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Les Forces

Dossier - Voyage au coeur de la matière
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Vous restez imperméable à la physique ? Découvrez dans ce dossier les éléments qui composent la matière, expliqués simplement : forces, atomes et nucléons, radioactivité...

  
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L'interaction gravitationnelle, l'interaction électromagnétique, l'interaction forte et l'interaction faible sont à la base de tous les processus physiques, chimiques ou biologiques connus. Elles sont appelées les quatre forces fondamentales.

L'interaction gravitationnelle (une des forces fondamentales) est responsable du phénomène des marées. © vivejm, Flickr CC by nc-sa 2.0

Quelles sont les interactions fondamentales ?

Tous les processus physiques, chimiques ou biologiques connus peuvent être expliqués à l'aide de quatre interactions fondamentales :

  • l'interaction gravitationnelle, responsable de la pesanteur, de la marée ou encore des phénomènes astronomiques ;
  • l'interaction électromagnétique, responsable de l'électricité, du magnétisme, de la lumière ou encore des réactions chimiques et biologiques ;
  • l'interaction forte, responsable de la cohésion des noyaux atomiques ;
  • l'interaction faible, responsable de la radioactivité beta, qui permet au Soleil de briller. 

La théorie qui décrit la gravitation est la relativité générale, celle qui décrit les trois autres est le modèle standard

Qu'est-ce que l'interaction gravitationnelle ?

L'interaction gravitationnelle est une force toujours attractive qui agit sur toute forme d'énergie, mais avec une intensité extrêmement faible (c'est l'interaction la plus faible des quatre interactions fondamentales). Ainsi, ses effets ne sont perceptibles que lorsque des objets très massifs (la masse est une forme d'énergie) sont en jeu, c'est le cas pour les objets astronomiques.

L'énorme masse des étoiles, des planètes ou des galaxies les rend donc très sensibles à la gravitation et c'est la seule interaction en jeu pour expliquer les mouvements de ces objets.

De même, l'énorme masse de la Terre (6.1024 kg, soit six mille milliards de millards de tonnes !) la rend très attractive pour des objets moins massifs. Ainsi, la pesanteur et donc le poids des objets sur Terre sont le résultat de l'attraction gravitationnelle de la Terre sur ces objets. C'est pourquoi, le poids d'un objet est plus faible sur la Lune que sur Terre, puisque la masse de la Lune est plus faible que celle de la Terre.

L'énorme masse des étoiles, des planètes ou des galaxies les rend très sensibles à la gravitation. © DR

Enfin, c'est l'attraction gravitationnelle de la Lune sur l'eau des océans (dont la masse totale est importante) qui permet d'expliquer le phénomène des marées.

Le premier à avoir compris que la pesanteur terrestre et les mouvements astronomiques étaient le résultat d'une seule et même interaction est Isaac Newton, qui publia en 1687 un livre dans lequel il a établi les lois de la gravitation. Il fallut ensuite attendre 1915 pour qu'Albert Einstein développe la théorie de la relativité générale, qui permet d'expliquer la gravitation par une théorie géométrique mais non quantique. La gravitation n'est donc pas du tout prise en compte par la physique des particules, mais son intensité est totalement négligeable à l'échelle des particules élémentaires.

Qu'est-ce que l'interaction électromagnétique ?

L'interaction électromagnétique est une force répulsive ou attractive qui agit sur les objets ayant une charge électrique. Deux objets de charges électriques de mêmes signes se repoussent alors que deux objets de charges électriques de signes opposés s'attirent. Comme les atomes sont électriquement neutres, il y a peu d'effet de cette interaction à grande échelle.

L'interaction électromagnétique peut créer de la lumière ou des rayons X. © DR

L'interaction électromagnétique est bien sûr à l'origine de tous les phénomènes électriques et magnétiques. L'interaction électromagnétique permet aussi la cohésion des atomes en liant les électrons (charge électrique négative) et le noyau des atomes (charge électrique positive). Cette même liaison permet de combiner les atomes en molécules et l'interaction électromagnétique est donc responsable des réactions chimiques. Enfin, la chimie de certaines classes de molécules permet d'expliquer la biologie.

Cette interaction peut, dans certaines conditions, créer des ondes électromagnétiques, parmi lesquelles on distingue la lumière, les ondes radio, les ondes radar, les rayons X...

En bref, l'interaction électromagnétique permet d'expliquer presque tous les phénomènes de la vie quotidienne (mise à part la pesanteur)...

La première grande étape dans la compréhension de l'électromagnétisme vient de l'unification de l'électrodynamique et du magnétisme en une seule et même interaction par J.-C. Maxwell en 1860. Puis, en 1864, Maxwell comprit que la lumière était une onde électromagnétique. Enfin, en 1887, H. Hertz montre l'existence d'ondes électromagnétiques autres que la lumière.

Quelques années plus tard, la mécanique quantique se développe et la théorie de l'électromagnétisme est quantifiée, la nature quantique de cette interaction (l'existence du photon) ayant déjà été découverte par Einstein en 1905. Finalement, après la résolution de problèmes techniques, la première théorie à la fois quantique et relativiste est achevée dans les années 1948-1949 par Tomonaga, Schwinger et Feynman, c'est l'électrodynamique quantique ou QED. Mais, comment fonctionne QED ?

Qu'est-ce que l'interaction forte ?

L'interaction forte est une force qui agit sur les quarks et par extension sur les hadrons. Les leptons y sont totalement insensibles.

L'interaction forte permet la cohésion des noyaux atomiques en liant les protons et les neutrons entre eux au sein de ce noyau. Si cette interaction n'existait pas, les noyaux ne pourraient pas être stables et seraient dissociés sous l'effet de la répulsion électrostatique des protons entre eux.

L'interaction forte est aussi responsable des réactions nucléaires, source d'énergie des étoiles et donc du Soleil.

L'histoire des interactions fortes commence en 1911 avec la découverte du noyau atomique par Rutherford. En effet, il fallut trouver une nouvelle force pour expliquer que les noyaux atomiques ne se disloquent pas sous l'effet électrique répulsif des protons entre eux. Néanmoins, il fallut attendre 1967-1970 et le développement du modèle des quarks pour que la théorie de l'interaction forte soit élaborée, c'est-à-dire la chromodynamique quantique ou QCD. Mais, comment fonctionne QCD ?

Qu'est-ce que l'interaction faible ?

L'interaction faible est une force qui agit sur toutes les particules. En particulier, c'est la seule force à laquelle sont sensibles les neutrinos.

L'interaction faible est responsable de la radio-activité beta qui permet les réactions nucléaires qui sont la source d'énergie du Soleil. La radioactivité naturelle est probablement aussi une source d'énergie importante pour maintenir le magma en fusion sous la croûte terrestre.

L'histoire de l'interaction faible commence bien sûr en 1896 avec la découverte de la radioactivité par Becquerel. Il faut ensuite attendre 1933 pour que E. Fermi élabore le premier modèle des interactions faibles en incorporant l'existence non encore démontrée du neutrino. Puis, en 1961, S.-L. Glashow tente d'unifier l'interaction faible et l'électromagnétisme en une seule interaction électrofaible. Cette unification prédit l'existence d'une interaction faible par courant neutre qui est découverte en 1973. Elle prédit aussi l'existence de vecteurs de cette interaction, les W+, W- et Z0, qui sont à leur tour découverts en 1983. Mais, comment agissent les W et le Z0 ?

Interactions et échanges de particules

Les interactions sont expliquées en physique des particules comme l'échange entre particules de matière et particules de rayonnement.

Le dessin ci-dessous montre deux bateaux qui s'éloignent l'un de l'autre car leurs occupants échangent un ballon (par le principe d'action-réaction bien connu). Il y a donc interaction à distance entre les deux bateaux par échange d'un objet intermédiaire (le ballon). Cet objet est appelé le vecteur de l'interaction.

Ainsi, en physique des particules, on explique toute interaction entre particules par l'échange entre ces particules de vecteurs (qui sont eux-mêmes des particules).

Exemple d'interaction entre deux particules (bleue et rouge) par l'échange d'une particule (magenta), tout comme les deux bateaux bleu et rouge interagissent en échangeant un ballon (magenta). On peut aussi imaginer que plus le ballon est lourd, plus il sera difficile aux occupants du bateau de le lancer loin. Ainsi, si le ballon est trop lourd, les bateaux ne pourront plus interagir au-delà d'une certaine distance. De même, en physique des particules, plus la particule vecteur d'une interaction sera lourde, plus cette interaction sera de courte portée.