1) Les trois interactions fondamentales quantifiées.

A. Présentation

Les trois interactions les mieux décrites par la mécanique quantique à l'heure actuelle sont l'électromagnétique, la forte et la faible.

Selon les théories les plus récentes, la gravitation ne serait pas "instantanée" comme le pensait Newton mais transmise grâce à un boson: le graviton.

B. Le Modèle standard

Modèle standard Copyright CERN

C. Unifications successives

a) La force électromagnétique

Depuis les travaux de Coulomb, Faraday et Ampère (fin XIXème, on sait que l'électricité et le magnétisme sont liés. Le physicien danois Hans Christian Oersted (1777-1851) a accompli le progrès décisif en remarquant qu'un courant électrique faisait dévier l'aiguille d'une boussole. Faraday, en 1831, démontre que la réciproque est aussi vraie: un aimant en mouvement aux abords d'un circuit modifie l'impulsion électrique. Ce n'est pas vrai pour un aimant immobile. C'est donc la variation du champ magnétique qui influence le courant électrique.
En parallèle, Young observe en 1801 des interférences entre des faisceaux lumineux semblables à celles obtenues avec des vagues (ondes à la surface). Il en déduit que la lumière est une onde, c’est ce qu’on appelle le caractère ondulatoire de la lumière. En 1824, le français Fresnel démontre cette théorie à partir des propriétés des sinusoïdes.
Celle-ci va à l’encontre de ce que pensait Newton (aussi connu pour ses travaux en optique) : la lumière est composée de corpuscules.

En 1873, Maxwell montre par la théorie l’existence d’une onde électromagnétique, donc composée de ces deux champs. En 1888, Hertz le confirme par la pratique (expérience faite à Kalsruhe): Hertz place dans un circuit électrique deux bobines de laiton en regard, qui ne se touchent pas. Lorsque l’interrupteur est enclenché, une étincelle relie les deux sphères. A quelques mètres de ce montage, il place une spire (anneau) métallique coupée très finement en un endroit précis. Quand le courant passe dans le circuit, une étincelle jaillit entre les deux extrémités de l’anneau. Il en déduit qu’une « oscillation » électromagnétique s’est propagée. (Le terme d’onde pour désigner une variation du champ électromagnétique date de cette expérience : le son émis par l’étincelle est semblable à celui de cailloux que l’on jette dans l’eau, provoquant des ondes). C’est cette expérience qui a permis l’invention de la TSF.
Les "maxwelliens" pensaient que la lumière se propageait dans un "éther", qui permettait les interférences et les caractéristiques ondulatoires de la lumière, tout en étant suffisamment fin pour ne pas la freiner, et que sa portée soit infinie.
Le premier à avoir refusé cette notion d’éther fut Lorentz. Puis vint la mécanique quantique: pour Heisenberg et Pauli, l’interaction électromagnétique se fait par échange de photons . Il s'agit d'une théorie probabiliste basée sur les diagrammes de Feynman (calculs de probabilités en 1949). On appelle cette théorie la théorie quantique des champs, ou électromagnétique quantique lorsqu’il s’agit d’électrons (ici donc). Il y a beaucoup de vérifications expérimentales ; une application célèbre a été la prédiction de l’existence de l’antimatière par Maxwell. En fait, les lois de l’électricité, du magnétisme et de l’optique se comprennent à partir des propriétés des photons. La lumière est un cas particulier d’ondes électromagnétiques.
C’est grâce au modèle d’électrodynamique quantique et à sa précision qu’on a pu décrire les autres interactions fondamentales du modèle standard. C’est sur ce modèle que les physiciens se sont reposés pour unifier l’interaction faible et l’interaction électromagnétique.