En physique, les interactions fondamentales , également appelées forces fondamentales , sont des interactions entre particules élémentaires qui ne semblent pas se réduire à des interactions plus élémentaires. Ces interactions régissent la façon dont les particules et les objets macroscopiques interagissent et comment certaines particules se désintègrent. Généralement, ils peuvent être classés en l’une des quatre forces fondamentales :
Interaction forte – Force forte
La forte interaction ou force forte est l’une des quatre forces fondamentales et implique l’échange des bosons à jauge vectorielle appelés gluons . En général, l’ interaction forte est une interaction très compliquée, car elle varie considérablement avec la distance. La force nucléaire puissante maintient la plupart des matières ordinaires ensemble car elle confine les quarks dans des particules de hadrons telles que le proton et le neutron . De plus, la force forte est la force qui peut maintenir un noyau contre les énormes forces de répulsion ( force électromagnétique) des protons est en effet fort. De ce point de vue, il faut distinguer:
- Force forte fondamentale. La force forte fondamentale, ou force forte, est une force à très courte portée (moins d’environ 0,8 fm, le rayon d’un nucléon), qui agit directement entre les quarks . Cette force maintient les quarks ensemble pour former des protons, des neutrons et d’autres particules de hadrons. La forte interaction est médiée par l’échange de particules sans masse appelées gluons qui agissent entre les quarks, les antiquarks et les autres gluons.
- Force forte résiduelle. La force forte résiduelle, également connue sous le nom de force nucléaire , est une force à très courte portée (environ 1 à 3 fm), qui agit pour maintenir les neutrons et les protons ensemble dans les noyaux. Dans les noyaux, cette force agit contre l’énorme force électromagnétique répulsive des protons. Le terme résiduel est associé au fait, c’est le résidu de l’interaction forte fondamentale entre les quarks qui composent les protons et les neutrons. La force forte résiduelle agit indirectement à travers les mésons virtuels π et ρ , qui transmettent la force entre les nucléons qui maintient le noyau ensemble.
Interaction faible – Force faible
L’ interaction faible ou force faible est l’une des quatre forces fondamentales et implique l’échange des bosons vectoriels intermédiaires, le W et le Z. Comme ces bosons sont très massifs (de l’ordre de 80 GeV, le principe d’incertitude dicte une plage de environ 10 -18 mètres, ce qui est inférieur au diamètre d’un proton, ce qui fait que l’ interaction faible ne se produit qu’à de très petites distances subatomiques.
L’interaction faible responsable de certains phénomènes nucléaires tels que la désintégration bêta , qui peut être comprise en termes de force faible opérant sur les quarks au sein du neutron . L’ un des deux changements vers le bas quarks dans un quark up en émettant un W – boson (emporte une charge négative). Le W – boson se désintègre en une particule bêta et un antineutrino . Ce processus est équivalent au processus dans lequel un neutrino interagit avec un neutron.
Interaction électromagnétique – Force électromagnétique
La force électromagnétique est la force responsable de tous les processus électromagnétiques. Il agit entre des particules chargées électriquement. C’est une force à portée infinie, beaucoup plus forte que la force gravitationnelle , obéit à la loi carrée inverse, mais ni l’électricité ni le magnétisme ne s’additionnent de la même manière que la force gravitationnelle. Puisqu’il y a des charges positives et négatives (pôles), ces charges ont tendance à s’annuler mutuellement. L’électromagnétisme comprend la force électrostatique agissant entre les particules chargées au repos et l’effet combiné des forces électriques et magnétiques agissant entre les particules chargées se déplaçant les unes par rapport aux autres.
Le photon , le quantum du rayonnement électromagnétique , est une particule élémentaire, qui est le porteur de force de la force électromagnétique. Les photons sont des bosons de jauge sans charge électrique ni masse au repos et une unité de spin. La vitesse de la lumière , constante universelle de la physique, est commune à tous les photons . Dans un espace vide, le photon se déplace à c ( la vitesse de la lumière – 299 792 458 mètres par seconde ).
Les forces entre les particules statiquement chargées électriquement sont régies par la loi de Coulomb . La loi de Coulomb peut être utilisée pour calculer la force entre les particules chargées (par exemple deux protons). La force électrostatique est directement proportionnelle aux charges électriques des deux particules et inversement proportionnelle au carré de la distance entre les particules. La loi de Coulomb est présentée comme l’équation suivante.
La loi de Coulomb et la force magnétique sont résumées dans la loi de force de Lorentz. Fondamentalement, les forces magnétiques et électriques sont des manifestations d’une force d’échange impliquant l’échange de photons.
La force électromagnétique joue un rôle majeur dans la détermination des propriétés internes de la plupart des objets rencontrés dans la vie quotidienne. Les propriétés chimiques des atomes et des molécules sont déterminées par le nombre de protons, en fait, par le nombre et la disposition des électrons .
Interaction gravitationnelle – Force gravitationnelle
La gravité a été la première force à être étudiée scientifiquement. La force gravitationnelle a été systématiquement décrite par Isaac Newton au 17e siècle. Newton a déclaré que la force gravitationnelle agit entre tous les objets ayant une masse (y compris les objets allant des atomes et des photons, aux planètes et aux étoiles) et est directement proportionnelle aux masses des corps et inversement proportionnelle au carré de la distance entre les corps. L’ énergie et la masse étant équivalentes , toutes les formes d’énergie (y compris la lumière) provoquent la gravitation et sont sous son influence. La portée de cette force est ∞ et elle est plus faible que les autres forces. Cette relation est illustrée dans l’équation ci-dessous.
L’équation montre que plus les masses des objets sont grandes ou plus la distance entre les objets est petite, plus la force gravitationnelle est grande . Ainsi, même si les masses de nucléons sont très petites, le fait que la distance entre les nucléons soit extrêmement courte peut rendre la force gravitationnelle importante. La force gravitationnelle entre deux protons séparés par une distance de 10 à 20 mètres est d’environ 10 à 24 newtons. La gravité est la plus faible des quatre forces fondamentales de la physique, environ 10 38 fois plus faible que la force forte. D’un autre côté, la gravité est additive. Chaque grain de matière que vous mettez dans un morceau contribue à la gravité globale globale du morceau. Puisqu’il s’agit également d’une force à très longue portée, elle est la force dominante à l’échelle macroscopique et est la cause de la formation, de la forme et de la trajectoire (orbite) des corps astronomiques.
Quatre forces fondamentales de la nature
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