forces

Les quatre interactions fondamentales

un boson, comment ça marche?

De l'importance du mouvement

Nous avons vu le monde des particules de matière.
Ce monde n'est qu'une des deux facettes de l'univers qui nous entoure. En effet, tous les phénomènes physiques, chimiques ou biologiques tels que la chute d'une pomme d'un arbre (tiens tiens!), la lumière émise d'une ampoule électrique, un bon soufflé qui gonfle dans le four ou même les battements de votre coeur; tous ces phénomènes courants ne peuvent exister que parce que le mouvement est possible. Cela paraît evident et pourtant, comment le mouvement de toute chose est-il possible? Il y a toujours à l'origine d'un mouvement une impulsion, une force qui en est la cause... Or les physiciens, dans leur quête d'une vision unifiée du monde, ont réussi le tour de force de réduire à exactement quatre (ou peut-être même moins, nous le verrons à la fin de ce chapitre) le nombre de forces qui sévissent dans le vaste Univers.

Ces forces sont:

La gravitation qui fait tomber les pommes sur la tête de certains. C'est aussi elle qui attire la Terre et la Lune.

l'interaction électromagnétique qui assure la cohésion de votre corps et gouverne toute la chimie. C'est elle qui attire l'électron et le noyau atomique.

l'interaction forte qui unit les quarks ensembles et donc les noyaux des atomes.

l'interaction faible qui est responsable de la radioactivité bêta et grâce à laquelle la matière a vaincu l'antimatière.

Ces forces sont appelées interactions. Pourquoi?

Avant la théorie quantique, les forces se transmettaient à distance par l'intermédiaire d'un mystérieux champ de force émis par les particules.
Après la théorie quantique, les forces ne s'exercent entre deux fermions que s'il y a échange d'une particule médiatrice, appelée boson. Or plus le boson sera lourd, plus l'interaction sera de courte portée. Cette théorie porte le nom indigeste d'électrodynamique quantique.

Comment se représenter ce curieux concept?

Remplaçons deux fermions par deux barques avec chacune un paisible pêcheur à son bord. Imaginons donc que les deux pêcheurs dérivent sur un lac et se rapprochent inexorablement l'un de l'autre... Or ces pêcheurs distraits n'ont ni rames, ni moteur pour dévier leur trajectoire. Comment faire? Par chance, l'un des pêcheurs a dans sa barque un boson, pardon une grosse boule de bowling (et pourquoi pas? il est si distrait).
Lorsque les deux barques se rapprochent, le pêcheur amateur de bowling a une idée géniale et lance avec force sa lourde boule vers son collègue.
Que se passe-t-il?
Lui-même et sa barque vont être dévié par réaction, comme si le pêcheur s'était appuyé sur sa boule pendant le lancer. La boule part dans un sens et l'ensemble pêcheur-barque part dans le sens opposé (certes plus légèrement car la barque et son occupant sont beaucoup plus lourds à bouger).

Scénario inverse pour le pêcheur N°2 qui réceptionne la boule: L'énergie cinétique de la boule va, au moment où le pêcheur 2 l'attrappe, faire dévier la barque 2 sous la force du choc.
Résultat final: Les deux barques vont être déviées et s'éloigner l'une de l'autre....
Certes, cette analogie a ses limites car elle ne fonctionne que pour des forces répulsives, à moins de remplacer la boule de bowling par un lourd boomerang qui pourrait imager des forces attractives...
On comprend en tout cas que plus la boule sera lourde, plus la force de répulsion sera importante mais aussi plus la portée de cette force sera courte car lancer loin une boule de bowling demande beaucoup d'énergie!

Voyons donc chacune des ces interactions par ordre de notoriété: