Les quatre forces de la nature
La force est le moteur du changement. Un tir d'un hockeyeur propulse la rondelle vers le filet ; la friction entre la rondelle et la glace la ralentit. Étonnamment, la multitude de changements observés dans l'univers s'explique par quatre forces fondamentales seulement.
La première force que les physiciens ont comprise est la première dont nous prenons tous conscience : la gravité. La gravité attire tout objet doté d'une masse ou d'une énergie vers d'autres objets possédant une masse ou une énergie. En effet, selon la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, la masse et l'énergie déforment l'espace et le temps ; tout objet semblera suivre une trajectoire courbe en suivant ces distorsions.
La deuxième force démystifiée par les physiciens est l'électromagnétisme, qui agit sur les objets chargés électriquement, positivement ou négativement, comme les protons et les électrons (ou tout ce qui contient un nombre déséquilibré de ces particules). Outre l'électricité statique des cheveux et les aimants des réfrigérateurs, l'électromagnétisme assure la majeure partie de la cohésion de la matière. Il maintient les électrons en orbite autour du noyau atomique, agrège les atomes en molécules et les lie pour former des tables, des chaises et des êtres humains. Toute attraction et répulsion électromagnétique peut être décrite par l'échange de photons, ces particules sans masse qui composent la lumière.
Les deux autres forces sont moins connues, car elles n'agissent qu'au cœur de l'atome. L'une d'elles est l'interaction forte, qui lie les particules fondamentales du noyau, les quarks. L'interaction forte agit sur les objets possédant une charge poétiquement appelée " couleur ", ce qui lui permet de rassembler les quarks, mais pas les structures plus grandes et " de couleur neutre " comme les atomes, les molécules ou les êtres humains. L'interaction forte est si puissante que les quarks ne peuvent jamais s'échapper du noyau pour flotter librement dans l'espace. Ainsi, la charge colorée déséquilibrée – et l'interaction forte elle-même – restent piégées à l'intérieur du noyau.
La dernière force, à notre connaissance, est appelée force faible. Son principal effet est de transformer un type de particule (un quark, par exemple) en un autre. Ce type de transformation est à l'origine d'événements radioactifs tels que la désintégration bêta, où un quark mutant à l'intérieur d'un neutron transforme ce dernier en proton, émettant au passage un électron et un neutrino. Une variante de ce processus permet au Soleil de fusionner des protons et de briller. La force faible reste à l'intérieur du noyau car elle est transportée par des particules – les bosons W et Z – dont les masses importantes limitent leur portée.
Quoi de neuf et d'intéressant
L'interaction forte, l'interaction faible et l'électromagnétisme, ainsi que les particules sur lesquelles ils agissent, forment le " Modèle standard " de la physique des particules, une théorie du monde quantique élaborée dans les années 1970 et validée par d'innombrables expériences.
Depuis des décennies, les physiciens soupçonnent que les forces du Modèle standard pourraient toutes être des ombres d'une même super-force, révélée lorsque des particules entrent en collision avec une violence suffisante. Les chercheurs savent déjà que lors de collisions extrêmement énergétiques, les bosons de force faible perdent leur masse et agissent de manière indiscernable des photons, et la force faible fusionne avec la force électromagnétique pour former l'interaction " électrofaible ". À des énergies encore plus élevées, la force forte intervient-elle ?
De nombreux physiciens ont autrefois cru que c'était le cas, car à une certaine énergie très élevée, les trois forces sont censées avoir une intensité similaire (l'interaction forte s'affaiblit à haute énergie tandis que l'interaction électrofaible s'intensifie). Mais les expériences visant à étudier la désintégration des protons, qui serait un effet secondaire de cette " grande unification " des forces, ont jusqu'à présent échoué .
La force faible fascine également les physiciens car c'est la seule force à présenter une " chiralité ", c'est-à-dire à traiter les particules qui tournent dans un sens différemment de celles qui tournent dans le sens opposé. Ce traitement particulier pourrait expliquer pourquoi toutes les espèces sur Terre utilisent un ADN qui tourne dans la même direction. ( Des effets magnétiques subtils offrent une autre explication possible .)
Et même si les physiciens connaissent l'équation qui régit l'interaction forte, elle ne peut être résolue mathématiquement dans la vie de tous les jours. Ils doivent donc s'appuyer en grande partie sur des expériences pour observer l'intérieur du proton .
Enfin, il y a la gravité, baleine blanche de la physique moderne. Bien que la relativité générale fonctionne bien dans presque toutes les situations, les physiciens espèrent à terme redéfinir la gravité en termes d'échange de particules quantiques. La gravité possède des caractéristiques qui la rendent totalement différente des autres forces et donc difficile à intégrer dans le même langage particulaire. Mais curieusement, certains calculs gravitationnels sont égaux au carré de certains calculs particulaires – un lien mystérieux entre la gravité et les autres forces que les physiciens tentent encore de comprendre.