
Notre peau transforme les pressions et vibrations en activité nerveuse.
Dans tous les cas, le cerveau reçoit des signaux biologiques et construit une perception à partir de ceux-ci.
Pourquoi une table nous semble-t-elle dure ?
Une table paraît dure parce qu’elle résiste fortement à la déformation lorsque nous exerçons une force sur elle.
Cette résistance est finalement liée aux interactions entre les atomes et les molécules qui constituent le matériau.
Votre peau, elle, se déforme sous cette résistance.
Les mécanorécepteurs détectent cette déformation et les forces correspondantes.
Le cerveau interprète ensuite l’ensemble des signaux.
La sensation de dureté est donc le résultat d’une chaîne allant de la physique de la matière jusqu’à la neurobiologie.
La texture est elle aussi reconstruite
Passez maintenant votre doigt sur une surface rugueuse.
Les minuscules irrégularités de la surface provoquent des variations de force et des vibrations dans votre peau.
Différents mécanorécepteurs répondent à ces variations.
Votre système nerveux analyse ensuite leur structure temporelle et spatiale.
Et vous obtenez finalement une sensation :
« cette surface est rugueuse ».
Encore une fois, la rugosité consciente n’est pas un objet qui voyage de la table jusqu’au cerveau.
C’est une perception construite à partir d’informations sensorielles.
Une expérience simple le démontre : le membre fantôme
Un phénomène neurologique spectaculaire permet de comprendre que sensation et contact physique ne sont pas exactement la même chose.
Certaines personnes ayant subi une amputation peuvent ressentir des sensations provenant d’un membre qui n’est plus présent.
C’est ce qu’on appelle un membre fantôme.
La personne peut parfois ressentir une pression, des démangeaisons, une position du membre ou malheureusement des douleurs.
Il n’y a pourtant aucun objet touchant physiquement la main absente.
Cela montre que notre expérience consciente du corps dépend fondamentalement de
l’activité du système nerveux et de la manière dont le cerveau représente le corps.
Et l’anesthésie nous montre l’inverse
Nous pouvons également observer le phénomène opposé.
Une interaction physique peut avoir lieu au niveau d’une région du corps, mais si la transmission ou le traitement du signal nerveux est suffisamment bloqué par une anesthésie, la sensation consciente peut être fortement réduite ou absente.
Cela révèle une distinction essentielle :
interaction physique ≠ sensation consciente.
Pour ressentir le toucher, il faut non seulement qu’un événement physique se produise, mais aussi que le système sensoriel puisse le détecter, transmettre l’information et que le cerveau puisse la traiter.
Le toucher est donc à la rencontre de deux mondes
Le toucher commence dans le monde de la physique.
Des atomes et des molécules interagissent.
Des forces apparaissent.
Les tissus se déforment.
Puis nous passons dans le monde de la biologie.
Des protéines sensibles aux forces modifient l’activité de cellules spécialisées.
Des neurones produisent des signaux électrochimiques.
Et finalement, nous arrivons dans le monde de la perception.
Le cerveau transforme ces informations en une expérience subjective :
« Je touche quelque chose. »
Une table est solide, mais notre expérience de sa solidité est construite
Il n’est donc pas nécessaire d’affirmer que la matière est une illusion.
La table existe réellement.
Les interactions physiques entre votre main et la table sont également réelles.
Les forces sont mesurables.
Les signaux nerveux sont mesurables.
Mais la sensation consciente de toucher est une représentation produite par notre système nerveux à partir de ces interactions.
C’est une distinction subtile mais extraordinaire.
Nous n’accédons pas au monde extérieur en faisant entrer directement ses objets dans notre cerveau.
Nous possédons des capteurs biologiques qui traduisent certaines propriétés du monde en langage neuronal.
Toucher, c’est finalement interpréter une interaction
Lorsque vous posez votre main sur une table, une chaîne extraordinaire se déroule en une fraction de seconde :
matière → interactions atomiques → forces → déformation de la peau → récepteurs sensoriels → activité électrique et chimique → cerveau → perception.
À notre échelle, nous appelons cela simplement toucher.
À l’échelle atomique, ce contact est le résultat d’interactions électromagnétiques et de propriétés quantiques de la matière.
Et à l’échelle neurologique, la sensation que nous éprouvons est une construction produite par notre cerveau à partir de signaux sensoriels.
La prochaine fois que vous poserez votre main sur une table, pensez-y :
ce que vous ressentez comme une surface solide est le résultat d’un dialogue entre les lois de la matière, les récepteurs de votre peau et l’activité de votre cerveau.
Un geste aussi banal que toucher un objet devient alors une rencontre fascinante entre physique quantique, électromagnétisme, biologie et conscience.
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