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Sciences · Physique

Les quatre interactions fondamentales

Toutes les forces connues se ramènent à quatre interactions fondamentales : la gravitation, l’électromagnétisme, l’interaction forte, qui soude les noyaux, et l’interaction faible, responsable de la radioactivité bêta.

Mis à jour le 4 min de lecture

Une pomme qui tombe, un aimant qui attire un clou, une étoile qui brille, un noyau d’uranium qui se désintègre : derrière la diversité des phénomènes, la physique ne connaît que quatre interactions fondamentales. Toutes les autres forces (frottement, tension d’un fil, poussée d’un ressort, liaison chimique) en sont des manifestations, presque toujours électromagnétiques.

Vue d’ensemble

InteractionAgit surPortéeIntensité relative (ordre de grandeur)Particule médiatriceExemples
Fortequarks et gluons (donc protons, neutrons)environ 10⁻¹⁵ m1gluons (8)cohésion des noyaux
Électromagnétiqueparticules chargéesinfinie10⁻²photonlumière, chimie, électricité
Faibletoutes les particules de matièreenviron 10⁻¹⁸ m10⁻⁶ à 10⁻⁵bosons W⁺, W⁻, Z⁰radioactivité bêta, fusion solaire
Gravitationtout ce qui a une masse ou une énergieinfinie10⁻³⁸graviton (hypothétique)chute des corps, orbites

Les intensités relatives dépendent de l’échelle d’énergie et des particules comparées : elles ne donnent qu’une hiérarchie.

La gravitation

La plus anciennement décrite (Newton, 1687) et de loin la plus faible : entre deux protons, l’attraction gravitationnelle est environ 10³⁶ fois plus faible que leur répulsion électrique. Elle domine pourtant à grande échelle, pour deux raisons : sa portée est infinie et elle est toujours attractive — il n’existe pas de masse négative qui compenserait. Elle façonne planètes, étoiles et galaxies (voir gravitation). Elle est décrite par la relativité générale comme une courbure de l’espace-temps ; aucune théorie quantique de la gravitation n’est encore établie.

L’interaction électromagnétique

Elle agit entre particules chargées : attractive entre charges opposées, répulsive entre charges de même signe. Unifiée par James Clerk Maxwell dans les années 1860 (électricité, magnétisme et lumière sont une seule et même chose), elle est responsable :

  • de la cohésion des atomes (électrons liés au noyau) et des liaisons chimiques ;
  • de la lumière et de toutes les ondes électromagnétiques ;
  • de presque toutes les forces du quotidien : contact, frottement, élasticité, tension superficielle.

Sa portée est infinie, mais à grande échelle les charges positives et négatives se compensent : la matière est globalement neutre, ce qui laisse le champ libre à la gravitation.

L’interaction forte

Dans un noyau, les protons, tous positifs, devraient se repousser violemment. Ils sont maintenus ensemble par l'interaction forte, la plus intense des quatre, mais dont la portée ne dépasse pas la taille d’un noyau. Au niveau fondamental, elle lie les quarks entre eux par l’échange de gluons ; la force entre protons et neutrons en est un effet résiduel.

Propriété remarquable : l’interaction forte augmente quand on tente d’éloigner deux quarks. On n’observe donc jamais de quark isolé (c’est le confinement). C’est l’énergie de cette interaction, et non le boson de Higgs, qui fournit l’essentiel de la masse des protons et des neutrons. C’est aussi elle qui libère l’énergie de la fission et de la fusion nucléaires.

L’interaction faible

Beaucoup moins connue du grand public, elle est la seule capable de changer la nature d’une particule : elle transforme un quark down en quark up, donc un neutron en proton. Elle est responsable de la radioactivité bêta et intervient dans la première étape de la fusion de l’hydrogène dans le Soleil. Sans elle, les étoiles ne brilleraient pas comme elles le font.

Sa très courte portée s’explique par la masse élevée de ses particules médiatrices, les bosons W et Z (environ 80 et 91 GeV, soit près de cent fois la masse du proton), découverts au CERN en 1983. Elle est aussi la seule interaction à ne pas respecter la symétrie miroir (violation de la parité, mise en évidence en 1956-1957).

Vers l’unification

Les physiciens cherchent à montrer que les quatre interactions sont des aspects d’une seule.

ÉtapeDateRésultat
Électricité + magnétismeannées 1860électromagnétisme (Maxwell)
Électromagnétisme + interaction faibleannées 1960théorie électrofaible (Glashow, Salam, Weinberg ; prix Nobel 1979)
Électrofaible + fortenon établie« théories de grande unification », hypothétiques
Les trois + gravitationnon établiethéorie du tout (cordes, gravité quantique à boucles…), hypothétique

Le modèle standard décrit avec une précision remarquable les interactions forte, faible et électromagnétique. La gravitation reste à part.

Questions fréquentes

Quelle est l’interaction la plus forte ?

L’interaction forte, comme son nom l’indique. Elle est environ cent fois plus intense que l’électromagnétisme à l’échelle du noyau, mais n’agit qu’à des distances de l’ordre de 10⁻¹⁵ m.

Pourquoi la gravitation domine-t-elle l’Univers si elle est la plus faible ?

Parce qu’elle a une portée infinie, qu’elle est toujours attractive et qu’elle s’additionne pour toutes les masses, alors que les charges électriques se neutralisent et que les interactions nucléaires ne portent pas au-delà du noyau.

Le frottement est-il une interaction fondamentale ?

Non. Comme la plupart des forces de contact, c’est un effet de l’interaction électromagnétique entre les atomes des deux surfaces.

Le graviton existe-t-il ?

Il n’a jamais été observé. C’est la particule qu’une théorie quantique de la gravitation devrait associer à cette interaction, mais une telle théorie n’est pas encore établie.

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