Worldlex Wiki Each of the known fundamental interactions can be described mathematically as a field. The gravitational interaction is attributed to the curvature of spacetime, described by Einstein'sgeneral theory of relativity. The other three are discrete quantum fields, and their interactions are mediated by elementary particles described by the Standard Model of particle physics.
Dans le cadre du Modèle Standard, l'interaction forte est véhiculée par une particule appelée gluon et est responsable de la liaison des quarks pour former des hadrons , tels que les protons et les neutrons . Elle crée, par effet résiduel, la force nucléaire qui lie ces particules pour former les noyaux atomiques . L'interaction faible est véhiculée par des particules appelées bosons W et Z , et agit également sur le noyau des atomes , induisant la désintégration radioactive . La force électromagnétique, véhiculée par le photon , crée des champs électriques et magnétiques , responsables de l'attraction entre les électrons orbitaux chargés négativement et les noyaux atomiques chargés positivement. Cette attraction assure la cohésion des atomes, ainsi que les liaisons chimiques et les ondes électromagnétiques , dont la lumière visible , et constitue la base de l'électronique. La force électromagnétique est bien plus intense que la gravité, mais contrairement à celle-ci, elle présente des charges opposées, négatives et positives. Les objets massifs ont généralement un nombre à peu près égal de charges négatives et positives, ce qui les rend pratiquement neutres et explique l'absence de force électromagnétique entre eux. À l' échelle astronomique , la gravité est la force dominante qui assure la cohésion des grandes structures de l'univers, comme les planètes, les étoiles et les galaxies. Le succès historique des modèles qui mettent en évidence les relations entre les interactions fondamentales a incité à dépasser le Modèle Standard (qui ne décrit pas la gravité) et à combiner les quatre forces fondamentales en une théorie du tout .
Isaac Newton postulait que l'espace est une structure physique infinie et inaltérable, existant avant, à l'intérieur et autour de tous les objets, tandis que leurs états et leurs relations se déploient partout à un rythme constant, définissant ainsi l'espace et le temps absolus . En déduisant que tous les objets massifs s'approchent à une vitesse constante, mais entrent en collision avec une force proportionnelle à leur masse, Newton en conclut que la matière exerce une force d'attraction. Sa loi de la gravitation universelle impliquait une interaction instantanée entre tous les objets. Selon l'interprétation classique, la théorie du mouvement de Newton modélisait une force centrale sans milieu de communication. Ainsi, la théorie de Newton contredisait la tradition, remontant à Descartes , selon laquelle il ne devrait pas y avoir d'action à distance . À l'inverse, dans les années 1820, pour expliquer le magnétisme, Michael Faraday postula l'existence d'un champ remplissant l'espace et transmettant cette force. Faraday conjectura qu'en fin de compte, toutes les forces s'unifiaient en une seule.En 1873, James Clerk Maxwell unifia l'électricité et le magnétisme comme effets d'un champ électromagnétique dont la troisième conséquence était la lumière, se propageant à vitesse constante dans le vide. Si sa théorie du champ électromagnétique était valable dans tous les référentiels inertiels , cela contredirait la théorie du mouvement de Newton, fondée sur la relativité galiléenne . Si, en revanche, sa théorie ne s'appliquait qu'aux référentiels au repos par rapport à un éther luminifère mécanique — supposé remplir tout l'espace, que ce soit dans la matière ou dans le vide, et manifester le champ électromagnétique —, alors elle pourrait être conciliée avec la relativité galiléenne et les lois de Newton. (Cependant, cet « éther de Maxwell » fut par la suite réfuté ; les lois de Newton durent, de fait, être remplacées.)
Modèle standard
Le Modèle Standard de la physique des particules a été développé durant la seconde moitié du XXe siècle. Dans ce modèle, les interactions électromagnétique, forte et faible sont associées à des particules élémentaires dont le comportement est modélisé par la mécanique quantique (MQ). Pour une prédiction fiable des résultats probabilistes de la MQ , la physique des particules modélise conventionnellement les événements MQ dans un champ défini par la relativité restreinte , constituant ainsi la théorie quantique des champs (TQC) relativiste. Les particules de force, appelées bosons de jauge — porteurs de force ou particules messagères des champs sous-jacents — interagissent avec les particules de matière, appelées fermions .
La matière qui nous entoure est constituée d'atomes, composés de trois types de fermions : les quarks up et les quarks down , qui constituent le noyau atomique, et les électrons, qui gravitent autour de celui-ci. Les atomes interagissent, forment des molécules et manifestent d'autres propriétés grâce aux interactions électromagnétiques entre leurs électrons, qui absorbent et émettent des photons, vecteurs de la force du champ électromagnétique. Ces photons, s'ils ne sont pas entravés, peuvent parcourir des distances potentiellement infinies. La théorie quantique des champs (TQC) de l'électromagnétisme est l'électrodynamique quantique (QED).
Les porteurs de force de l'interaction faible sont les bosons massifs W et Z. La théorie électrofaible (TEF) englobe à la fois l'électromagnétisme et l'interaction faible. Aux températures élevées qui ont suivi le Big Bang , l'interaction faible, l'interaction électromagnétique et le boson de Higgs étaient initialement des composantes d'un ensemble différent de champs ancestraux antérieurs à la brisure de symétrie. À mesure que l'Univers primordial se refroidissait, ces champs se sont séparés en interaction électromagnétique à longue portée, interaction faible à courte portée et boson de Higgs. Dans le mécanisme de Higgs , le champ de Higgs se manifeste par des bosons de Higgs qui interagissent avec certaines particules quantiques de manière à leur conférer une masse. L'interaction forte, dont le porteur de force est le gluon , qui se propage sur des distances infimes entre les quarks, est modélisée par la chromodynamique quantique (QCD). La TEF, la QCD et le mécanisme de Higgs constituent le Modèle Standard (MS) de la physique des particules . Les prédictions sont généralement effectuées à l'aide de méthodes d'approximation numérique, bien que cette théorie des perturbations soit insuffisante pour modéliser certaines observations expérimentales (par exemple, les états liés et les solitons ). Néanmoins, le Modèle Standard est largement accepté par les physiciens comme la théorie scientifique la plus confirmée expérimentalement.
Aperçu des interactions fondamentales
Dans le modèle conceptuel des interactions fondamentales, la matière est constituée de fermions , qui possèdent des propriétés appelées charges et spin ± 1 ⁄ 2 ( moment angulaire intrinsèque ± ħ ⁄ 2 , où ħ est la constante de Planck réduite ). Ils s'attirent ou se repoussent mutuellement en échangeant des bosons .
L'interaction de deux fermions quelconques dans la théorie des perturbations peut alors être modélisée comme suit :
- Deux fermions entrent → interaction par échange de bosons → deux fermions modifiés sortent.
L'échange de bosons transporte toujours de l'énergie et de l'impulsion entre les fermions, modifiant ainsi leur vitesse et leur direction. Cet échange peut également transporter une charge entre les fermions, changeant au passage leur charge (par exemple, en les faisant passer d'un type de fermion à un autre). Puisque les bosons possèdent une unité de moment angulaire, la direction du spin du fermion passe de +1/2 à -1/2 ( ou inversement) lors d'un tel échange (en unités de la constante de Planck réduite ) . Ces interactions entraînant une variation d'impulsion, elles peuvent donner lieu aux forces newtoniennes classiques. En mécanique quantique , les physiciens utilisent souvent les termes « force » et « interaction » de manière interchangeable ; par exemple, l'interaction faible est parfois appelée « force faible ».
Selon les connaissances actuelles, il existe quatre interactions ou forces fondamentales : la gravitation , l’électromagnétisme, l’ interaction faible et l’interaction forte. Leur intensité et leur comportement varient considérablement, comme le montre le tableau ci-dessous. La physique moderne s’efforce d’expliquer chaque phénomène physique observé par ces interactions fondamentales.
Les interactions fondamentales peuvent être comparées à l'aide de constantes de couplage sans dimension qui caractérisent l'intensité ou la « force » des interactions.
| Interaction | Théorie actuelle | Médiateurs | Force | Comportement à longue distance (potentiel) | Portée (m) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Faible | Théorie électrofaible (EWT) | Bosons W et Z | 1,027×10 −5 | 10 −18 | ||||||
| Fort | Chromodynamique quantique (QCD) | gluons | 0,1 (courte portée), 1,0 (longue portée) | 10 −15 | ||||||
| Électromagnétique | Électrodynamique quantique (QED) | photons | 1/137 | Gravitation | Relativité générale (RG) | gravitons (hypothétiques) | 5,9×10 −39 | en mécanique quantique, postule que les particules de matière ( fermions ) n'interagissent pas directement entre elles, mais portent une charge et échangent des particules virtuelles ( bosons de jauge ), qui sont les vecteurs de cette interaction ou médiateurs de force. Par exemple, les photons médient l'interaction des charges électriques et les gluons, celle des charges de couleur . La théorie complète inclut des perturbations allant au-delà du simple échange de bosons entre fermions ; ces perturbations supplémentaires peuvent impliquer des bosons échangeant des fermions, ainsi que la création ou la destruction de particules : voir les diagrammes de Feynman pour des exemples.InteractionsPesanteurLa gravitation fut la première interaction à être décrite mathématiquement. Dans l'Antiquité, Aristote émit l'hypothèse que les objets de masses différentes tombaient à des vitesses différentes. Durant la révolution scientifique , Galilée démontra expérimentalement que cette hypothèse était erronée dans certaines circonstances : en négligeant la friction due à la résistance de l'air et la poussée d'Archimède en présence d'une atmosphère (par exemple, le cas d'un ballon gonflé à l'air et d'un ballon gonflé à l'eau), tous les objets accélèrent vers la Terre à la même vitesse. La loi de la gravitation universelle d'Isaac Newton (1687) offrait une bonne approximation du comportement de la gravitation. Notre compréhension actuelle de la gravitation repose sur la théorie de la relativité générale d'Einstein (1915), une description plus précise (notamment pour les masses et les distances cosmologiques ) de la gravitation en termes de géométrie de l'espace-temps . La fusion de la relativité générale et de la mécanique quantique (ou théorie quantique des champs ) en une théorie plus générale de la gravité quantique est un domaine de recherche actif. L'hypothèse est que la gravitation est médiée par une particule sans masse de spin 2 appelée graviton . Bien que la relativité générale ait été confirmée expérimentalement (du moins pour les champs faibles, c'est-à-dire pas pour les trous noirs) à toutes les échelles sauf les plus petites, il existe des théories alternatives . Ces théories doivent se réduire à la relativité générale dans certaines limites, et les observations visent principalement à établir les limites des écarts possibles à la relativité générale. L’existence de dimensions supplémentaires pourrait expliquer la faiblesse de la force de gravité. Interaction électrofaibleThe electroweak theory is very important for modern cosmology, particularly on how the universe evolved. This is because shortly after the Big Bang, when the temperature was still above approximately 1015K, the electromagnetic force and the weak force were still merged as a combined electroweak force. For contributions to the unification of the weak and electromagnetic interaction between elementary particles, Abdus Salam, Sheldon Glashow and Steven Weinberg were awarded the Nobel Prize in Physics in 1979. ElectromagnetismElectromagnetism has an infinite range, as gravity does, but is vastly stronger. It is the force that binds electrons to atoms, and it holds molecules together. It is responsible for everyday phenomena like light, magnets, electricity, and friction. Electromagnetism fundamentally determines all macroscopic, and many atomic-level, properties of the chemical elements. In a four kilogram (~1 gallon) jug of water, there is of total electron charge. Thus, if we place two such jugs a meter apart, the electrons in one of the jugs repel those in the other jug with a force of This force is many times larger than the weight of the planet Earth. The atomic nuclei in one jug also repel those in the other with the same force. However, these repulsive forces are canceled by the attraction of the electrons in jug A with the nuclei in jug B and the attraction of the nuclei in jug A with the electrons in jug B, resulting in no net force. Electromagnetic forces are tremendously stronger than gravity, but tend to cancel out so that for astronomical-scale bodies, gravity dominates. Electrical and magnetic phenomena have been observed since ancient times, but it was only in the 19th century James Clerk Maxwell discovered that electricity and magnetism are two aspects of the same fundamental interaction. By 1864, Maxwell's equations had rigorously quantified this unified interaction. Maxwell's theory, restated using vector calculus, is the classical theory of electromagnetism, suitable for most technological purposes. La vitesse constante de la lumière dans le vide (notée généralement la relativité restreinte d' Albert Einstein (1905) , qui repose sur l'observation que la vitesse de la lumière est constante quelle que soit la vitesse de l'observateur, a démontré que le résultat théorique impliqué par les équations de Maxwell a des implications profondes, bien au-delà de l'électromagnétisme, sur la nature même du temps et de l'espace. Dans un autre ouvrage s'écartant de l'électromagnétisme classique, Einstein expliqua également l' effet photoélectrique en s'appuyant sur la découverte de Max Planck selon laquelle la lumière se propage par « quanta » d'énergie spécifique dépendant de la fréquence ; ces quanta sont aujourd'hui appelés photons . À partir de 1927 environ, Paul Dirac combina la mécanique quantique avec la théorie relativiste de l'électromagnétisme . Les travaux menés dans les années 1940 par Richard Feynman , Freeman Dyson , Julian Schwinger et Sin-Itiro Tomonaga permirent de compléter cette théorie, désormais appelée électrodynamique quantique , la théorie révisée de l'électromagnétisme. L'électrodynamique quantique et la mécanique quantique fournissent un cadre théorique pour des phénomènes électromagnétiques tels que l'effet tunnel , où un certain pourcentage de particules chargées électriquement se déplacent d'une manière impossible selon la théorie électromagnétique classique. Ce phénomène est essentiel au fonctionnement des dispositifs électroniques courants, comme les transistors . interaction faibleForte interactionLa découverte du pion en 1947 a marqué le début de l'ère moderne de la physique des particules. Des centaines d'hadrons ont été découverts entre les années 1940 et 1960, et une théorie extrêmement complexe des hadrons en tant que particules interagissant fortement a été élaborée. Notamment :
Bien que chacune de ces approches ait apporté des éclairages, aucune n'a conduit directement à une théorie fondamentale. Murray Gell-Mann et George Zweig ont proposé pour la première fois l'existence de quarks à charge fractionnaire en 1961. Tout au long des années 1960, différents auteurs ont envisagé des théories similaires à la théorie fondamentale moderne de la chromodynamique quantique (QCD) comme modèles simples des interactions des quarks. Les premiers à formuler l'hypothèse des gluons de la QCD furent Moo-Young Han et Yoichiro Nambu , qui introduisirent la charge de couleur des quarks . Han et Nambu supposèrent qu'elle pourrait être associée à un champ porteur de force. À cette époque, cependant, il était difficile d'imaginer comment un tel modèle pourrait confiner les quarks de manière permanente. Han et Nambu attribuèrent également à chaque couleur de quark une charge électrique entière, de sorte que les quarks n'étaient chargés de manière fractionnaire qu'en moyenne, et ils ne s'attendaient pas à ce que les quarks de leur modèle soient confinés de manière permanente. En 1971, Murray Gell-Mann et Harald Fritzsch proposèrent que le champ de jauge de couleur de Han/Nambu constituait la théorie correcte des interactions à courte portée des quarks à charge fractionnaire. Peu après, David Gross , Frank Wilczek et David Politzer découvrirent que cette théorie possédait la propriété de liberté asymptotique , ce qui leur permit d'établir un lien avec les données expérimentales . Ils conclurent que la QCD était la théorie complète des interactions fortes, valable à toutes les échelles de distance. La découverte de la liberté asymptotique amena la plupart des physiciens à accepter la QCD, car il devint évident que même les propriétés à longue portée des interactions fortes pouvaient être compatibles avec l'expérience si les quarks étaient confinés de manière permanente : l'intensité de l'interaction forte augmente indéfiniment avec la distance, piégeant les quarks à l'intérieur des hadrons. En supposant que les quarks soient confinés, Mikhail Shifman , Arkady Vainshtein et Valentine Zakharov ont pu calculer les propriétés de nombreux hadrons de basse énergie directement à partir de la QCD, en utilisant seulement quelques paramètres supplémentaires pour décrire le vide. En 1980, Kenneth G. Wilson a publié des calculs informatiques basés sur les principes fondamentaux de la QCD, établissant, avec un degré de confiance proche de la certitude, que la QCD confine les quarks. Depuis lors, la QCD est la théorie établie des interactions fortes. La chromodynamique quantique (QCD) est une théorie des quarks, porteurs de charges fractionnaires, interagissant par l'intermédiaire de huit particules bosoniques appelées gluons. Ces gluons interagissent également entre eux, et pas seulement avec les quarks. À longue distance, les lignes de force se cristallisent en cordes, modélisées de façon simplifiée par un potentiel linéaire, une force attractive constante. Ainsi, la théorie mathématique de la QCD explique non seulement l'interaction des quarks à courte distance, mais aussi le comportement de type cordes, découvert par Chew et Frautschi, qu'ils manifestent à plus grande distance. Interaction de HiggsPar convention, l'interaction de Higgs n'est pas considérée comme faisant partie des quatre forces fondamentales. Néanmoins, bien qu'il ne s'agisse pas d'une interaction de jauge ni d'une interaction générée par une symétrie de difféomorphisme , le couplage de Yukawa cubique du champ de Higgs produit une cinquième interaction faiblement attractive. Après la brisure spontanée de symétrie via le mécanisme de Higgs , les termes de Yukawa subsistent sous la forme suivante : avec le couplage de Yukawa , la masse de la particule (en eV ) et la valeur moyenne du vide du boson de Higgs avec la masse du boson de Higgslongueur d'onde de Compton réduite du boson de Higgs est très petite (bosons W et Z ), ce potentiel a une portée effective de quelques attomètres . Entre deux électrons, il est initialement environ 10¹¹ fois plus faible que l' interaction faible et décroît exponentiellement avec la distance. UnificationLes forces fondamentales peuvent s'unifier en une seule force à des énergies très élevées et à une échelle minuscule, l' échelle de Planck . Les accélérateurs de particules ne peuvent pas produire les énergies énormes nécessaires pour sonder expérimentalement ce régime. Les forces faible et électromagnétique ont déjà été unifiées grâce à la théorie électrofaible de Sheldon Glashow , Abdus Salam et Steven Weinberg , pour laquelle ils ont reçu le prix Nobel de physique en 1979. De nombreux travaux théoriques ont été menés pour systématiser les quatre interactions fondamentales existantes sur le modèle de l'unification électrofaible. Les théories de grande unification (GUT) proposent de démontrer que chacune des trois interactions fondamentales décrites par le modèle standard est une manifestation différente d'une interaction unique, avec des symétries qui se brisent et créent des interactions distinctes en dessous d'un certain niveau d'énergie extrêmement élevé. Les GUT devraient également permettre de prédire certaines relations entre les constantes de la nature que le modèle standard considère comme indépendantes, ainsi que l'unification des constantes de couplage de jauge pour les forces relatives électromagnétique, faible et forte. Certaines tentatives de GUT postulent l'existence de particules « ombres », de sorte que chaque particule de matière connue soit associée à une particule de force encore inconnue , et inversement, aboutissant ainsi à la supersymétrie (SUSY). D'autres théoriciens cherchent à quantifier le champ gravitationnel en modélisant le comportement de son hypothétique vecteur de force, le graviton , et à parvenir à la gravité quantique (QG). Une approche de la QG est la gravité quantique à boucles (LQG). D'autres théoriciens encore recherchent à la fois la QG et les GUT dans un cadre unique, réduisant les quatre interactions fondamentales à une théorie du tout (ToE). L'objectif principal d'une théorie de l'énergie (ToE) est la théorie des cordes . Pour modéliser les particules de matière , elle a ajouté la supersymétrie (SUSY) aux particules de force , devenant ainsi, à proprement parler, la théorie des supercordes . Plusieurs théories des supercordes, apparemment disparates, ont été unifiées sur un socle commun : la théorie M. Les théories au-delà du modèle standard restent hautement spéculatives, faute de preuves expérimentales solides. Une théorie dite du tout , qui intégrerait les théories de grande unification (GUT) à une théorie de la gravité quantique, se heurte à un obstacle majeur : aucune théorie de la gravité quantique (par exemple, la théorie des cordes , la gravité quantique à boucles et la théorie des twisteurs ) n’a encore fait l’objet d’une large acceptation. Certaines théories recherchent un graviton pour compléter la liste des particules vectrices de force du Modèle Standard, tandis que d’autres, comme la gravité quantique à boucles, mettent l’accent sur la possibilité que l’espace-temps lui-même possède une dimension quantique. Au-delà du modèle standard |