Les quatre forces fondamentales de la nature › Geeky News

Les quatre forces fondamentales agissent sur nous chaque jour, que nous le réalisions ou non. Qu’il s’agisse de jouer au basket-ball, de lancer une fusée dans l’espace ou de coller un aimant pour réfrigérateur, toutes les forces que nous subissons tous au quotidien peuvent être réduites à un quatuor critique : la gravité, la force faible, l’électromagnétisme et la force forte. . Ces forces régissent tout ce qui se passe dans l’univers.

La gravité

La gravité est l’attraction entre deux objets qui ont une masse ou de l’énergie, qu’elle soit vue en laissant tomber une pierre d’un pont, une planète en orbite autour d’une étoile ou la lune provoquant des marées océaniques. La gravité est probablement la plus intuitive et la plus familière des forces fondamentales, mais elle a aussi été l’une des plus difficiles à expliquer.

Isaac Newton a été le premier à proposer l’idée de la gravité, soi-disant inspirée d’une pomme tombant d’un arbre. Il a décrit la gravité comme une attraction littérale entre deux objets. Des siècles plus tard, Albert Einstein suggéra, à travers sa théorie de la relativité générale, que la gravité n’est ni une attraction ni une force. Au lieu de cela, c’est une conséquence des objets s’écartant de l’espace-temps. Un gros objet fonctionne dans l’espace-temps un peu comme une grosse boule placée au milieu d’une feuille affecte ce matériau, le déforme et fait tomber d’autres objets plus petits sur la feuille vers le milieu.

Bien que la gravité maintienne les planètes, les étoiles, les systèmes solaires et même les galaxies ensemble, elle s’avère être la plus faible des forces fondamentales, en particulier à l’échelle moléculaire et atomique. Pensez-y de cette façon : est-il difficile de soulever une balle du sol ? Ou lever le pied ? Ou sauter ? Toutes ces actions contrecarrent la gravité de la Terre entière. Et au niveau moléculaire et atomique, la gravité n’a quasiment aucun effet par rapport aux autres forces fondamentales.

Connexe : Il y a un mystère géant caché à l’intérieur de chaque atome de l’univers.

Force faible

La force faible, également appelée interaction nucléaire faible, est responsable de la désintégration des particules. C’est le changement littéral d’un type de particule subatomique à un autre. Ainsi, par exemple, un neutrino qui s’éloigne à proximité d’un neutron peut transformer le neutron en proton tandis que le neutrino se transforme en électron.

Les physiciens décrivent cette interaction en échangeant des particules porteuses de force appelées bosons. Des types spécifiques de bosons sont responsables de la force faible, de la force électromagnétique et de la force forte. Dans la force faible, les bosons sont des particules chargées appelées bosons W et Z. Lorsque les particules subatomiques, telles que les protons, les neutrons et les électrons, mesurent entre elles 10 ^ -18 mètres, soit 0,1 % du diamètre d’un proton, elles peuvent échanger ces bosons. En conséquence, les particules subatomiques se décomposent en de nouvelles particules, selon le site Web HyperPhysics de la Georgia State University.

La force faible est essentielle pour les réactions de fusion nucléaire qui alimentent le soleil et produisent l’énergie nécessaire à la plupart des formes de vie ici sur Terre. C’est aussi la raison pour laquelle les archéologues peuvent utiliser du carbone 14 pour dater des os, du bois et d’autres artefacts qui ont déjà vécu. Le carbone 14 a six protons et huit neutrons ; l’un de ces neutrons se décompose en un proton pour produire de l’azote-14, qui contient sept protons et sept neutrons. Cette décomposition se produit à un rythme prévisible, permettant aux scientifiques de déterminer l’âge de ces artefacts.

La force faible est essentielle pour les réactions de fusion nucléaire qui alimentent le soleil et produisent l’énergie nécessaire à la plupart des formes de vie ici sur Terre. Cette importante éruption solaire a culminé à 10 h 29 HAE le 3 juillet 2021 (Crédit image : NASA)

Force électromagnétique

La force électromagnétique, également appelée force de Lorentz, agit entre les particules chargées, telles que les électrons chargés négativement et les protons chargés positivement. Les charges opposées s’attirent, tandis que les charges similaires se repoussent. Plus la charge est grande, plus la force est grande. Et comme la gravité, cette force peut être ressentie à une distance infinie (bien que la force soit très, très petite à cette distance).

Comme son nom l’indique, la force électromagnétique se compose de deux parties : la force électrique et la force magnétique. Au début, les physiciens ont décrit ces forces comme étant séparées les unes des autres, mais les chercheurs ont réalisé plus tard que les deux sont des composants de la même force.

Le composant électrique agit entre les particules chargées, qu’elles soient en mouvement ou immobiles, créant un champ par lequel les charges peuvent s’influencer mutuellement. Mais une fois qu’elles sont mises en mouvement, ces particules chargées commencent à montrer la deuxième composante, la force magnétique. Les particules créent un champ magnétique autour d’elles lorsqu’elles se déplacent. Ainsi, lorsque des électrons traversent un fil pour charger votre ordinateur ou votre téléphone ou allumer votre télévision, par exemple, le fil devient magnétique.

Connexes : Notre soleil entre-t-il en hibernation ?

Les forces électromagnétiques sont transférées entre les particules chargées par l’échange de bosons porteurs de force sans masse appelés photons, qui sont également les composants des particules lumineuses. Cependant, les photons porteurs de force qui sont échangés entre des particules chargées sont une manifestation différente des photons. Ils sont virtuels et indétectables, bien que techniquement ce soient les mêmes particules que la version réelle et détectable, selon l’Université du Tennessee, Knoxville.

La force électromagnétique est responsable de certains des phénomènes les plus courants : le frottement, l’élasticité, la force normale et la force qui maintient les solides ensemble d’une certaine manière. Il est même responsable de la traînée que subissent les oiseaux, les avions et même Superman en vol. Ces actions peuvent se produire en raison de l’interaction de particules chargées (ou neutralisées). La force normale qui maintient un livre sur une table (plutôt que la gravité poussant le livre vers le sol), par exemple, est une conséquence du fait que les électrons dans les atomes de la table repoussent les électrons dans les atomes de la table. livre.

La force qui maintient un livre sur une table (plutôt que la gravité poussant le livre vers le sol) est une conséquence de la force électromagnétique : les électrons des atomes sur la table repoussent les électrons des atomes du livre. (Crédit image : NASA / Shutterstock)

La force nucléaire forte

La force nucléaire forte, également appelée interaction nucléaire forte, est la plus puissante des quatre forces fondamentales de la nature. C’est 6 billions de billions de billions de billions (c’est 39 zéros après 6!) Des fois plus fort que la force de gravité, selon le site Web HyperPhysics. Et c’est parce qu’il lie les particules fondamentales de matière ensemble pour former des particules plus grosses. Il maintient ensemble les quarks qui composent les protons et les neutrons, et une partie de la force forte maintient également ensemble les protons et les neutrons dans le noyau d’un atome.

Comme la force faible, la force forte n’agit que lorsque les particules subatomiques sont extrêmement proches les unes des autres. Ils doivent être quelque part à moins de 10 ^ -15 mètres les uns des autres, ou à peu près dans le diamètre d’un proton.

Cependant, la force forte est étrange car, contrairement à toutes les autres forces fondamentales, elle s’affaiblit à mesure que les particules subatomiques se rapprochent les unes des autres. En fait, il atteint sa force maximale lorsque les particules sont les plus éloignées les unes des autres, selon le Fermilab. Une fois à portée, les bosons chargés sans masse appelés gluons transmettent la force puissante entre les quarks et les maintiennent « collés » les uns aux autres. Une petite fraction de la force forte appelée force forte résiduelle agit entre les protons et les neutrons. Les protons dans le noyau se repoussent en raison de leur charge similaire, mais la force résiduelle forte peut surmonter cette répulsion, de sorte que les particules restent attachées dans le noyau d’un atome.

Connexes : La NASA et le DOE financent trois concepts de propulsion nucléaire thermique dans l’espace

Une nature unificatrice

La question en suspens des quatre forces fondamentales est de savoir si elles sont en fait des manifestations d’une seule grande force dans l’univers. Si tel est le cas, chacun d’eux devrait pouvoir fusionner avec les autres, et il est déjà prouvé qu’ils le peuvent.

Les physiciens Sheldon Glashow et Steven Weinberg de l’Université Harvard avec Abdus Salam de l’Imperial College de Londres ont remporté le prix Nobel de physique en 1979 pour avoir unifié la force électromagnétique avec la force faible pour former le concept de la force électrofaible. Les physiciens travaillant pour trouver la théorie dite de la grande unification visent à faire correspondre la force électrofaible avec la force forte pour définir une force électronucléaire, que les modèles ont prédite mais que les chercheurs n’ont pas encore observée. La dernière pièce du puzzle nécessiterait alors d’unifier la gravité avec la force électronucléaire pour développer la soi-disant théorie de tout, un cadre théorique qui pourrait expliquer l’univers entier.

Cependant, les physiciens ont trouvé assez difficile de fusionner le monde microscopique avec le monde macroscopique. À grande échelle et surtout à échelle astronomique, la gravité domine et est mieux décrite par la théorie de la relativité générale d’Einstein. Mais à l’échelle moléculaire, atomique ou subatomique, la mécanique quantique décrit le mieux le monde naturel. Et jusqu’à présent, personne n’a trouvé un bon moyen de fusionner ces deux mondes.

De nombreux physiciens visent à unir les forces fondamentales sous une seule théorie unifiée, un cadre théorique qui pourrait expliquer l’univers entier. (Crédit image : Shutterstock)

Les physiciens qui étudient la gravité quantique visent à décrire la force en termes de monde quantique, ce qui pourrait aider à la fusion. Au cœur de cette approche serait la découverte des gravitons, le boson théorique porteur de la force gravitationnelle. La gravité est la seule force fondamentale que les physiciens peuvent actuellement décrire sans utiliser de particules porteuses de force. Mais parce que les descriptions de toutes les autres forces fondamentales nécessitent des particules porteuses de force, les scientifiques espèrent que les gravitons existent au niveau subatomique ; les chercheurs n’ont tout simplement pas encore trouvé ces particules.

Pour compliquer davantage l’histoire, le royaume invisible de la matière noire et de l’énergie noire, qui constituent environ 95% de l’univers. Il n’est pas clair si la matière noire et l’énergie sont constituées d’une seule particule ou d’un ensemble complet de particules qui ont leurs propres forces et bosons messagers.

La principale particule messagère d’intérêt actuel est le photon noir théorique, qui servirait de médiateur dans les interactions entre l’univers visible et invisible. Si les photons noirs existent, ils seraient la clé pour détecter le monde invisible de la matière noire et pourraient conduire à la découverte d’une cinquième force fondamentale. Cependant, il n’y a jusqu’à présent aucune preuve que les photons sombres existent, et certaines recherches ont fourni des preuves solides que ces particules n’existent pas.

Ressources additionnelles: