Les interactions fondamentales · Partie I
Les 4 forces fondamentales de l’Univers
La gravitation et l’électromagnétisme, de Newton à Maxwell.
Tout ce qui existe autour de nous, absolument tout, fonctionne grâce à seulement quatre interactions fondamentales.
Votre téléphone, votre tasse de café, le Soleil, les étoiles, votre voisin, les atomes de votre voisin et probablement même le café de votre voisin.
Quatre forces.
Pas quinze.
Pas deux cent cinquante-sept.
Quatre.
La gravitation, l’électromagnétisme, l’interaction nucléaire forte et l’interaction nucléaire faible.
C’est assez vertigineux quand on y pense.
On pourrait comparer l’Univers à une immense pièce de théâtre dans laquelle quatre acteurs seulement seraient capables d’interpréter tous les rôles.
Alors autant faire les présentations.
Acte I : la gravitation
Newton et la pomme la plus rentable de l’histoire
Nous sommes en 1665.
L’université de Cambridge ferme temporairement à cause de la grande peste et Isaac Newton retourne dans la propriété familiale de Woolsthorpe.
Il a une vingtaine d’années.
Et c’est ici qu’intervient probablement la pomme la plus célèbre de l’histoire.
Non, elle ne lui tombe vraisemblablement pas sur la tête.
Désolé pour les dessins animés.
L’histoire de la pomme, en revanche, n’est pas entièrement inventée. Newton racontera plus tard avoir réfléchi à la gravitation en observant une pomme tomber.
La vraie question n’était évidemment pas :
« Pourquoi les pommes tombent-elles ? »
Ça, même sans doctorat en physique, on finit assez vite par le remarquer.
La question intéressante était plutôt :
Pourquoi tombe-t-elle vers la Terre ?
Et surtout :
la force qui attire cette pomme pourrait-elle agir beaucoup plus loin ?
Jusqu’à la Lune ?
La même force pourrait-elle expliquer à la fois la chute d’un fruit dans un jardin et le mouvement d’un astre dans le ciel ?
L’idée paraît aujourd’hui évidente parce qu’on l’apprend à l’école.
À l’époque, elle est révolutionnaire.
Newton formalise cette gravitation dans ses Principia Mathematica, publiés en 1687.
Pendant plus de deux siècles, cela fonctionne admirablement bien.
Puis Einstein arrive et décide, en substance, que ce n’était pas encore assez compliqué.
Einstein tord le décor
Avec la relativité générale, en 1915, la gravitation change complètement de visage.
On représente souvent l’idée avec une grande toile élastique.
Posez une boule lourde dessus : la toile se creuse.
Faites passer une petite bille à proximité : sa trajectoire est déviée.
C’est pratique pour se faire une idée.
Mais attention : l’Univers n’est pas réellement une toile en caoutchouc posée dans une dimension supplémentaire avec des planètes qui roulent dessus.
L’idée d’Einstein est plus étrange.
La matière et l’énergie modifient la géométrie de l’espace-temps.
Et les objets suivent ensuite les trajectoires permises par cette géométrie.
Autrement dit, la Terre n’est pas retenue autour du Soleil par une sorte de laisse invisible.
Elle avance dans un espace-temps courbé par la présence du Soleil.
C’est beaucoup moins intuitif qu’une pomme qui tombe.
Mais malheureusement, l’Univers n’a jamais promis d’être intuitif.
Et nous n’en sommes qu’au premier acteur.
Acte II : l’électromagnétisme
Une grenouille, deux savants et un désaccord
Quelques décennies plus tard, direction Bologne.
Luigi Galvani étudie les nerfs et les muscles.
Pour cela, il travaille notamment sur des grenouilles mortes.
Ambiance.
Au cours de ses expériences, il constate quelque chose d’assez spectaculaire : dans certaines conditions, les pattes d’une grenouille morte se contractent lorsqu’un contact électrique est établi.
La grenouille ne revient pas à la vie.
Frankenstein devra encore attendre.
Mais ses muscles réagissent.
Galvani pense alors avoir mis en évidence ce qu’il appelle une forme d’électricité animale.
Et c’est là qu’Alessandro Volta entre dans l’histoire.
Volta n’est pas convaincu par l’explication de Galvani.
Selon lui, une partie du phénomène vient surtout du contact entre différents métaux utilisés pendant les expériences.
Les deux hommes vont donc s’opposer.
Et comme souvent en science, la véritable histoire est plus intéressante que la version « l’un avait raison, l’autre avait tort ».
Volta avait effectivement identifié quelque chose de fondamental.
Ses travaux aboutissent en 1800 à la pile voltaïque, ancêtre de nos piles électriques.
Mais Galvani n’avait pas pour autant imaginé de toutes pièces l’électricité biologique.
Les nerfs et les muscles utilisent bel et bien des phénomènes électriques.
En clair : les deux hommes observaient des morceaux différents du même puzzle.
Et leur désaccord aura été plutôt productif.
Ørsted fait bouger une boussole
Nous voici maintenant en 1820, à Copenhague.
Hans Christian Ørsted travaille sur l’électricité.
À proximité d’un fil parcouru par un courant se trouve une boussole.
Et l’aiguille bouge.
Coupez le courant : elle revient.
Remettez-le : elle dévie de nouveau.
Aujourd’hui, cela peut sembler anodin.
Mais une boussole réagit au magnétisme.
Pourquoi réagit-elle donc à un courant électrique ?
Parce que l’électricité et le magnétisme, que l’on étudiait jusque-là comme deux phénomènes largement distincts, sont liés.
On raconte souvent qu’Ørsted aurait découvert cela complètement par hasard pendant un cours.
C’est un peu trop beau.
Il cherchait depuis longtemps un lien entre électricité et magnétisme.
La découverte fut peut-être inattendue dans sa forme, mais Ørsted n’était pas exactement un passant innocent qui aurait trébuché sur l’électromagnétisme en allant acheter du pain.
Quoi qu’il en soit, une porte vient de s’ouvrir.
Faraday inverse la question
Quelques années plus tard arrive Michael Faraday.
Ørsted avait montré qu’un courant électrique pouvait produire un effet magnétique.
Faraday va naturellement se demander :
et si on faisait l’inverse ?
Peut-on produire de l’électricité grâce au magnétisme ?
En 1831, il montre que oui.
Un champ magnétique qui varie peut induire un courant électrique dans un conducteur.
C’est le principe de l’induction électromagnétique.
Et derrière cette phrase assez sage se cache quelque chose d’énorme.
C’est notamment ce principe qui permet aux alternateurs et aux générateurs de produire de l’électricité.
Autrement dit, une grande partie de notre civilisation électrique doit beaucoup à une question posée il y a presque deux siècles :
« Et si je bougeais un aimant par ici ? »
Faraday apporte aussi une autre idée essentielle.
Il raisonne en termes de lignes de force.
Vous avez probablement déjà vu l’expérience : on place de la limaille de fer autour d’un aimant et celle-ci s’organise en magnifiques courbes.
On a presque l’impression de rendre visible quelque chose qui ne l’est pas.
Ce quelque chose, c’est le champ magnétique.
À une époque où l’on raisonne encore beaucoup en termes d’actions à distance, Faraday commence à donner une véritable réalité physique à la notion de champ.
Il lui manque cependant un outil.
Les mathématiques.
Et heureusement pour lui, quelqu’un va arriver avec une assez grosse boîte à outils.
Maxwell rassemble les morceaux
James Clerk Maxwell est le genre de personne qui regarde les travaux de plusieurs génies précédents et se dit :
« Bon. Essayons maintenant de comprendre ce que tout cela raconte ensemble. »
Au cours des années 1860, il assemble et développe les lois connues de l’électricité et du magnétisme.
Aujourd’hui, on résume cette théorie avec quatre équations.
Sans entrer dans un cours de maths qui ferait fuir la moitié des lecteurs avant la fin du paragraphe, elles nous disent essentiellement ceci :
Les charges électriques produisent des champs électriques.
Nous n’observons pas de pôle magnétique isolé.
Un champ magnétique variable peut produire un champ électrique.
Et les courants électriques, ainsi que les champs électriques variables, peuvent produire des champs magnétiques.
Pris séparément, c’est déjà intéressant.
Mais ensemble, ces équations cachent une surprise.
Une variation du champ électrique peut créer un champ magnétique.
Une variation du champ magnétique peut créer un champ électrique.
Les deux peuvent alors s’entretenir mutuellement et se propager dans l’espace sous forme d’onde.
Maxwell calcule la vitesse de propagation de cette onde.
Et il tombe sur une valeur déjà connue.
La vitesse de la lumière.
À ce moment-là, une conclusion s’impose :
la lumière est une onde électromagnétique.
Et ça change tout.
La lumière visible n’est plus un phénomène isolé.
Les ondes radio, les micro-ondes, l’infrarouge, la lumière visible, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma appartiennent à une seule et même famille.
Même phénomène fondamental.
Différentes longueurs d’onde.
Maxwell vient d’unifier deux domaines de la physique que l’on croyait auparavant séparés.
L’électricité.
Le magnétisme.
Et au passage, la lumière.
Pas mal pour quatre équations.
Petite subtilité historique : les fameuses « quatre équations de Maxwell » que l’on apprend aujourd’hui ne sont d’ailleurs pas exactement écrites sous la forme utilisée par Maxwell lui-même.
Leur formulation moderne doit beaucoup aux travaux ultérieurs, notamment à Oliver Heaviside.
Comme souvent, la version enseignée dans les livres est un peu plus propre que l’histoire réelle.
Deux forces sur quatre
Nous avons donc déjà rencontré :
la gravitation, qui gouverne notamment les mouvements des planètes, des étoiles et des galaxies ;
et l’électromagnétisme, qui intervient dans la lumière, l’électricité, le magnétisme, la chimie et une bonne partie de ce qui permet à la matière ordinaire de tenir ensemble.
On pourrait croire que cela suffit.
Après tout, deux forces pour gérer l’Univers, ce serait déjà pas mal.
Sauf qu’il reste un problème.
Un assez gros.
Prenons un noyau atomique.
Il contient plusieurs protons.
Et les protons possèdent tous une charge électrique positive.
Or deux charges positives se repoussent.
Alors pourquoi les protons ne prennent-ils pas immédiatement leurs affaires pour partir chacun de leur côté ?
Pourquoi le noyau tient-il ?
Il doit forcément se passer autre chose.
Et effectivement, il se passe autre chose.
Une interaction suffisamment puissante pour maintenir les constituants du noyau ensemble malgré leur répulsion électrique.
Son nom manque légèrement de subtilité :
l’interaction forte.
Mais ça, ce sera pour la suite.
