Interaction fondamentale
En physique, les interactions fondamentales sont les forces qui suffisent à décrire l'ensemble de l'Univers. Ces interactions sont au nombre de quatre, avec des effets variés, dont certains sont observables facilement, d'autres non.
Les quatre forces fondamentales
La gravitation
La force de gravitation est connue depuis longtemps : c'est grâce à elle que nous gardons les pieds sur terre et que nous nous n'envolons pas dans l'espace. La première théorie a été énoncée par Isaac Newton. Il a expliqué que tous les corps s'attirent. La force de gravitation est d'autant plus grande que les corps ont une masse importante. Elle est aussi inversement proportionnelle au carré de la distance entre les corps, c'est-à-dire qu'à deux mètres de distance, la force est quatre fois plus faible qu'à un mètre. En d'autres termes, plus les objets sont massifs, plus ils s'attirent ; plus les objets sont proches, et plus ils s'attirent. C'est cette force qui permet aux planètes de tourner autour du soleil, aux étoiles de se regrouper sous forme de galaxies, ... De nos jours, les physiciens utilisent la théorie de la relativité générale proposée par Albert Einstein en 1905 mais ils cherchent déjà une nouvelle théorie compatible avec la mécanique quantique.
La force électromagnétique
Aussi étonnant que cela puisse paraître, c'est la même interaction fondamentale qui se cache derrière les phénomènes électriques et les phénomènes magnétiques. C'est une découverte du physicien anglais James Maxwell dans les années 1860. On savait depuis presqu'un siècle que deux charges électriques se repoussent si elles sont de mêmes signes ("plus" et "plus" ou "moins" et "moins") et s'attirent si elles sont de signes opposés ("plus" et "moins"). Comme la gravitation, la force électrique est inversement proportionnelle au carré de la distance entre les deux charges. On savait aussi que la force entre deux aimants est très similaire. En 1820, un physicien danois observe que si on place une boussole près d'un fil parcouru par un courant électrique, l'aiguille tourne légèrement. Cela montre qu'il y a une interaction entre électricité et magnétisme. Maxwell a expliqué tous les phénomènes électriques et magnétiques à l'aide d'une théorie basée sur les champs électrique et magnétique. Selon Maxwell, il n'y a pas de force électrique directement entre les charges ! Une première charge engendre un champ électrique. Ce champ électrique se propage à la vitesse de la lumière et lorsque ce champ atteint la seconde charge, cette dernière ressent une force. Le champ électrique joue le rôle d'un intermédiaire dont le rôle est de transporter l'interaction d'une charge à l'autre. À partir de ses équations, Maxwell a montré que la lumière devait être une onde électromagnétique et a prédit sa vitesse. À la fin des années 1940, les physiciens ont construit une version de la théorie de Maxwell compatible avec la mécanique quantique. Les champs électrique et magnétique y sont remplacés par une nouvelle particule : le photon.
La force électromagnétique est celle que nous rencontrons le plus souvent dans la vie quotidienne. Cette force est responsable de la stabilité des atomes. Si l'électron tourne autour du noyau, c'est parce qu'il est attiré par lui, un peu comme le Soleil attire la Terre. En partageant des électrons, des atomes peuvent former des molécules. Toute la chimie et donc la vie repose donc sur la force électromagnétique. C'est aussi cette force qui nous permet de ne pas nous enfoncer dans le sol ! En effet, comme tous les objets, le sol est composé d'atomes. On ne peut pas approcher deux atomes trop près l'un de l'autre car les électrons des deux atomes se repoussent. Comme la force électromagnétique est plus forte que la force de gravitation, les atomes de nos pieds flottent à quelques milliardièmes de mètre des atomes du sol.
L'interaction forte
Le noyau des atomes est formé de deux types de particules : les protons et les neutrons. Les neutrons ne portent pas de charge électrique alors que les protons sont chargés positivement. Par conséquent, ils se repoussent. Il doit donc exister une autre force qui maintient les protons ensembles dans le noyau et empêche la force électromagnétique de le faire voler en éclats. En outre, les protons et les neutrons sont eux-mêmes composés de trois particules encore plus petites qu'on appelle des quarks. Là encore, il doit exister une force qui maintient ces quarks ensembles dans les protons et les neutrons. Dans les deux cas, cette force est la force nucléaire forte. Elle porte ce nom car elle est plus forte que la force électromagnétique. La théorie a été construite dans les années 1960-1970. C'est une théorie quantique appelée chromodynamique quantique. Elle explique que deux quarks s'attirent car ils échangent une particule qu'on appelle un gluon (glue signifie colle en anglais). Pour nous, cette force est inobservable car dans la vie courante, on ne peut jamais briser le noyau d'un atome. Il faut des accélérateurs de particules très puissants pour briser les noyaux et observer les effets de cette force.
L'interaction faible
La force nucléaire faible est une interaction permettant à des particules élémentaires de changer de type : un électron peut se transformer en neutrino, un type de quark en un autre de quark, un proton en neutron. Cette interaction est responsable de la radioactivité appelée Bêta. Elle est décrite par une théorie quantique développée dans les années 1960-1970. L'interaction se transmet d'une particule à l'autre par trois types de particules que les physiciens appellent , et .
L'unification des forces fondamentales
Depuis que Maxwell est parvenu à construire une théorie qui explique à la fois les phénomènes électriques et magnétiques, les physiciens cherchent à unifier toutes les forces, c'est-à-dire à construire une seule et même théorie qui pourrait expliquer tous les phénomènes. Dans les années 1970, on a réussi à unifier l'interaction électromagnétique et l'interaction nucléaire faible dans ce qu'on appelle la théorie électro-faible. Toutefois, cette théorie n'est pas complète : pour fonctionner, elle a besoin d'une autre particule qui n'a pas encore été observée et qu'on appelle le boson de Higgs. L'accélérateur LHC qui se trouve sous la frontière entre la France et la Suisse près de Genève cherche à observer cette particule. Peu de temps après la théorie électro-faible, on a réussi à y ajouter l'interaction nucléaire forte. La théorie obtenue est appelée modèle standard des particules. En revanche, on n'a toujours pas réussi à unifier la gravitation parce qu'on ne parvient pas à construire une théorie quantique de la gravitation qui soit cohérente. La théorie des cordes est la théorie la plus prometteuse mais elle doit encore être confrontée à l'expérience.
Voir aussi
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