De la marche dans la rue au lancement d'une fusée dans l'espace, en passant un aimant sur votre réfrigérateur, les forces physiques agissent tout autour de nous. Mais toutes les forces que nous vivons tous les jours (et beaucoup que nous ne réalisons pas que nous ressentons tous les jours) peuvent être réduites à seulement quatre forces fondamentales:
- La gravité.
- La force faible.
- Électromagnétisme.
- La force forte.
On les appelle les quatre forces fondamentales de la nature et elles régissent tout ce qui se passe dans l'univers.
La gravité
La gravité est l'attraction entre deux objets qui ont de la masse ou de l'énergie, que ce soit en faisant tomber un rocher d'un pont, une planète en orbite autour d'une étoile ou la lune provoquant des marées océaniques. La gravité est probablement la plus intuitive et la plus familière des forces fondamentales, mais elle a également été l'une des plus difficiles à expliquer.
Isaac Newton a été le premier à proposer l'idée de la gravité, supposément inspirée d'une pomme tombant d'un arbre. Il a décrit la gravité comme une attraction littérale entre deux objets. Des siècles plus tard, Albert Einstein a suggéré, à travers sa théorie de la relativité générale, que la gravité n'est pas une attraction ou une force. Au lieu de cela, c'est une conséquence des objets qui courbent l'espace-temps. Un grand objet fonctionne sur l'espace-temps un peu comme la façon dont une grosse boule placée au milieu d'une feuille affecte ce matériau, le déforme et fait tomber d'autres objets plus petits sur la feuille vers le milieu.
Bien que la gravité maintienne ensemble les planètes, les étoiles, les systèmes solaires et même les galaxies, elle s'avère être la plus faible des forces fondamentales, en particulier aux échelles moléculaire et atomique. Pensez-y de cette façon: est-il difficile de soulever une balle du sol? Ou pour lever le pied? Ou sauter? Toutes ces actions neutralisent la gravité de la Terre entière. Et aux niveaux moléculaire et atomique, la gravité n'a presque aucun effet par rapport aux autres forces fondamentales.
La force faible
La force faible, également appelée interaction nucléaire faible, est responsable de la désintégration des particules. Il s'agit du changement littéral d'un type de particule subatomique dans un autre. Ainsi, par exemple, un neutrino qui s'éloigne près d'un neutron peut transformer le neutron en proton tandis que le neutrino devient un électron.
Les physiciens décrivent cette interaction par l'échange de particules porteuses de force appelées bosons. Des types spécifiques de bosons sont responsables de la force faible, de la force électromagnétique et de la force forte. Dans la force faible, les bosons sont des particules chargées appelées bosons W et Z. Lorsque des particules subatomiques telles que des protons, des neutrons et des électrons se trouvent à moins de 10 ^ -18 mètres, soit 0,1% du diamètre d'un proton, les unes des autres, elles peuvent échanger ces bosons. En conséquence, les particules subatomiques se désintègrent en nouvelles particules, selon le site HyperPhysics de Georgia State University.
La force faible est critique pour les réactions de fusion nucléaire qui alimentent le soleil et produisent l'énergie nécessaire à la plupart des formes de vie ici sur Terre. C'est aussi pourquoi les archéologues peuvent utiliser le carbone 14 pour dater d'anciens os, du bois et d'autres objets anciens. Le carbone 14 a six protons et huit neutrons; l'un de ces neutrons se désintègre en proton pour produire de l'azote 14, qui a sept protons et sept neutrons. Cette désintégration se produit à un rythme prévisible, permettant aux scientifiques de déterminer l'âge de ces artefacts.
Force électromagnétique
La force électromagnétique, également appelée force de Lorentz, agit entre les particules chargées, comme les électrons chargés négativement et les protons chargés positivement. Les charges opposées s'attirent, tandis que les charges similaires se repoussent. Plus la charge est élevée, plus la force est grande. Et tout comme la gravité, cette force peut être ressentie à une distance infinie (bien que la force soit très, très petite à cette distance).
Comme son nom l'indique, la force électromagnétique se compose de deux parties: la force électrique et la force magnétique. Au début, les physiciens ont décrit ces forces comme distinctes les unes des autres, mais les chercheurs ont réalisé plus tard que les deux sont des composants de la même force.
Le composant électrique agit entre les particules chargées, qu'elles soient en mouvement ou stationnaires, créant un champ par lequel les charges peuvent s'influencer mutuellement. Mais une fois mises en mouvement, ces particules chargées commencent à afficher la deuxième composante, la force magnétique. Les particules créent un champ magnétique autour d'elles lorsqu'elles se déplacent. Ainsi, lorsque les électrons parcourent un fil pour charger votre ordinateur ou votre téléphone ou allumer votre téléviseur, par exemple, le fil devient magnétique.
Les forces électromagnétiques sont transférées entre les particules chargées par l'échange de bosons sans masse et porteurs de force appelés photons, qui sont également les composants des particules de lumière. Les photons porteurs de force qui s'échangent entre les particules chargées, cependant, sont une manifestation différente des photons. Ils sont virtuels et indétectables, même s'ils sont techniquement les mêmes particules que la version réelle et détectable, selon l'Université du Tennessee, Knoxville.
La force électromagnétique est responsable de certains des phénomènes les plus courants: le frottement, l'élasticité, la force normale et la force retenant les solides ensemble dans une forme donnée. Il est même responsable de la traînée que ressentent les oiseaux, les avions et même Superman en vol. Ces actions peuvent se produire en raison de l'interaction entre des particules chargées (ou neutralisées). La force normale qui maintient un livre au-dessus d'une table (au lieu de la gravité tirant le livre vers le sol), par exemple, est une conséquence des électrons dans les atomes de la table qui repoussent les électrons dans les atomes du livre.
La force nucléaire forte
La force nucléaire forte, également appelée interaction nucléaire forte, est la plus puissante des quatre forces fondamentales de la nature. C'est 6 mille milliards de milliards de milliards (soit 39 zéros après 6!) Fois plus forts que la force de gravité, selon le site HyperPhysics. Et c'est parce qu'il lie les particules fondamentales de matière entre elles pour former de plus grosses particules. Il maintient ensemble les quarks qui composent les protons et les neutrons, et une partie de la force forte maintient également les protons et les neutrons du noyau d'un atome.
Tout comme la force faible, la force forte ne fonctionne que lorsque les particules subatomiques sont extrêmement proches les unes des autres. Ils doivent être quelque part à 10 ^ -15 mètres les uns des autres, ou à peu près dans le diamètre d'un proton, selon le site HyperPhysics.
La force forte est étrange, cependant, car contrairement à toutes les autres forces fondamentales, elle s'affaiblit à mesure que les particules subatomiques se rapprochent. Elle atteint en fait une force maximale lorsque les particules sont les plus éloignées les unes des autres, selon le Fermilab. Une fois à portée, des bosons chargés sans masse appelés gluons transmettent la forte force entre les quarks et les maintiennent «collés» ensemble. Une toute petite fraction de la force forte appelée force forte résiduelle agit entre les protons et les neutrons. Les protons dans le noyau se repoussent en raison de leur charge similaire, mais la force forte résiduelle peut surmonter cette répulsion, de sorte que les particules restent liées dans le noyau d'un atome.
Unifier la nature
La question en suspens des quatre forces fondamentales est de savoir si elles sont en fait des manifestations d'une seule grande force de l'univers. Si c'est le cas, chacun d'eux devrait pouvoir fusionner avec les autres, et il existe déjà des preuves qu'ils le peuvent.
Les physiciens Sheldon Glashow et Steven Weinberg de l'Université Harvard avec Abdus Salam de l'Imperial College de Londres ont remporté le prix Nobel de physique en 1979 pour avoir unifié la force électromagnétique avec la force faible pour former le concept de la force électrofaiible. Les physiciens travaillant à trouver une soi-disant grande théorie unifiée visent à unir la force électrofaible à la force forte pour définir une force électronucléaire, ce que les modèles ont prédit mais les chercheurs n'ont pas encore observé. La dernière pièce du puzzle nécessiterait alors d'unifier la gravité avec la force électronucléaire pour développer la soi-disant théorie de tout, un cadre théorique qui pourrait expliquer l'univers entier.
Les physiciens ont cependant trouvé assez difficile de fusionner le monde microscopique avec le monde macroscopique. À de grandes échelles et surtout astronomiques, la gravité domine et est mieux décrite par la théorie d'Einstein de la relativité générale. Mais à l'échelle moléculaire, atomique ou subatomique, la mécanique quantique décrit le mieux le monde naturel. Et jusqu'à présent, personne n'a trouvé un bon moyen de fusionner ces deux mondes.
Les physiciens qui étudient la gravité quantique visent à décrire la force en termes de monde quantique, ce qui pourrait aider à la fusion. La découverte de gravitons, le boson porteur de force théorique de la force gravitationnelle, serait fondamentale pour cette approche. La gravité est la seule force fondamentale que les physiciens peuvent actuellement décrire sans utiliser de particules porteuses de force. Mais parce que les descriptions de toutes les autres forces fondamentales nécessitent des particules porteuses de force, les scientifiques s'attendent à ce que les gravitons doivent exister au niveau subatomique - les chercheurs n'ont tout simplement pas encore trouvé ces particules.
Pour compliquer davantage l'histoire, le royaume invisible de la matière noire et de l'énergie sombre, qui représente environ 95% de l'univers. Il est difficile de savoir si la matière noire et l'énergie sont constituées d'une seule particule ou d'un ensemble complet de particules qui ont leurs propres forces et bosons messagers.
La principale particule messagère d'intérêt actuel est le photon sombre théorique, qui servirait d'intermédiaire entre les univers visible et invisible. Si des photons sombres existent, ils seraient la clé pour détecter le monde invisible de la matière noire et pourraient conduire à la découverte d'une cinquième force fondamentale. Jusqu'à présent, cependant, il n'y a aucune preuve que des photons sombres existent, et certaines recherches ont montré que ces particules n'existent pas.
