INTERACTIONS (physique)Vue d'ensemble

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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 xixe 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 xixe siècle. La description de l'électromagnétisme dans un cadre quantique permet de comprendre de façon extraordinairement précise les processus microscopiques sous-jacents à la plupart des phénomènes électriques, magnétiques et lumineux, naturels ou artificiels. Cette interaction est certainement la mieux comprise des forces de la nature.

La mise en évidence de deux nouvelles forces fondamentales – les interactions nucléaires forte (en 1921) et faible (en 1933) – a élargi la notion d'interaction fondamentale.

En 1921, James Chadwick infère des observations des collisions entre des rayons α et des noyaux atomiques l'existence d'une force d'origine non électromagnétique. Au fur et à mesure que les expériences s'accumulent, principalement grâce à l'étude des rayons cosmiques et à la construction d'accélérateurs de particules de plus en plus puissants, le caractère particulier de cette nouvelle force s'affirme davantage. De portée minuscule, elle ne s'exprime qu'à une échelle de longueur caractéristique de la taille des noyaux atomiques, c'est-à-dire de l'ordre du femtomètre (milliardième de micromètre). L'intensité de l'interaction forte est considérable, comme en témoigne l'extrême stabilité de nombreux noyaux atomiques dans lesquels la répulsion électrostatique des protons est plus que compensée par l'attraction nucléaire. Contrairement aux autres interactions, cette force ne concerne qu'une classe limitée d'objets : quarks et gluons au niveau élémentaire, hadrons et noyaux atomiques au niveau composite. La première théorie proposée en 1934 par Hideki Yukawa quantifie cette intensité en déterminant le « couplage » des nucléons (protons ou neutrons) aux mésons (et principalement le méson π) à partir des réactions de diffusion de protons : ce couplage s'avère alors un millier de fois supérieur au couplage électromagnétique. Une fois reconnu que nucléons et mésons étaient des états composites, la chromodynamique quantique est depuis les années 1970 la théorie quantique des interactions fortes. Dans son cadre, les interactions nucléaires sont les manifestations de processus élémentaires mettant en jeu les quarks et les gluons. Une nouvelle « charge » quantique, appelée « charge de couleur », joue le rôle de la charge électrique : un quark peut ainsi être « rouge », « vert » ou « bleu ». Les huit gluons sont capables de changer la couleur d'un quark, et ils portent eux aussi un caractère coloré. Selon cette description, l'intensité de l'interaction forte dépend au niveau élémentaire du couplage entre les quarks et les gluons. Cette intensité varie significativement avec la distance des objets, et cela de façon assez paradoxale puisqu'elle augmente lorsque la distance croît. À une distance de l'ordre du femtomètre, elle est plus de dix fois supérieure à celle de l'électromagnétisme. Lorsqu'on passe au niveau des protons (ou des neutrons), il faut considérer qu'ils sont formés d'une superposition d'états composés de quarks, d'antiquarks et de gluons liés fortement entre eux, selon un mélange « neutre de couleur » de constituants colorés, dans le même sens que la lumière blanche est une superposition des couleurs de l'arc-en-ciel. L'interaction nucléaire résiduelle entre des objets ne [...]

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  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Pour citer l’article

Bernard PIRE, « INTERACTIONS (physique) - Vue d'ensemble », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/interactions-physique-vue-d-ensemble/