L'huitre et le plaideur

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  • Publié le : 28 octobre 2010
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Les interactions fondamentales
I Les interactions se mettent en quatre (extrait du livre d’Etienne Klein : Sous l’atome, les particules) : Si le fruit tombe, si notre corps tient, la table aussi, si le filament de l'ampoule éclaire et si le timbre humide adhère, c'est qu'un jeu de forces assure la cohésion des choses et organise leur mouvement. Pour décrire son petit monde, la physiquecontemporaine fait intervenir quatre interactions jugées fondamentales : la gravitation, bien sur l'interaction électromagnétique, qui rend compte de la cohésion de la matière à notre échelle; l'interaction faible, qui gère certains processus radioactifs; et enfin l'interaction forte, que nous venons de découvrir, qui lie les constituants des noyaux. En physique classique, une force entre deux particulesse transmet dans l'espace par l'entremise de champs : un champ, engendré par une particule se propage puis agit sur l'autre particule. La théorie quantique des champs oblige à revoir cette conception. Elle explique d'abord que, pour qu'il y ait interaction, il faut qu'il y ait échange de quelque chose. Ce quelque chose, c'est un quantum de champ, c'est à dire une particule caractéristique de cechamp. D'où il advient qu'une interaction ne s'exerce entre deux particules que par l'échange d'une troisième qui « médiatise » l'interaction . Donnons une image (évidemment fausse mais pas trop) de ce que cela signifie. Imaginons deux barques à la dérive sur un lac. L'occupant de chaque barque est démuni de toute espèce d'objet qui pourrait l'aider à diriger son embarcation. En particulier, il n'ani rames ni pagaies et nul garde-côte ne pointe à l'horizon. Supposons que les deux barques se dirigent l'une vers l'autre de telle sorte que la collision paraisse inévitable. Inévitable? Pas tout à fait. Car si l'un des occupants dispose d'un objet massif, par exemple un ballon, et qu'il le lance avec assez de vigueur au passager de l'autre bateau, qui lui le renvoie et ainsi de suite, les deuxembarcations s ' écartent l'une de l'autre. La succession des lancers a créé une force répulsive qui modifie les trajectoires. Il y a eu interaction. Dans cette affaire, le ballon a joué le rôle de "médiateur " de la force. Le langage de la théorie des champs préfère dire qu'il est le boson* de jauge de l'interaction. Comme on ne peut pas le détecter directement, on dit qu'il est virtuel. Sachantqu'un ballon lourd oblige à faire des passes courtes, on comprend que la portée d'une force soit d'autant plus faible que le boson de jauge de l'interaction a une masse plus élevée. Si l'on y réfléchit, c'est bien le ballon de basket qui détermine la dimension des terrains de basket : celle-ci correspond à peu près à la portée d'une passe (compte tenu de la résistance de l'air) Pour être pluscorrect, il convient de resituer ce résultat dans le contexte quantique car on voit bien qu'il y a un problème . le processus d'échange de ballon ne respecte pas la loi de conservation de l'énergie. En effet, la particule qui émet le ballon conserve son énergie en même temps qu'elle en donne au ballon qui "sort" d'elle. Autrement dit, si l'énergie est bien conservée, une particule ne devrait pas pouvoirse désintégrer en elle-même et en une autre. En réalité, un tel processus est toléré par la mécanique quantique, mais c'est à la condition qu'il ne prenne pas trop de temps : le délai accordé pour rembourser l'énergie empruntée, par le ballon est d'autant plus court que la masse de ce dernier est plus élevée. S'il est lourd, il n'a pas le temps d'aller loin et la portée de la force est courte. Cen'est pas tout. L'intensité d'une interaction est caractérisée par ce qu'on appelle une constante de couplage, notée a (elle n'a rien à voir avec la particule du même nom). C'est un nombre sans dimension (c'est-à-dire un nombre pur, qui n'a pas d'unité, qui mesure l'efficacité relative de l'interaction). Il est d'autant plus grand que la force en question est plus intense. Une dernière chose à...
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