Quelles sont les quatre forces fondamentales de la nature?
Depuis le début du 20ème siècle, les physiciens ont reconnu quatre forces fondamentales, ou interactions, englobant tous les phénomènes connus de la nature. Trois sur quatre ont été caractérisés de manière rigoureuse et mathématique par le modèle standard, élaboré au début des années 1970. Les quatre forces sont la force nucléaire forte (également appelée force colorante), la force nucléaire faible (désintégration bêta), la force électromagnétique et la gravité.
Aux très hautes énergies, la force nucléaire faible et la force électromagnétique s'unissent (commencent à se comporter de manière interchangeable), tandis qu'à des forces encore plus élevées, on pense que la force forte s'unit à l'électro-faible, et finalement, la force forte-électrofaible s'unit à la gravité. On pense que tous les quatre étaient unis un instant après le Big Bang, au tout début de la formation de l'univers.
La force nucléaire puissante maintient les protons et les neutrons dans le noyau de l'atome. Plus spécifiquement, elle est médiée par l'échange de gluons entre quarks constituant les protons et les neutrons. C'est 100 fois plus fort que la force électromagnétique. Lorsque des noyaux sont écrasés dans des réactions nucléaires, l'énergie de cette force est libérée. Décrit par la théorie de la physique appelée chromodynamique quantique, il perd toute sa force dans des distances beaucoup plus larges que le noyau de l'atome.
La force électromagnétique est celle avec laquelle les gens sont le plus familiers. Elle est responsable de toutes les réactions chimiques et des propriétés physiques les plus reconnaissables, telles que la lumière. Il est médiatisé par les photons, qui composent tous les rayonnements électromagnétiques, des rayons cosmiques à la lumière visible en passant par les ondes radio extrêmement basses fréquences. La chaleur et la lumière sont constituées de photons.
Les interactions de force électromagnétiques sont déterminées par une charge électrique. La raison pour laquelle les gens ne tombent pas assis sur une chaise alors que celle-ci est assise est que la charge négative des couches d'électrons atomiques constituant le corps est repoussée par la charge négative des couches d'électrons constituant la chaise. La force des ondes photoniques diminue en fonction du carré de la distance qui les sépare.
La force nucléaire faible est responsable d’une gamme relativement réduite d’interactions fondamentales. Il intervient dans la désintégration bêta, ce qui se produit lorsqu'un neutron se décompose en un proton et en un électron ou un positron. Médiée par les bosons W et Z, elle est environ cent milliards de fois plus faible que l'électromagnétique. Il ne fonctionne que sur de courtes distances.
La gravité est la plus faible de toutes les forces, mais la plus omniprésente dans l'univers, car elle est générée par tous les corps massifs. La gravité est 10 36 fois plus faible que la force électromagnétique, ce qui rend difficile l'analyse mathématique. Les particules supposées véhiculer la gravité - les gravitons - n'ont pas encore été détectées. La gravité est également distincte des autres forces en ce sens qu’elle n’a pas encore été intégrée aux autres d’une manière mathématique rigoureuse. Les physiciens recherchent une théorie qui unifie la gravité avec les autres forces depuis près d'un siècle, sans succès jusqu'à présent.