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Quelle est la force fondamentale de la nature – Quatre forces fondamentales – Définition

Quatre forces fondamentales de la nature. Généralement, ces forces régissent la façon dont les particules et aussi les objets macroscopiques interagissent et comment certaines particules se désintègrent. Propriétés des matériaux

En physique, les interactions fondamentales, également appelées forces fondamentales, sont des interactions entre particules élémentaires qui n’apparaissent pas réductibles à des interactions plus élémentaires. Ces interactions régissent la façon dont les particules et aussi les objets macroscopiques interagissent et la façon dont certaines particules se désintègrent. Généralement, elles peuvent être classées dans l’une des quatre forces fondamentales:

Interaction forte – Force forte

L’ interaction forte ou force forte est l’une des quatre forces fondamentales et implique l’échange de bosons de jauge vecteur appelés gluons. En général, l’  interaction forte est une interaction très compliquée, car elle varie considérablement avec la distance. La force nucléaire forte maintient la plupart de la matière ordinaire ensemble parce qu’elle confine les quarks dans des particules hadroniques telles que le proton et le neutron. De plus, la force forte est la force qui peut maintenir un noyau ensemble contre les énormes forces de répulsion (force électromagnétique) des protons est en effet fort. De ce point de vue, il faut distinguer entre:

  • Force forte fondamentale. La force forte fondamentale, ou la 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 hadroniques. L’interaction forte est médiée par l’échange de particules sans masse appelées gluons qui agissent entre les quarks, les antiquarks et d’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 ensemble les neutrons et les protons dans les noyaux. Dans les noyaux, cette force agit contre l’énorme force électromagnétique répulsive des protons. Le terme résidu 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 vecteurs intermédiaires, les W et les Z. Ces bosons étant très massifs (de l’ordre de 80 GeV, le principe d’incertitude impose une gamme de environ 10-18 mètres, ce qui est inférieur au diamètre d’un proton, de sorte que l’ interaction faible n’a lieu 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 agissant sur les quarks à l’intérieur du neutron. L’un des deux quarks down se transforme en un quark up en émettant un boson W  (emporte une charge négative). Le  boson W- se désintègre ensuite en une particule bêta et un antineutrino. Ce processus est équivalent au processus dans lequel un neutrino interagit avec un neutron.

interaction faible - force faible

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 du carré inverse, mais ni l’électricité ni le magnétisme ne s’additionnent comme le fait la force gravitationnelle. Puisqu’il existe des charges positives et négatives (pôles), ces charges ont tendance à s’annuler. 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 n’ayant ni charge électrique ni masse au repos et une unité de spin. Le point commun à tous les photons est la vitesse de la lumière, la constante universelle de la physique. Dans l’espace vide, le photon se déplace à c (la vitesse de la lumière – 299 792 458 mètres par seconde).

Les forces entre les particules statiques chargées électriquement sont régies par la loi de CoulombLa loi de Coulomb peut être utilisée pour calculer la force entre des 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 énoncée 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 décrite systématiquement par Isaac Newton au 17ème 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. Puisque l’énergie et la masse sont équivalentes, toutes les formes d’énergie (y compris la lumière) provoquent la gravitation et sont sous l’influence de celle-ci. 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 des 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 10-20 mètres est d’environ 10-24 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’autre part, 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, c’est la force dominante à l’échelle macroscopique, et c’est la cause de la formation, de la forme et de la trajectoire (orbite) des corps astronomiques.

Quatre forces fondamentales de la nature

Interactions fondamentales et forces fondamentales

 

References :
 
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Voir également:

Forces fondamentales

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