Les Quatre Forces

Force nucléaire forte:

C'est celle qui cimente les nucléons dans les noyaux. C'est elle aussi qui associe les quarks 3 par 3 à l'intérieur des nucléons et donne naissance à l'énergie nucléaire. 1 gramme de carburant nucléaire = 1 tonne de dynamite. Elle agit sur une distance de 10-13 cm, elle est 100 fois plus forte que la force électromagnétique et n'agit que sur des particules massives comme le proton et le neutron d'un poids de 10-24 grammes. La masse d'un proton est égale à 1836 fois la masse de l'électron.

Force électromagnétique :

Cette force, bien supérieure à la force de gravité, n'agit que sur les particules chargées, soit positivement comme les protons, soit négativement comme les électrons. Elle forme les atomes en attachant les électrons aux noyaux, mais elle ne s'arrête pas là. Elle soude les atomes en les obligeant à partager leurs électrons pour former les molécules. Elle pousse encore les molécules à se combiner à leur tour en de longues chaînes, la plus haute expression de ces chaînes est l'ADN qui permet la vie.

Force gravitationnelle :

Découverte au XVII siècle par Isaac Newton, cette force attractive agit sur toutes masses. La plus faible des quatre forces de la nature, mais aussi celle qui a la plus grande portée, elle agit sur l'ensemble de l'univers, elle est la colle du cosmos. L'intensité ce cette force dépend de la masse de l'objet. Ce n'est qu'à l'échelle astronomique que la gravité se fait vraiment sentir, dans d'énormes masses comme celle de la Terre (6x1027 grammes), du Soleil (1033 grammes), d'une galaxie (1044 grammes), d'un amas de galaxies (1047 grammes) ou de l'univers tout entier.

Force nucléaire faible :

C'est elle qui permet aux neutrons de se transformer en protons et vice versa quand les conditions s'y prêtent: lors de la radioactivité bêta, un neutron se désintègre en donnant naissance à un proton; un électron et un antineutrino sont alors émis. Elle n'agit pas sur les particules immortelles comme l'électron, le photon et le neutrino. Bien que plus forte que la gravité, elle est 1000 fois plus faible que la force électromagnétique. Elle n'a d'influence que sur une distance de 10-16 cm. C'est en 1896, par hasard que le physicien français Henri Becquerel découvrit ce processus de désintégration, sur une plaque photographique.

Théorie de l'unification des forces

Jusqu’à présent, les physiciens ont découvert les quatre forces fondamentales dans la nature: nucléaire forte, électromagnétique, gravitationnelle et nucléaire faible. Pourquoi quatre et non trois ou même une seule? En physique on cherche toujours une théorie qui englobe le plus de phénomènes. C’est pourquoi les physiciens ont pensé que ces forces en apparence fondamentales résulteraient d’une seule et unique force plus fondamentale encore. De cette idée sont nés les efforts de ces dernières décennies pour unifier les quatre forces que nous connaissons. Si effectivement les forces peuvent s’unifier en une seule alors pourquoi en observons-nous quatre autour de nous? C’est qu’en fait cette force unique a été brisée au cours de l’évolution de notre univers. Les forces se sont dissociées quand l’énergie a diminué.

Unification de la force nucléaire faible et de la force électromagnétique

En remontant le fil du temps et des énergies, trois physiciens de génie, les Américains Sheldon Glashow et Steven Weinberg et le Pakistanais Abdus Salam – récompensés par le prix Nobel de physique en 1979 – ont réussi à unifier la force nucléaire faible avec la force électromagnétique en une seule et même interaction, baptisée « électrofaible ». Pour réaliser cette union pourtant improbable, les trois chercheurs ont dû imaginer l'existence de particules porteuses de cette interaction, qu'ils appelèrent bosons intermédiaires W+, W- et Z°.

Liaison de la force nucléaire forte au tandem électrofaible

L'étape suivante consiste en principe à relier la force nucléaire forte au tandem électrofaible. C'est ce que vise à réaliser la théorie de la grande unification. Pour le profane, c'est un peu le mariage de la carpe et du lapin. Mais pour les experts, une étape originale s'amorce, qui nous conduit vers des niveaux d'énergie colossaux. La force ainsi unifiée est baptisée électronucléaire. Un ingrédient supplémentaire doit probablement être ajouté: la notion de supersymétrie.

Unification finale

Reste LE plus gros morceau. Unir, si possible, la relativité générale d'Einstein, vision moderne de la gravitation qui s'applique à l'Univers, avec la mécanique quantique des particules, qui régit l'infiniment petit. Le fruit de ce vrai casse-tête portera le nom de « théorie du tout ».

Premier principe : désormais, les objets élémentaires seront représentés par des entités mathématiques linéaires, donc à une seule dimension – les cordes, que l'on pourrait assimiler à de petits élastiques. Plus besoin d'une multitude de particules. Toutes seraient constituées de cordes – voire d'autres objets étendus, comme des membranes – et la manière dont elles vibreraient en ferait un électron, un quark, un photon, etc. Comme leur longueur prédite serait de l'ordre de 10-35 mètres, nous ne sommes pas près de les approcher directement en laboratoire.

Second principe : ces cordes vibreraient dans un espace-temps à non pas quatre mais dix dimensions. Où sont passées ces dimensions cachées ? Si l'on n'a jamais perçu leur existence, c'est qu'elles doivent posséder une longueur caractéristique infime ; pouvant être de l'ordre de 10-35 mètres. Les dimensions de l'espace classiques sont infinies. Les dimensions supplémentaires, elles, doivent être imaginées enroulées et refermées sur elles-mêmes. Ce concept de cordes a donné naissance à plusieurs classes de théories en apparence différentes, qui restent en fait à élaborer plus concrètement et qui n'ont pas encore pu encore être vraiment confrontées aux résultats expérimentaux. La quête du Graal des physiciens a encore de beaux jours devant elle.