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 est essentiellement quantique. Ce concept d'interaction a tendance à supplanter celui de « force » qui fut élaboré dès l'Antiquité jusqu'à être parfaitement défini par Isaac Newton. Alors que les forces classiques modifient uniquement le mouvement des objets, les interactions peuvent aussi, parfois, modifier leur nature : ainsi, l'interaction nucléaire faible est la cause de la transmutation d'un noyau atomique par radioactivité bêta.

La gravitation est la première interaction fondamentale étudiée depuis l'Antiquité. Ses caractéristiques essentielles sont sa portée infinie et son intrinsèque faiblesse au niveau élémentaire. La gravitation se traduit d'abord par le phénomène de la chute des corps. Dès 1638, Galilée établit que le mouvement naturel des graves est « continuellement accéléré » (on dit aujourd'hui « uniformément accéléré »). Reconnue par Isaac Newton comme cause d'une attraction universelle des corps massifs, la force de gravitation est proportionnelle aux masses des corps et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Le coefficient de proportionnalité est très petit (dans les unités habituelles, il est égal à 6,67 × 10^—11), ce qui exprime la faiblesse de cette interaction entre deux protons, par exemple, comparée à la force de répulsion électrostatique qu'ils exercent. La loi de Newton a été testée de façon toujours plus précise en particulier grâce aux grands observatoires. La théorie de la relativité générale proposée en 1915 par Albert Einstein est une nouvelle théorie de la gravitation, qui adopte un point de vue fondamentalement différent en considérant que les objets massifs structurent l'espace-temps décrit par une géométrie spécifique (dite riemannienne).

L'interaction électromagnétique est la cause de phénomènes extrêmement variés. En plus de son rôle direct dans les effets électriques, magnétiques et optiques, son action est indispensable à tous les processus chimiques et biologiques. Comme la gravitation, elle a une portée infinie. Elle agit sur tous les objets portant une charge électrique de façon proportionnelle à cette charge, si bien que l'existence de charges négatives et positives tend à neutraliser ses effets. L'étude expérimentale des phénomènes électriques et magnétiques, largement développée au xix^e siècle, a permis de comprendre qu'ils sont tous dus à la présence d'un champ électromagnétique qui donne naissance à des ondes se propageant à une vitesse égale à celle de la lumière. Les équations de Maxwell décrivent l'évolution couplée de ce champ et des particules chargées : l'intensité et la variation du champ dépendent des densités de charge et de courant, tandis que le mouvement des particules est affecté par les caractéristiques du champ électromagnétique présent. Une caractéristique essentielle de cette théorie est son caractère local : toute action instantanée à distance est impossible ; au contraire, l'action d'une particule chargée sur une autre se décompose en trois processus : rayonnement d'un champ par une source, propagation de ce champ dans le vide ou dans la matière, absorption de ce champ. La lumière est elle-même une manifestation de ce champ électromagnétique, comme le sont aussi les ondes radio et les rayons X découverts à la fin du xix^e siècle. La description de[...]