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Les forces fondamentales de l'univers
Tous les exemples précédents sont des processus qui peuvent être expliqués par des interactions fondamentales ou des forces fondamentales.
Les forces fondamentales sont des interactions physiques connues dans notre univers qui ne peuvent être décomposées en processus plus élémentaires. Grâce aux recherches actuelles, ces forces sont les descripteurs des processus physiques de la nature, y compris la structure et le mouvement de tous les objets, au niveau le plus réduit.
Nousallonsnous plonger dans les définitions de chacune des quatre forces fondamentales et examiner quelques exemples pour comprendre à quel point ces interactions sont importantes pour les physiciens.
Définition des forces fondamentales
Bien que les physiciens soient à la recherche d'autres interactions susceptibles de décrire l'univers à l'aide d'une théorie complète et unique, nous ne connaissons actuellement que quatre interactions fondamentales.
Les forces fondamentales de notre univers sont :
- l'interaction gravitationnelle
- L'interaction électromagnétique
- L'interaction nucléaire faible, également appelée force faible
- L'interaction nucléaire forte, également appelée force forte.
Pour expliquer mathématiquement les interactions fondamentales, on les modélise souvent sous forme dechamps de vecteurs, ce qui nous permet de visualiser l'ampleur et la direction d'une force donnée en différents points de l'espace. Nous pouvons utiliser ces modèles pour nous aider à comprendre physiquement les différentes forces et pourquoi les champs de forces régissent toutes sortes d'interactions dans notre univers.
Exemples de champs vectoriels en 2D, où les flèches représentent l'ampleur et la direction d'une force en divers points de l'espace, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0
Un aspect important pour comprendre les interactions fondamentales est que les échelles de distance et de temps modifient les forces qui semblent dominer dans un processus physique donné - nousallonsvoir pourquoi et quelques cas importants pour chacune d'entre elles.
La force fondamentale la plus faible : La gravité
La force gravitationnelle, découverte pour la première fois par Isaac Newton, est l'interaction qui t'est probablement la plus familière et c'est la plus faible des quatre forces fondamentales.
La force gravitationnelle, ou gravité, est l'attraction universelle de tous les objets ayant une masse les uns sur les autres.
Qu'un objet ait la taille d'une particule ou d'une galaxie, il subira la force de gravité. Ton corps a une masse et est attiré gravitationnellement vers le centre de la Terre, ce qui nous maintient stables à la surface de la Terre. La forme sphérique des étoiles et des planètes est due à la gravité qui attire la masse vers le centre, et notre système solaire est lié par la gravitation.
Champs vectoriels gravitationnels
Nous pouvons utiliser les tracés d'un champ de vecteurs gravitationnels pour visualiser cette force invisible. Examinons deux représentations différentes dans la figure ci-dessous.
Un champ de vecteurs gravitationnels en 2D montre la direction et l'ampleur des vecteurs de force gravitationnelle ; la représentation en 3D de la gravité montre les points les plus proches de la masse centrale qui subissent la force d'attraction la plus forte, Wikimedia Commons CC0 1.0
Dans le graphique bidimensionnel de gauche, imagine que le point central est un objet massif comme le Soleil. Ces flèches vectorielles représentent la force gravitationnelle exercée par le champ du Soleil sur une masse beaucoup plus petite, en différents points de l'espace. L'attraction des masses signifie que le vecteur de force en tous points se dirige vers le centre de la masse. Le graphique en trois dimensions illustre le même concept. Au bas de la courbe bien formée se trouve une masse importante comme une étoile ou une planète, et les petits objets les moins éloignés ressentiront la force gravitationnelle la plus forte.
Dominance gravitationnelle
Un malentendu courant consiste à penser que la force gravitationnelle est l'interaction la plus forte dans notre univers, alors qu'il s'agiten fait de la force fondamentale la plus faible. Les champs et les forces de gravité dépendent de la masse et de la distance. Cela signifie qu'une masse plus importante entraîne un champ de gravité plus fort, mais qu'une plus grande distance par rapport au champ se traduit par une force exercée beaucoup plus faible.
À l'échelle atomique, nousavonsaffaire à des particules dont la masse est très faible - prenons l'exemple d'un électron, dont la masse au repos est deau repos. En raison de la dépendance à la masse, les interactions gravitationnelles à l'échelle atomique et moléculaire sont presque négligeables par rapport à celles qui s'exercent à une échelle plus massive, comme les planètes, les étoiles ou les galaxies entières. Les autres interactions fondamentales sont beaucoup plus fortes que la gravité, mais elles ne sont pas forcément perceptibles tant que nous ne les étudions pas à l'échelle atomique.
La force électromagnétique
La deuxième interaction la plus forte est la force électromagnétique, qui joue un rôle tout aussi important dans la structure et le mouvement de notre personne et de notre vie à l'échelle macroscopique.
La force électrom agnétique décrit les interactions entre les particules chargées, comme les protons et les électrons. Les forces électromagnétiques peuvent être attractives ou répulsives, c'est-à-dire que les charges opposées s'attirent et les charges similaires se repoussent.
La force électromagnétique est plus forte que l'interaction gravitationnelle d'un facteur deun nombre incompréhensiblement grand!1
Lesinteractions électromagnétiques sont également observables dans notre vie quotidienne à différentes échelles. À l'échelle macroscopique, pense à l'électricité statique produite par le peignage de tes cheveux ou par le culbutage de tes vêtements dans une machine à sécher, ou encore à l'aimant d'un réfrigérateur. Nous écoutons de la musique numérique avec des haut-parleurs qui utilisent des bobines magnétiques qui convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique - le son. Le rayonnement électromagnétique, ou lumière, est également le résultat de cette interaction.
Les forces électriques et magnétiques te semblent-elles sans rapport entre elles ? Si l'on s'en tient à une compréhension superficielle, c'est peut-être le cas, et pendant une longue période de l'histoire, on a cru qu'il s'agissait de phénomènes distincts. L'électricité et le magnétisme sont tous deux liés auxcharges électriques des atomes. Les atomes sont constitués de protons à charge positive, de neutrons à charge neutre et d'électrons à charge négative. Comme tous les atomes et la matière sont composés de particules chargées électriquement, les atomes exercent des forces électriques les uns sur les autres et peuvent devenir un ion chargé en gagnant ou en perdant de la charge.
Les charges électriques entraînent des forces d'attraction qui maintiennent les électrons et les noyaux ensemble, et des forces de répulsion qui nous empêchent de traverser la matière solide, Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0.
Qu'en est-il des forces magnétiques ? Les champs magnétiques sont le résultat de charges en mouvement. Les forces électriques sont dues à des charges immobiles, et les forces magnétiques sont dues à des charges qui se déplacent dans un matériau, comme un aimant ou un fil. Fondamentalement, l'électricité et le magnétisme sont la même interaction.
Dominance électromagnétique
Bien que la force électromagnétique soit plus forte que la gravité par un facteur incroyablement important, la gravité semble toujours dominer à la plupart des échelles spatiales - pourquoi ? Les charges électromagnétiques peuvent être annulées les unes par les autres, ce qui n'estpasle cas de la gravité, car il n'existe pas de version connue de la gravité qui soit répulsive. Comme les atomes sont le plus souvent chargés de manière neutre, la gravité reste la force dominante à l'échelle stellaire, galactique et universelle.
L'interaction nucléaire faible
La force nucléaire faible est la deuxième interaction fondamentale la plus faible et régit certains processus atomiques importants.
La force nucléaire faible est à l'origine d'interactions nucléaires clés entre les particules à l'échelle subatomique, principalement les électrons, les protons et les neutrons.
L'interaction nucléaire faible est la raison pour laquelle les atomes radioactifs subissent une désintégration radioactive au fil du temps. La force faible estfois plus forte que la force gravitationnelle, mais elle n'agit que sur de très petites distances - à l'échelle subatomique, même pas le diamètre d'un atome entier !
Les atomes radioactifs sont des atomes instables qui émettent des particules dans le cadre d'un processus appelé désintégration bêta, alors qu'ils tentent d'atteindre un état plus stable. S'il y a trop de neutrons dans le noyau d'un atome, un neutron peut se désintégrer en proton, libérant ainsi un électron ou un positron à grande vitesse. Ces particules émises à grande vitesse sont ce que nous connaissons sous le nom de rayonnement. L'interaction nucléaire faible est la force motrice de cette désintégration.
La force faible est également le moteur de la fusion nucléaire, le processus par lequel notre soleil et d'autres étoiles passent lorsqu'ils brûlent du gaz et créent des éléments de plus en plus lourds dans leur cœur. Dans le cœur d'une étoile, les atomes d'hydrogène fusionnent et créent des atomes d'hélium. Cela libère de très petites particules et de l'énergie sous forme de lumière et de chaleur.
L'interaction nucléaire forte
L'interaction forte ou force nucléaire forte est la dernière force fondamentale et la plus puissante. Comme l'interaction faible, l'interaction forte a un champ d'action limité.
La force nucléaire forte est la force d'attraction qui maintient les noyaux atomiques ensemble. Les protons et les neutrons sont eux-mêmes constitués de particules encore plus petites maintenues ensemble par la force nucléaire forte.
Pour avoir une idée de l ' intensité de cette force, repense à l'interaction électromagnétique : les charges similaires ont une nature répulsive et ne veulent naturellementpaspartager un espace restreint. Les protons sont tous chargés positivement et se repoussent les uns les autres. Pourtant, le noyau d'un atome est constitué de protons qui partagent un petit espace avec des neutrons - la force forte domine complètement la force électromagnétique pour maintenir le noyau ensemble.
L'interaction nucléaire forte contribue également aux processus nucléaires tels que la fusion. Lorsque deux noyaux sont suffisamment proches, comme dans le cœur d'une étoile, la force forte domine et attire les deux noyaux l'un vers l'autre. Les deux noyaux fusionnent et créent un nouvel élément plus lourd.
Exemples de forces fondamentales
Les interactions fondamentales se produisent tout autour de nous, en permanence. Passonsenrevue d'autres exemples de forces fondamentales.
Les aurores boréales sont le résultat de la spirale d'électrons chargés danslechamp magnétique de la Terre. Lorsque ces électrons à grande vitesse s'écrasent sur les molécules de gaz de notre atmosphère, ils dégagent de l'énergie sous forme de lumière.
Les aurores résultent de particules chargées voyageant à grande vitesse à travers les champs magnétiques, Pixabay CC0 1.0
Les forces électromagnétiques sont à l'origine d'un grand nombre de processus et de forces au-delà des exemples les plus évidents comme les appareils ménagers et l'électricité statique. La force électromagnétique contribue non seulement à maintenir les atomes ensemble, mais aussi à empêcher les objets solides de se traverser les uns les autres.
Les forces normales et de frottement ne sont en fait que des interactions électromagnétiques. Lorsque tu es assis sur ta chaise de bureau, les électrons du matériaudela chaise repoussent les électrons de ton corps et de tes vêtements. Ta chaise et ton corps exercent des forces égales en magnitude et opposées en direction, et grâce à cette nature répulsive entre les particules chargées, tupeuxte reposer sur le dessus de la chaise au lieu de tomber à travers elle ou d'être poussé.
Comme ellessontmoins courantes, les interactions nucléaires faibles peuvent être plus difficiles à identifier au début. Une application importante de la force nucléaire faible consiste à utiliser la datation au carbone pour estimer l'âge de nombreux objets.
Tout ce qui vit sur notre planète absorbe une certaine quantité de carbone 14, une forme radioactive de carbone avec deux neutrons supplémentaires. Au fil du temps, le carbone 14 laissé sur place subit une désintégration bêta due à la force nucléaire faible. Nous pouvons utiliser la datation au carbone pour estimer l'âge des matériaux et des restes tels que les squelettes, car nous savons le temps qu'il faut au carbone 14 pour perdre la moitié de sa quantité initiale, et les spécimens plus anciens auront moins de carbone 14 restant que les échantillons plus récents.
À présent, l'importance des quatre forces fondamentales devrait être assez claire - onpeutdire sans risque de se tromper qu'un univers sans les forces fondamentales qui régissent sa composition et son mouvement aurait un aspect très différent, si tant est qu'il ait pu exister.
Forces fondamentales - Principaux points à retenir
- Les quatre forces fondamentales de l'univers sont des descripteurs importants des processus physiques qui régissent le mouvement et la composition de tous les objets.
- La gravité est la force fondamentale la plus faible et provoque l'attraction de toutes les masses à toutes les distances dans l'univers.
- La force électromagnétique est à la fois attractive et répulsive et explique les interactions entre les particules chargées, comme les électrons et les protons.
- La force nucléaire faible est à l'origine d'interactions atomiques importantes telles que la désintégration radioactive.
- La force nucléaire forte est la force fondamentale la plus puissante et constitue l'interaction attractive qui lie les noyaux atomiques entre eux, en surmontant la répulsion de charge des protons.
- Les échelles de distance auxquelles nous étudions un certain processus déterminent quelle force fondamentale semble dominer.
1. Jeff Vogtschaller, Stanford Solar Center, "Gravity is Really Weak ?", 2020.
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