Les interactions fondamentales
Quelles sont les différentes interactions fondamentales s'appliquant sur la matière ?
Avant de lire cet article, assurez-vous d'avoir lu l'épisode précédent !
Maintenant que la matière n'a plus de secrets pour vous, intéressons-nous aux forces qui s'appliquent sur elle. Ces forces sont multiples, mais peuvent être décomposées en seulement quatre interactions (jusqu'à preuve du contraire), qui suffisent à expliquer tous les phénomènes observables, et qu'on nomme interactions fondamentales.
Dans le désordre : l'interaction faible, l'interaction forte, l'interaction électromagnétique, et l'interaction gravitationnelle. Le modèle standard ne permet de décrire et d'expliquer que les trois premières, mais, histoire de ne pas faire de jaloux, je parlerai également (rapidement) de la gravitation.
L'interaction électromagnétique est présente (et visible) partout autour de nous, puisque la lumière en est un exemple. On peut également citer l'attraction magnétique entre deux aimants, ou l'alignement de nos boussoles sur le champ magnétique terrestre… Cette interaction a une portée infinie, mais son intensité diminue avec la distance. Par ailleurs, elle ne peut agir que sur des objets ou particules chargées (\(\oplus\) ou \(\ominus\)).
L'interaction faible agit au sein des atomes, et est responsable de la majorité des phénomènes de radioactivité. Cette interaction a une portée très faible (\(10^{-17}\) mètres, ce qui la cantonne dans les noyaux des atomes), et une intensité environ 1 000 000 000 000 (mille milliards(1)) fois plus faible que l'interaction électromagnétique, mais peut agir sur des particules non-chargées (par ailleurs l'intensité de l'interaction faible diminue également avec la distance).
Notons par ailleurs qu'il a été prouvé expérimentalement que, pendant les premières \(10^{-11}\) secondes après le big bang, ces deux interactions ne faisaient qu'une, nommée interaction électrofaible.
L'interaction forte agit à deux niveaux. D'une part, elle assure la cohésion des protons et des neutrons qui composent les noyaux des atomes (ce qui explique pourquoi ceux-ci restent stable alors qu'ils ne sont composés que de particules neutres ou chargées positivement). D'autre part, elle agit au sein même des protons et des neutrons, et est responsable de la cohésion des quarks up et down qui les forment. L'interaction forte est… forte(2) ! Non seulement son intensité augmente avec la distance, mais elle est environ cent mille milliards de fois plus que l'interaction faible (et donc cent fois plus que l'interaction électromagnétique). Cependant, contrairement à cette dernière, elle a une portée limitée (\(10^{-15}\) mètres), et n'affecte que les quarks et les particules constituées de quarks (elle n'agit donc pas sur les électrons, par exemple).
L'interaction gravitationnelle est la dernière interaction fondamentale (à ce jour, en tous cas). Côté intensité, elle est très nettement derrière toutes les autres : \(10^{39}\) fois plus faible que l'interaction forte (et donc \(10^{37}\) fois plus faible que l'interaction électromagnétique, et \(10^{25}\) fois plus faible que l'interaction faible). Cela dit, aux grandes échelles, c'est l'interaction la plus représentative : en effet, elle a une portée infinie (bien que son intensité diminue avec la distance), et, contrairement à l'interaction électromagnétique, elle s'applique à tous les objets (chargés ou non), et est toujours attractive (alors que l'interaction électromagnétique peut être répulsive).
L'interaction gravitationnelle entraîne de nombreuses controverses au sein de la communauté scientifique : si la formule donnée par Newton est correcte dans le cas général, elle s'avère inapplicable pour des grandes vitesses. De nombreuses théories (théorie des cordes, théorie des boucles…) s'essayent à décrire la gravitation de manière générale, mais sans grand succès pour l'instant. Ainsi, l'interaction la plus connue à l'échelle macroscopique (car non limitée par la distance ou l'absence de charge) est la moins connue à l'échelle quantique…