SCIENCES & VIE

Les 4 interactions fondamentales responsables de tous les phénomènes physiques observés dans l’univers.

Nous vivons sur terre sous cure du soleil et nous continuons notre quotidien et nos affaires sans fin. Mais nous ne nous soucions presque pas des merveilles qui nous entourent. Nous oublions que sans elles, il n’y aurait pas la vie dans ce grand univers. Parmi ces merveilles, nous avons les 4 interactions fondamentales. Ces interactions affectent chaque particule de l’univers y compris celles des atomes de notre organisme.

Certaines sont perceptibles par ses effets et d’autres sont présentes dans l’univers mais à l’échelle microscopique et affectent la composition de toutes les particules. Ces interactions sont aussi importantes que l’air que nous respirons, l’eau que nous buvons ou la nourriture que nous mangeons.

Voulez-vous savoir quelque chose sur ces interactions qui contrôlent d’une manière ou d’une autre l’existence de l’univers. Ensemble essayons de faire connaissance de ces “interactions fondamentales” et leurs caractéristiques incroyables.

Voici donc ces 4 interactions fondamentales qui gouvernent l’univers.

les 4 interactions fondamentales

Interaction gravitationnelle

Celle-ci produit une force toujours attractive entre les particules de masse non nulle. C’est elle qui détermine notre poids, fait tomber les oranges des arbres et maintient les planètes en orbite autour du soleil. La force de la gravité est une force attrayant 2 particules distant entre elles et de masse non nulle conformément à la loi de la gravitation d’Isaac Newton.

Dans le cadre de la relativité générale, la gravitation n’est pas une force mais une manifestation de la courbure de l’espace-temps. La gravitation ne fait pas partie du modèle standard, elle est décrite par la relativité générale. Elle se définit par la déformation de l’espace-temps. La gravitation est la plus faible des quatre interactions fondamentales. Elle s’exerce à distance et de façon attractive entre les différentes masses. Sa portée est infinie.

La force de la gravité terrestre(le poids) est une force que nous ressentons par ses effets car elle nous attire et attire tous les corps autour de nous vers le centre de la terre. Bref c’est elle qui nous maintient en équilibre à la surface de la terre. Saviez-vous qu’elle est aussi la force la plus faible bien qu’elle soit perceptible?! La raison de la perception de ses effets est la grande différence entre la masse du corps à côté de la terre et celle de la terre.

Interaction électromagnétique

L’interaction électromagnétique régit tous les phénomènes électriques et magnétiques. Elle peut être attractive ou répulsive : par exemple, deux pôles d’aimants de même signe (« nord » ou « sud ») vont se repousser alors que deux pôles d’aimants de signe opposé vont s’attirer. 

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Elle concerne les particules chargées. L’interaction électromagnétique entre les charges électriques se manifeste dans les actions chimiques. La lumière, les signaux de Radio et de télévision, les rayons X, les frottements, la cohésion des solides et bien d’autres phénomènes dont nous faisons l’expérience de la vie courante. Le photon est la particule élémentaire associée à l’interaction électromagnétique. Il est de charge électrique nulle et sans masse, ce qui fait que cette interaction a une portée infinie. 

L’interaction électromagnétique gouverne aussi la transmission des signaux le long des fibres nerveuses. Elle fait intervenir la force électrostatistique que nous étudions dans le cours de physique dont la loi générale stipule que : « 2 particules de même charge se repoussent et celle de charge contraire s’attirent».

Force électromagnétique: force attractive ou répulsive (dépendant des charges électriques) qui varie comme le carré de la distance.

Cette loi soulève une question importante: qu’en est-il des protons qui s’accrochent entre eux dans le noyau de l’atome bien qu’ils soient Tous de charge positive? Nous aurons à répondre à cette question si importante dans nos prochaines postes.

L’interaction électromagnétique est responsable de quasiment tous les phénomènes de la vie courante, ceci en dehors de la pesanteur. En particulier, nos cinq sens se basent sur l’interaction électromagnétique pour interagir avec notre monde environnant. En résumé, l’interaction électromagnétique est la seule interaction utilisée naturellement par le corps humain pour communiquer, analyser l’environnement, consommer de l’énergie, se développer, bref pour vivre… cliquer ici pour en savoir plus sur cette interaction.

Interaction nucléaire forte

Cette interaction maintient les particules à l’intérieur du noyau. Elle est manifestée par une force qui tient les protons dans le noyau de l’atome et les regroupe pour rester cohérent. Elle est attractive et très intense (100 fois plus que la force électromagnétique).

L’interaction forte permet la cohésion du noyau de l’atome. Elle agit à courte portée au sein du proton et du neutron. Elle confine les quarksparticules élémentaires qui composent les protons et neutrons, en couples “quark−antiquark” (mésons), ou dans des triplets de quarks (un ou deux autres (anti) quarks) (baryons). Cette interaction se fait par l’échange de bosons appelés “gluons”. Le gluon est la particule élémentaire liée à l’interaction forte.

La réaction primordiale de fusion de deux protons en deutéron (un isotope naturel de l’hydrogène dont le noyau contient un proton et un neutron) est un processus venant à l’interaction faible dont le taux gouverne la lente combustion des étoiles. C’est ensuite l’interaction forte qui est à l’œuvre dans les chaînes de réactions nucléaires qui suivent et qui produisent d’autres noyaux. Cette interaction est notamment responsable des réactions nucléaires qui ont lieu au sein du Soleil.

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Ainsi le proton est incolore Quark. d. Quark u. Quark. u. Les gluons « collent » les quarks entre eux : ils sont confinés à l’intérieur des hadrons (proton, neutron,…)  Stabilité des noyaux. Médiateurs: gluons.

Sans cette interaction, on se retrouverait devant ce paradoxe: « l’univers est composé uniquement des particules à un proton et un neutron donc l’Hydrogène ». Malgré l’immensité de l’interaction forte, nous ne ressentons pas ses effets car son champ d’action est de portée très courte.

Interaction nucléaire faible

L’interaction faible (aussi appelée force faible et parfois force nucléaire faible) est l’une des quatre interactions fondamentales de la nature. Elle est responsable de la désintégration radioactive de particules subatomiques et est à l’origine de la fusion nucléaire dans les étoiles. C’est une interaction nettement complexe dont son action se traduit par la transformation d’un proton en un neutron et vice-versa.

L’interaction faible a été décrite pour la première fois dans les années 1930 par Enrico Fermi, qui en faisait une interaction de contact à quatre fermions. Nommée interaction de Fermi, Fermi s’en est servi pour expliquer la désintégration β du neutron. Elle fut aussi utilisée en 1947 lors de la découverte de la désintégration du muon. Par la suite, une description sous forme de champ à très faible portée a été préférée. En 1968, les interactions électromagnétique et faible ont été unifiées, et présentées comme deux aspects de l’interaction électrofaible.

Propriétés

L’interaction faible est unique à plusieurs points de vue :

  1. C’est la seule interaction fondamentale capable de changer la saveur des quarks ;
  2. Elle est la seule qui viole la symétrie P (parité) ;
  3. C’est aussi la seule qui viole la symétrie CP ;
  4. Elle est portée par des bosons munis d’une masse importante. Cette caractéristique inhabituelle étant expliquée dans le modèle standard par le mécanisme de Higgs ;
  5. C’est la seule qui ne produit aucun état lié connu entre corpuscules, qui serait comparable aux orbites des planètes autour des étoiles pour la gravitation, à celles des électrons autour des noyaux pour l’interaction électromagnétique, et aux liaisons entre quarks dans les nucléons pour l’interaction forte.
L’interaction faible

La radioactivité ꞵ (beta) de l’interaction faible est à l’ origine de la nucléosynthèse dans les étoiles. C’est elle qui rend possible la datation par le carbone 14, en transformant le carbone 14 en azote 14. Elle est aussi à l’origine de la radioluminescence, utilisée dans l’illumination au tritium et dans les générateurs bêtavoltaïques.

Vers une théorie dite de Grande Unification

Quatre interactions pour expliquer tous les phénomènes physiques, c’est peu. Mais c’est encore trop pour les théoriciens en quête d’unité. Ils aimeraient réduire ce chiffre. Par exemple, les quatre interactions fondamentales seraient des aspects ou des niveaux différents d’une même réalité qu’on pourrait caractériser à un niveau plus profond – c’est-à-dire exprimer par une seule théorie dite « unitaire ».

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Des travaux datant des années 1980 ont permis de décrire avec succès l’interaction électromagnétique et l’interaction faible par le même formalisme ; la force unique qui en résulte est dite « électrofaible ». Le fameux boson de Higgs-Englert, découvert en 2012 au Cern, faisait partie des ultimes prédictions de cette théorie unifiée. On espère pouvoir un jour unir cette dernière avec l’interaction forte au sein d’une théorie dite de Grande Unification. Le but ultime serait d’incorporer aussi la gravité dans un même schéma cohérent, et de nombreuses tentatives sont faites, pour l’instant non encore abouties, comme les diverses théories des cordes.

A retenir sur ces 4 interactions fondamentales

En quelques mots, voici ces 4 points que nous devons retenir sur les interactions fondamentales régissant notre univers:

  • La gravitation explique la pesanteur, la chute des corps, mais aussi les marées, les trajectoires de la Lune, des planètes, des étoiles et des galaxies jusqu’à l’expansion de l’Univers. Elle est décrite à merveille par la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein
  • L’électromagnétisme regroupe tous les phénomènes électriques, magnétiques et lumineux, les réactions chimiques ou la biologie. En fait, la quasi-totalité des phénomènes de la vie courante, en dehors de la pesanteur. Il est décrit à merveille par la théorie électromagnétique de Maxwell. 
  • L’interaction forte explique la cohésion des noyaux atomiques, donc l’existence même de la matière que nous connaissons. Elle est décrite par la théorie de la chromodynamique quantique.
  • L’interaction faible provoque la désintégration radioactive des particules subatomiques et permet la fusion thermonucléaire au sein des étoiles. 

Epilogue

Étant donné que la physique a toujours eu pour ambition d’expliquer la diversité du réel par une unité sous-jacente. Dans ce billet nous proposer par Influenscia, nous avions non seulement parler d’une loi qui explique la chute des oranges et le mouvement de la lune, ou de celle qui explique l’électricité et le magnétisme mais aussi de celles qui s’exercent qu’à l’échelle des noyaux atomiques (les interactions nucléaires forte et faible).

Tous les processus physiques, chimiques ou biologiques s’expliquent à l’aide seulement de ces quatre interactions fondamentales. Sans elles, il n’y aurait pas de vie sur cette terre. Ces 4 interactions gouvernent l’univers.

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Influenscia

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