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Quelles sont les forces principales qui gouvernent notre Univers ?

Dossier - 10 questions essentielles sur l'Univers
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Pourquoi la nuit est-elle noire ? Que se passera-t-il quand le Soleil va mourir ? Pourquoi dit-on que nous sommes des poussières d’étoiles ? Pourquoi les planètes sont-elles rondes ? Un trou noir risque-t-il un jour de nous aspirer ? Découvrez les réponses de l'astrophysicien Jean-Pierre Luminet à 10 questions essentielles sur l'Univers.

  
Dossiers10 questions essentielles sur l'Univers
 

La physique a toujours eu pour ambition d'expliquer la diversité du réel par une unité sous-jacente. Une seule loi explique la chute des pommes et le mouvement de la Lune, une autre explique l'électricité et le magnétisme. À force de regrouper ainsi des phénomènes variés dans des descriptions uniques, les physiciens sont parvenus à tout réduire à quatre grandes classes de phénomènes, régis par quatre forces appelées « interactions fondamentales ».

La gravitation explique la pesanteur, la chute des corps, mais aussi les marées, les trajectoires de la Lune, des planètes, des étoiles et des galaxies, jusqu'à l'expansion de l'Univers. Elle est décrite à merveille par la théorie de la relativité générale d'Einstein

Les quatre interactions fondamentales (gravité, électromagnétisme, interactions forte et faible), connues aujourd'hui dans notre univers à basse température (bas du diagramme) pourraient progressivement s'unifier à très haute énergie et température, donc en remontant vers le big bang (haut du diagramme). La première unification (fusion de la force faible et de l'électromagnétisme en la force électrofaible) a été expérimentalement réalisée au CERN. © Domaine public

L'électromagnétisme regroupe tous les phénomènes électriques, magnétiques et lumineux, les réactions chimiques ou la biologie - en fait, la quasi-totalité des phénomènes de la vie courante, en dehors de la pesanteur. Il est décrit à merveille par la théorie électromagnétique de Maxwell. 

L'interaction forte explique la cohésion des noyaux atomiques, donc l'existence même de la matière que nous connaissons. Elle est décrite par la théorie de la chromodynamique quantique.

L'interaction faible provoque la désintégration radioactive des particules subatomiques et permet la fusion thermonucléaire au sein des étoiles. 

Ces deux dernières interactions n'ont été mises en évidence qu'au milieu du XXe siècle, quand la structure des noyaux atomiques a commencé à être comprise. Elles sont dites « nucléaires » car elles ne s'exercent qu'à l'échelle des noyaux atomiques ; elles sont donc à très courte portée. En revanche, l'interaction gravitationnelle (dont l'influence est infime à l'échelle microscopique) et l'interaction électromagnétique sont de portée infinie, leur intensité diminuant avec la distance.   

Quatre interactions pour expliquer tous les phénomènes physiques, c'est peu. Mais c'est encore trop pour les théoriciens en quête d'unité. Ils aimeraient réduire ce chiffre. Par exemple, les quatre interactions fondamentales seraient des aspects ou des niveaux différents d'une même réalité qu'on pourrait caractériser à un niveau plus profond - c'est-à-dire exprimer par une seule théorie dite « unitaire ».

Des travaux datant des années 1980 ont permis de décrire avec succès l'interaction électromagnétique et l'interaction faible par le même formalisme ; la force unique qui en résulte est dite « électrofaible ». Le fameux boson de Higgs-Englert, découvert en 2012 au CERN, faisait partie des ultimes prédictions de cette théorie unifiée. On espère pouvoir un jour unir cette dernière avec l'interaction forte au sein d'une théorie dite de Grande Unification. Le but ultime serait d'incorporer aussi la gravité dans un même schéma cohérent, et de nombreuses tentatives sont faites, pour l'instant non encore abouties, comme les diverses théories des cordes.