INTERACTIONS (physique)Unification des forces
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L'ambition des scientifiques a toujours été de décrire des phénomènes variés comme des manifestations diverses de quelques processus fondamentaux. En physique, cette démarche a été couronnée de spectaculaires succès ; la reconnaissance du fait qu'un petit nombre d'interactions fondamentales − la gravitation, l'électromagnétisme, les interactions nucléaires faible et forte − sont à l'origine de tous les mouvements des corps matériels, mais aussi de leurs liaisons et de leur évolution, est un des plus solides acquis de la science moderne. La mise à l'épreuve expérimentale de ces théories n'est pas achevée mais les indications issues de la physique des particules élémentaires plaident de façon convaincante en faveur de la pertinence de cette démarche.
L'unification newtonienne
C'est vers 1680 qu'Isaac Newton affirme que la pesanteur et le mouvement des planètes sont deux manifestations d'une unique force. Cette unification de la gravité terrestre et de la gravité céleste dépasse la simple reconnaissance que les lois de la physique s'appliquent aussi bien à notre monde sublunaire qu'au reste de l'Univers, comme Galilée l'avait démontré en expliquant la formation des ombres sur la Lune, première vérification expérimentale de ce qu'on appelle maintenant principe de symétrie galiléenne. La reconnaissance de l'attraction universelle des corps massifs et sa description en termes mathématiques par une équation, mettant en jeu la constante de gravitation G, ouvre la voie à la physique moderne. Un siècle plus tard, Lagrange réécrit la dynamique newtonienne en s'appuyant sur la notion de potentiel gravitationnel. Ce cadre mathématique permettra aux physiciens du xixe siècle de décrire dans un même cadre théorique la gravitation et les multiples phénomènes liés à la propagation et aux propriétés des corps chargés et des rayonnements.
Isaac Newton
Photographie
La contribution d'Isaac Newton (1643-1727) à l'exploration du système solaire ne se limite pas à ses travaux sur la théorie de la gravitation. Ses recherches en optique ont eu également de nombreuses suites. En 1666, il découvre que la lumière du Soleil qui traverse un prisme de verre se...
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Écrit par :
- Bernard PIRE : directeur de recherche au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
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INTERACTIONS (physique) - Vue d'ensemble
La physique moderne considère que l'ensemble des phénomènes physiques s'expliquent par l'action de quatre interactions fondamentales : d'une part, la gravitation et l'électromagnétisme, qui ont une portée infinie et dont la description classique est souvent suffisante ; d'autre part, les interactions nucléaires fortes et faibles, qui ne s'expriment qu'à très courte distance et dont la description […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/interactions-physique-vue-d-ensemble/
INTERACTIONS (physique) - Interaction gravitationnelle
La gravitation est responsable de phénomènes aussi différents que la pesanteur ressentie par tout un chacun, le mouvement des planètes ou l'expansion de l'Univers. Cette force de gravitation est extrêmement faible entre particules élémentaires, mais ses effets deviennent impor […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/interactions-physique-interaction-gravitationnelle/
INTERACTIONS (physique) - Électromagnétisme
Notre vie quotidienne est certes assujettie à la pesanteur, dont tiennent obligatoirement compte tous nos gestes et nos réflexes, mais c'est l'électromagnétisme qui régit en réalité notre existence : tous les phénomènes qui nous entourent et nous construisent, depuis la lumière du […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/interactions-physique-electromagnetisme/
INTERACTIONS (physique) - Interaction électrofaible
La première manifestation de l'interaction nucléaire faible qu'on a observée est la désintégration β– de certains noyaux atomiques. Cette transmutation d'un élément vers un autre provient de la transformation d'un neutron en un proton avec émission d'un électron et d'un antineutrino. La […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/interactions-physique-interaction-electrofaible/
INTERACTIONS (physique) - Interaction nucléaire forte
L'interaction nucléaire forte, longtemps inaccessible, est responsable de la cohésion des divers noyaux atomiques. Sa compréhension a nécessité l'usage d'accélérateurs de particules, seuls outils capables de sonder la matière jusqu'à l'échelle où elle joue un rôle dominant. Sa description actuelle se fonde sur la théorie quantique des champs de quarks et de […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/interactions-physique-interaction-nucleaire-forte/
BANDES D'ÉNERGIE THÉORIE DES
Dans un atome isolé, les électrons se répartissent, en obéissant au principe de Pauli, entre des niveaux d'énergie bien déterminés, pratiquement sans largeur. Quand on rapproche par la pensée N atomes (avec N ∼ 10 23 ) pour construire un solide et qu'on oublie l'interaction entre les atomes, on est en droit de dire que chaque n […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/theorie-des-bandes-d-energie/#i_14600
CHAMP, physique
Entité décrite par l'ensemble des valeurs d'une grandeur physique, en général à plusieurs composantes, en tous les points de l'espace. D'ordinaire, le champ dépend aussi du temps (évolution du champ). On appelle couramment « champ en un point et au temps t » la valeur de la grandeur prise en un point et un instant déterminés. On peut classer les champs d'après leur nature ph […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/champ-physique/#i_14600
CHAMPS THÉORIE DES
Dans le chapitre « Calculs perturbatifs et diagrammes de Feynman » : […] La méthode de calcul des observables physiques qui s'est révélée la plus féconde en théorie quantique des champs est fondée sur la théorie mathématique des développements en série. L'idée est de raffiner un résultat par des approximations successives : on considère d'abord que les champs présents dans la réaction étudiée sont libres et que leurs interactions se réduisent à l'échange d'un seul qua […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/theorie-des-champs/#i_14600
CHROMODYNAMIQUE QUANTIQUE
Construite sur le modèle de l'électrodynamique, la théorie de la chromodynamique quantique explique l'interaction nucléaire forte responsable de la cohésion des noyaux atomiques. Fondée sur un principe abstrait de symétrie, dite de jauge, elle repose sur l'existence d'une charge dite de « couleur » portée par les quarks présents dans les protons et les neutrons. Des gluons de masse nulle, porteurs […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/chromodynamique-quantique/#i_14600
CINÉTIQUE DES FLUIDES THÉORIE
Dans le chapitre « Potentiels d'interaction » : […] Pour pouvoir analyser les phénomènes de collision élastique dans un fluide dilué, il faut donc connaître la loi d'interaction ϕ( r ), et l'on considère alors divers cas selon la nature du fluide observé : – Dans un plasma complètement ionisé, toutes les particules ont une charge électrique, et l'énergie potentielle d'interaction entre une particule de c […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/theorie-cinetique-des-fluides/#i_14600
COMPTON EFFET
Les rayonnements électromagnétiques de haute énergie (rayons X et γ) interagissent avec la matière selon trois processus : effet photoélectrique ; création de paires électrons-positrons ; enfin, diffusion élastique des photons sur des électrons libres ou peu liés, appelée effet Compton. Celui-ci est dû à l'interaction d'un rayon X ou d'un rayon γ avec un électron. Il s'interprète par la réaction […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/effet-compton/#i_14600
COSMOLOGIE
Dans le chapitre « Le rayonnement » : […] L'omniprésence du rayonnement est riche en conséquences. En effet, les photons du rayonnement interagissent avec les particules de matière. La matière ordinaire est essentiellement formée de protons et de neutrons d'une part (qui composent par exemple les noyaux des atomes) et d'électrons d'autre part. Dans les conditions ordinaires, les électrons sont liés aux noyaux pour former des atomes élect […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/cosmologie/#i_14600
EFIMOV VITALY (1938- )
Physicien russe, Vitaly N. Efimov est né en 1938 à Leningrad (aujourd’hui Saint-Pétersbourg). Après sa thèse soutenue en 1966 à l’institut physico-technique Ioffe de cette ville, Efimov a publié en décembre 1970 un court article de deux pages intitulé « Niveaux d’énergie dus aux forces résonantes à deux corps dans un système à trois corps » dans la revue européenne Physics […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/vitaly-efimov/#i_14600
FORMULATION DE LA THÉORIE ÉLECTROFAIBLE
En 1967, Steven Weinberg et Abdus Salam parviennent de façon indépendante à unifier en une seule théorie l'électromagnétisme et l'interaction nucléaire faible. Dans une remarquable synthèse de nombreux travaux théoriques antérieurs (en particulier ceux de Sheldon Glashow), Weinberg et Salam proposent que ces deux forces soient issues d'une même interaction électrofaible dont le vecteur est un trip […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/formulation-de-la-theorie-electrofaible/#i_14600
GELL-MANN MURRAY (1929- )
Physicien théoricien américain, né à New York le 15 septembre 1929. Nommé en 1952 professeur assistant à l'université de Chicago, Gell-Mann rejoint en 1955 le California Institute of Technology (Caltech) à Pasadena. Il y est nommé professeur de physique théorique en 1967. Lauréat du prix Nobel de physique en 1969, Gell-Mann est à l'origine des idées les plus fécondes de la théorie moderne des par […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/murray-gell-mann/#i_14600
GRENATS
Dans le chapitre « Structure cristalline » : […] C'est la structure cristalline qui détermine la nature des interactions magnétiques. La structure grenat se classe dans l'holoèdre du système cubique appartenant au groupe d'espace I à 3d-O h 10 . Chaque cellule unité contient huit unités de formule A 3 B 2 C 3 O 12 . Les atomes métalliques (cations) A, B et C se trouvent dans des sites cristallographiques bien définis, en […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/grenats/#i_14600
HAROCHE SERGE (1944- )
Né le 11 septembre 1944 à Casablanca, Serge Haroche intègre en 1963 l'École normale supérieure (E.N.S.), où il passe l'agrégation de physique et un doctorat de troisième cycle. Entré au C.N.R.S., il soutient, en 1971, un doctorat d'État préparé sous la direction de Claude Cohen-Tannoudji. Il est nommé professeur à l'université Pierre-et-Marie-Curie en 1975. Il occupe la chaire de physique quantiq […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/serge-haroche/#i_14600
HEISENBERG WERNER KARL (1901-1976)
Dans le chapitre « Théorie quantique des champs » : […] Dès 1927, Paul Dirac avait étendu hardiment la portée de l'algèbre quantique à des systèmes d'un nombre indéfini d'éléments, tels que les quanta de rayonnements électromagnétiques qui peuvent être créés ou annihilés dans les processus d'émission ou d'absorption. En outre, il avait découvert une formulation relativiste de la mécanique quantique des particules (telles que les électrons) qui sont do […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/werner-karl-heisenberg/#i_14600
HYPERSONS
Dans le chapitre « Interactions » : […] À côté de l'interaction phonon acoustique-phonon thermique responsable de l'atténuation des hypersons, de nombreux autres effets d'interactions peuvent exister : l'effet des dislocations, la diffraction par les défauts cristallins, les effets thermo-élastique, acousto-électrique dans les milieux semi-conducteurs, magnéto-élastique dans les milieux ferromagnétiques. Sont également possibles des i […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/hypersons/#i_14600
LUMIÈRE
Dans le chapitre « Interaction lumière-matière » : […] Il est aisé de comprendre au premier degré par quel procédé un objet – rouge par exemple – nous apparaît d'une certaine couleur. Éclairée par de la lumière dite blanche (comme celle du soleil ou d'une ampoule), il ne renvoie vers notre œil qu'une partie du rayonnement incident – les composantes rouges de la lumière. Les autres composantes sont absorbées ou diffusées dans d'autres directions (un o […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/lumiere/#i_14600
MAGNÉTISME
Dans le chapitre « Interactions magnétiques » : […] L'interprétation des diverses sortes de magnétisme repose sur l'existence, entre porteurs de moment, d'interactions dont la nature, longtemps obscure, a pu être éclaircie à l'aide de la mécanique quantique. Lorsque les orbitales sur lesquelles évoluent deux électrons ont une partie – même faible – commune, le principe d'exclusion de Pauli conduit à une différence d'énergie électrostatique selon […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/magnetisme/#i_14600
MASSE, physique
Dans le chapitre « Masse et interactions » : […] Nous savons que la matière est composée d'atomes, eux-mêmes composés d'électrons et d'un noyau constitué de particules plus fondamentales : les quarks et gluons, qui forment les nucléons, regroupés dans le noyau. L'affirmation que la masse d'un corps quelconque est fournie par celle de ses constituants, même en tenant compte pour être plus précis du défaut de masse évoqué plus haut, semble complèt […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/masse-physique/#i_14600
MATIÈRE (physique) - État solide
Dans le chapitre « La cohésion des solides » : […] Il est toujours possible de transformer un solide en un gaz, en lui fournissant une énergie, appelée énergie de cohésion ou de sublimation. Cette énergie traduit l'existence de forces d'interaction – de liaisons – entre atomes. L'interaction entre deux atomes met en jeu deux types de forces antagonistes. Le premier est de nature répulsive : dès que deux atomes ou, de façon plus générale, deux ions […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-etat-solide/#i_14600
MATIÈRE (physique) - État liquide
Dans le chapitre « Les potentiels intermoléculaires et les modèles de l'état liquide » : […] Pour comprendre théoriquement l'état liquide, il convient d'avoir en mémoire qu'il existe toujours entre deux molécules neutres des forces présentant un caractère attractif à courte distance, que l'on nomme forces de Van der Waals. Elles se manifestent par un minimum de la courbe de variation de l'énergie d'interaction u ( r ) avec la distance. Dans le c […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-etat-liquide/#i_14600
PARITÉ, physique
Transformation qui change toutes les coordonnées spatiales en leurs opposées. Les interactions gravitationnelles, électromagnétiques et nucléaires fortes sont invariantes par parité. Les interactions faibles violent de façon maximale cette symétrie. Cette caractéristique proposée en 1956 par les physiciens chinois Tsung Dao Lee et Chen Ning Yang fut vérifiée quelques mois plus tard par l'observat […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/parite-physique/#i_14600
PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Caractères généraux
Dans le chapitre « La famille des bosons » : […] Les interactions entre particules élémentaires, sur lesquelles nous reviendrons plus en détail, correspondent à l'émission d'un champ et à la réaction à ce champ. L'archétype est le champ électrique, créé par la présence d'une particule chargée, qui influence d'autres éléments chargés. Ces champs ont une forme quantique qui associe la force due à la présence d'un champ à un […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/particules-elementaires-caracteres-generaux/#i_14600
PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Détecteurs de particules
Dans le chapitre « Détecteurs électroniques » : […] Les détecteurs servent à compter les particules émises par des noyaux ou des atomes instables, à mesurer leur flux moyen, leur énergie, leur position spatiale, ou à déterminer leur nature. Les problèmes varient suivant la nature des rayonnements dont l'interaction avec la matière conditionne le choix du type de détecteur. Mais, en règle générale, l'impulsion électrique finale est commandée par l' […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/particules-elementaires-detecteurs-de-particules/#i_14600
PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Bosons
Dans le chapitre « L'interaction photon-particule » : […] En théorie quantique, l'interaction de la matière avec le champ électromagnétique est décrite en termes d'absorptions, d'émissions ou de diffusions de photons. Ainsi l'effet photoélectrique, qui correspond à l'ionisation d'un atome sous l'action d'un champ électromagnétique de fréquence ν, est-il le résultat de l'absorption d'un photon d'énergie h ν par l'atome qui est porté […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/particules-elementaires-bosons/#i_14600
PHONON
Les phonons, ou vibrations collectives d'un ensemble d'atomes en interactions, représentent un des aspects les plus importants de la physique des solides. Ils interviennent dans des propriétés aussi diverses que la propagation d'ondes sonores, la chaleur spécifique, la conductivité thermique et électrique, la supraconductivité, la ferro-électricité. On peut comprendre l'existence de telles vibrat […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/phonon/#i_14600
PHYSIQUE - Les fondements et les méthodes
Dans le chapitre « Les fondements de la physique contemporaine » : […] Le cadre dans lequel se situe la physique contemporaine est celui d'un espace et d'un temps qui sont bien définis pour un observateur déterminé. Si l'on veut s'affranchir de cette référence à l'observation, il est nécessaire de tenir compte de la manière dont les mesures de distance et de temps sont affectées par le mouvement des appareils de mesure, ce qui se fait naturellement dans le cadre plus […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/physique-les-fondements-et-les-methodes/#i_14600
PRESSIONS PHYSIQUE & CHIMIE DES HAUTES
Dans le chapitre « Aspects fondamentaux » : […] Les nuages électroniques des particules créent des forces d'interactions comportant une partie attractive à longue distance et une partie répulsive à courte distance. Les forces attractives sont les forces de Van der Waals, dont la partie la plus importante correspond aux forces de London, c'est-à-dire aux couplages entre les dipôles correspondant aux électrons. Les forces répulsives sont dues à […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/physique-et-chimie-des-hautes-pressions/#i_14600
RAYONNEMENT, physique
Terme général désignant toute forme d'énergie en mouvement. Il s'agit le plus souvent d'un rayonnement ondulatoire , c'est-à-dire de la propagation d'un champ : rayonnement électromagnétique (ondes radioélectriques, rayons X, lumière, etc.), rayonnement élastique (son, ultrason, etc.), rayonnement gravitationnel (ondes gravitationnelles). Par extension, on appelle […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/rayonnement-physique/#i_14600
RAYONNEMENT COSMIQUE - Rayons gamma cosmiques
Dans le chapitre « Les techniques d'observation des rayons gamma cosmiques » : […] La détection des rayons gamma cosmiques passe par leur interaction avec les atomes du milieu détecteur. Un photon gamma de très basse énergie (moins de 0,2 MeV) y est le plus souvent absorbé ( effet photoélectrique ), avec émission d'un électron emportant l'essentiel de son énergie. Un photon un peu plus énergétique (de 0,2 à 5 MeV) est plutôt diffusé, avec changement d'éner […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/rayonnement-cosmique-rayons-gamma-cosmiques/#i_14600
SUPRACONDUCTIVITÉ
Dans le chapitre « Modèle microscopique de B.C.S. » : […] L'état d'ordre supraconducteur est analogue à celui d'un solide ou d'un composé ferromagnétique. La « rigidité » du supraconducteur devant des perturbations électriques ou magnétiques conduit à la conductivité infinie et à l'effet Meissner. L'interaction attractive entre les électrons d'une paire peut être décrite schématiquement. Un électron de conduction se déplaçant dans le métal provoque sur […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/supraconductivite/#i_14600
SURFACE PHÉNOMÈNES DE
Dans le chapitre « Interaction avec les atomes » : […] Lorsqu'un atome de gaz rare (ou une molécule neutre) s'approche de la surface d'un solide, il subit une attraction qui résulte des forces de dispersion, ou forces de Van der Waals. Pour un solide semi-infini comportant une surface plane, l'interaction atome-surface à la distance z de la surface s'écrit (pour une distance z supérieure au diamètre de l'a […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/phenomenes-de-surface/#i_14600
THERMONUCLÉAIRE ÉNERGIE
Dans le chapitre « Interaction à très hauts flux » : […] Au début des années 1990, l'interaction laser-plasma a été le théâtre d'une véritable révolution avec l'avènement des lasers ultra-intenses. À la fin des années 1980, une technique d'amplification d'impulsions électromagnétiques, initialement appliquée aux radars, a été transposée aux lasers et a permis de multiplier par mille la puissance crête délivrée par un laser. Pour cela, une impulsion ult […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/energie-thermonucleaire/#i_14600
TURBULENCE
Dans le chapitre « La turbulence en interaction avec le rayonnement électromagnétique » : […] Toute variation ou fluctuation de masse spécifique, température, ou concentration en gaz ou particules affecte les propriétés optiques d'un milieu fluide : le rayonnement et la turbulence entrent donc dans des interactions variées, parfois d'une grande importance (astro- et géophysique, combustion, optique...). Tout d'abord, la célérité v de propagation du rayonnement dans l […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/turbulence/#i_14600
UMKLAPP PROCESSUS
Processus d'interaction, d'un type particulier, ayant lieu entre particules (électrons) ou quasi-particules (phonons, photons, magnons, etc.) à l'intérieur d'un réseau cristallin. Tandis que, dans un processus « normal » (ou « N »), la conservation de l'impulsion ou de la quasi-impulsion totale est toujours vérifiée, elle ne l'est dans un processus « Umklapp » (ou « U ») qu'à condition de faire in […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/processus-umklapp/#i_14600
UNIVERS
Dans le chapitre « Domaine subnucléaire » : […] Un nombre grandissant de particules élémentaires subnucléaires est découvert par les physiciens, qui parviennent à révéler la nature la plus intime de la matière observable. Cette matière est gouvernée par quatre interactions fondamentales (tabl. 1) : l'interaction forte (nucléaire), l'interaction faible (qui se manifeste par exemple par la désintégrati […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/univers/#i_14600
Voir aussi
Pour citer l’article
Bernard PIRE,
« INTERACTIONS (physique) -
