Ces quatre forces qui régissent notre Univers
Quatre forces régissent notre univers et permettent de rendre compte de tous les phénomènes qui s’y produisent : on les nomme les forces fondamentales. L’électromagnétisme, l’interaction faible et l’interaction forte sont toutes les trois décrites par le modèle standard de la physique des particules. La gravitation, quant à elle, est décrite dans le cadre de la relativité générale. Comment fonctionnent ces interactions et quelles sont leurs propriétés ? Nous allons y venir très vite. Mais avant, assurons-nous de partir sur de bonnes bases : toute la matière que nous connaissons est formée à partir de particules élémentaires de matière (des quarks et des leptons) qui sont au nombre de 12. Ces particules de matière interagissent entre elles et, pour qu’il y ait une interaction entre deux particules, il faut qu’un autre type de particule intervienne : les particules d’interaction. Ces particules d’interaction, on les appelle des bosons et ce sont elles qui sont en jeu dans les forces qui se manifestent au niveau de l’infiniment petit. L’interaction faible L’interaction faible (dite aussi force faible) est responsable de la radioactivité bêta, par laquelle un neutron se désintègre en un proton et un électron. C’est elle qui est à l’origine de la désintégration de certains noyaux radioactifs. C’est une interaction de contact. Deux particules ne peuvent interagir par elle que si elles sont très très proches, qu’elles se touchent quasiment. Alors que la gravitation opère sur une distance infinie, la force faible, elle, agit sur une distance qui n’excède pas un millième de la taille d’un proton. Les bosons qui médiatisent l’interaction faible sont au nombre de trois. On les appelle des “bosons intermédiaires” : W+, W– et Z0. Leur masse est importante, presque cent fois plus que celle d’un proton. On peut prendre deux exemples concrets qui témoignent de l’action de l’interaction faible : L’interaction nucléaire forte C’est celle des quatre forces qui a l’intensité la plus importante. L’interaction forte est responsable de la cohésion des noyaux atomiques et rend donc possible l’existence même de la matière telle que nous la connaissons. En effet, sans elle, les particules élémentaires partiraient dans tous les sens ! Il n’y aurait pas de noyaux atomiques, donc pas d’atomes, donc pas de matière ! Pour rappel, le noyau atomique est composé de protons et de neutrons, eux-mêmes composés de quarks. L’interaction forte, qui agit à courte portée, est celle qui “colle” les quarks entre eux et qui permet donc que les protons et les neutrons soient formés. A l’inverse des forces électromagnétique et gravitationnelle dont l’intensité diminue avec la distance, l’intensité de l’interaction forte augmente avec celle-ci. C’est une propriété très particulière qu’on appelle liberté asymptotique. Cela implique qu’il est impossible de séparer deux quarks, parce qu’il faudrait avoir une énergie infinie pour le faire. Il est donc également impossible d’observer un “quark libre”. L’interaction forte se manifeste par l’intermédiaire du boson du quark, le gluon. Il a une masse nulle et se déplace à la vitesse de la lumière. Il tient son nom du fait qu’il a un effet de “colle” entre les quarks, qu’il agit comme de la glue. La gravitation L’interaction gravitationnelle est certainement celle des quatre forces avec laquelle vous êtes le plus familier. C’est elle qui est responsable de la chute des corps, de la pesanteur, des marées, de la trajectoire des objets célestes, etc. Elle est « attractive » (même si le mot n’est pas techniquement adéquat, lire plus loin) et de portée infinie, et son intensité est beaucoup plus faible que celle des autres interactions. Dans la vision de la loi de la gravitation de Newton (1687), elle est une force attractive qui agit entre les corps massifs. Le modèle proposé par Newton fonctionne très bien et, jusqu’au XXe siècle, c’est de lui exclusivement que l’on s’est servi pour décrire le phénomène gravitationnel. C’est d’ailleurs celui-là qu’on nous apprend encore aujourd’hui à l’école. En 1915 toutefois, Einstein rentre en jeu et, dans le cadre de sa relativité générale, annonce que la gravitation n’est pas une force, mais une manifestation de la courbure de l’espace-temps. En réalité, les corps dotés d’une masse ne s’attirent pas (même si intuitivement c’est ce que nous croyons observer), mais ils « tombent » les uns vers les autres car l’espace qui les entoure est courbé, « tordu » par leurs masses, comme l’évoque l’image ci-dessous. Ce n’est dont pas un phénomène d’attraction qui est en jeu, mais une déformation de l’espace qui « déplace » des corps les uns vers les autres. Des quatre forces, la gravitation est la seule qui ne rentre pas dans le modèle standard de la physique des particules. La particule censée la transporter s’appelle le graviton, mais elle reste hypothétique puisqu’à ce jour elle n’a jamais été mise en évidence. L’interaction électromagnétique L’interaction électromagnétique régit tous les phénomènes électriques, lumineux et magnétiques. Elle peut être soit attractive, soit répulsive selon le signe des charges électriques en présence. Vous pouvez facilement le constater avec les aimants : deux aimants de même pôle (sud/sud par exemple) se repoussent, tandis que deux aimants de pôles opposés (sud/nord) s’attirent. C’est elle qui est responsable de la cohésion des atomes. Tout comme les aimants, les électrons et le noyau atomique s’attirent parce qu’ils sont de charges opposées : les électrons, ayant une charge électrique négative, sont attirés par le noyau atomique qui, lui, a une charge électrique positive. En bref, c’est elle qui permet d’expliquer tous les phénomènes de la vie courante à part la pesanteur. Son boson est le photon (la lumière, c’est lui !), qui est de charge électrique nulle et de masse nulle. Sa portée est infinie et sa vitesse de déplacement bien connue : 300 000 km/s dans le vide. Rien ne peut aller plus vite, selon la théorie de la relativité. Avant les années 1860, on considérait que les phénomènes électriques et magnétiques étaient indépendants, jusqu’à ce qu’intervienne James Clerk Maxwell, un physicien et mathématicien écossais, qui va les unifier et décrire l’électromagnétisme en 1864. En bref Au même titre que Maxwell a unifié les champs magnétique et électrique, les physiciens tentent aujourd’hui d’unifier ces différentes forces et de trouver une théorie qui expliquerait simultanément les quatre interactions fondamentales : une théorie du tout. Affaire à suivre donc… Fanny Aici
