De tout temps les scientifiques se sont posé ces questions : qu’est-ce que la matière, qu’est-ce qu’une force ?
Ce n’est que depuis un siècle qu’on connaît les atomes et leur constitution élémentaire (protons, neutrons et électrons), les photons qui constituent la lumière, ainsi que les grandes théories physique comme l’électromagnétisme, la relativité et la mécanique quantique.
Particules élémentaires
Dans les années 1930 les recherches se poursuivent, on casse des protons et des neutrons dans des accélérateurs de particules, et on découvre qu’ils sont eux-mêmes constitués de particules subatomiques, de quarks. Les physiciens vont alors mettre en évidence de nombreuses autres particules élémentaires, qui constituent aujourd’hui les plus petites particules connues : des « quarks » et des « leptons », auxquelles s’ajoutent des particules dites médiatrices, des « bosons », qui véhiculent les 4 forces fondamentales de l’univers.
Le Modèle standard
Dans les années 1970 s’est construit le « Modèle standard », basé sur l’ensemble des lois fondamentales de la physique expérimentées à ce jour, notamment les lois quantiques, et sur la connaissance de l’ensemble des particules élémentaires connues. Dans ce modèle complet une seule force n’est pas (encore ?) intégrée, la gravitation.
Ce modèle théorique, maintenant très largement démontré et partagé par les physiciens, explique que la matière est constituée de quarks et de leptons au nombre de 12. Par exemple le proton est constitué de 2 quarks « up » et d’un quark « down ».
Ces quarks sont liés par une interaction forte, véhiculée par des « gluons ». Plus généralement, le Modèle standard montre comment agissent les quatre forces fondamentales de l’univers entre les 12 particules élémentaires (1). Trois de ces quatre forces (et peut-être aussi la 4e, force gravitationnelle) résultent en fait de l’échange de particules spécifiques, les bosons, ces échanges étant perçus par nous comme des forces.
Etienne Klein, dans ses nombreuses interventions, en donne une analogie très parlante : imaginez 2 barques sur lesquelles se trouvent 2 personnes qui se lancent alternativement un ballon de l’une à l’autre. La barque de celui qui lance va reculer sous l’effet du lancement (action/réaction), et la barque de celui qui reçoit va aussi reculer sous l’effet de l’impact. Au fil des lancers, les deux barques s’écartent comme si elles étaient soumises à une force. Remplacez par exemple les 2 barques par 2 électrons, la balle par un photon, et vous comprenez comment une force fait se repousser les 2 électrons.
Et dans mon carnet ?
Les images simples et classiques que j’avais en tête sont maintenant rangées au rayon des antiquités : un univers vide dans lequel évoluent des galaxies, des étoiles et des planètes formées de matière bien massive, ainsi que des forces gravitationnelles d’origine inconnues…
Je sais maintenant que ce n’est qu’une simple perception humaine.
Tout ce qui nous entoure est composé essentiellement de quatre particules élémentaires : électrons, quarks, gluons et photons, complétés par une poignée de particules plus exotiques. Particules qui sont en fait des petits quanta d’énergie, structurés par des ondes de probabilité que je ne peux pas visualiser.
Pour le reste, je comprends aussi que l‘univers vide est en réalité un espace-temps courbe qui n’est pas vide. On y trouve des champs : notamment le champ électromagnétique, le champ de Higgs, dont la mécanique quantique nous dit qu’ils sont structurés en quanta, photon pour l’un et boson de Higgs pour l’autre.
C’est-à-dire que tout est ondes infiniment petites qui se propagent, apparaissent, disparaissent, réapparaissent. Et nous aussi …
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- Chacune des 4 forces fondamentales a son boson: la force forte est véhiculée par le gluon, la force électromagnétique par le photon, la force faible par les bosons W et Z. S’y ajoute le boson de Higgs, récemment découvert, dont l’interaction avec le champ de Higgs est responsable de la masse. Enfin, bien qu’il n’ait pas encore été observé, le « graviton » pourrait être la particule porteuse de la gravité.