II- L'unification des forces

Le début du XXème siècle a été source de beaucoup de bouleversements en physique théorique, autant pour les échelles astronomiques (comme nous venons de le voir avec le modèle relativiste) qu'aux échelles infinitésimales. La deuxième grande théorie est la mécanique quantique, fondée par Max Planck et développée par la suite par de nombreux physiciens renommés comme Schrödinger, Heisenberg ou Dirac. Le 14 décembre 1900, Planck annonce lors d'une réunion de la Société allemande de physique les résultats de ses études sur les rayonnements, et initie une nouvelle conception de la matière, fondée sur le quantum d'action (du latin paquet, quantité). Pour lui, les échanges d'énergie entre matière et rayonnements ne se font pas de manière continue mais par paquets indivisibles, les quanta.

La mécanique quantique s'occupe en fait d'objets à très petite échelle : les particules. Celles-ci ont une taille de l'ordre de 10-20m, c'est à dire bien plus petite que les noyaux atomiques dont le rayon n'excède pas quelques femtomètres (10-15m). Très vite, il est apparu que les lois de la physique à cette échelle étaient en totale rupture avec le sens commun et avec les pensées philosophiques de l'époque. La physique quantique a permis de découvrir les particules qui constituent la matière, et d'une manière générale la plupart des particules existantes dans l'univers. Ainsi, la matière est divisée en atomes (ce que certains suggéraient bien avant : le premier fut le grec Démocrite, qui pensait qu'il existait des corps très petits qu'il baptisa "atomos"= insécable en grec)corpuscules constitués d'un noyau autour duquel tournent des électrons. Le noyau est composé de nucléons : les neutrons et les protons en nombres différents selon l'espèce chimique. Les protons et les neutrons sont eux-mêmes constitués de "quarks", c'est pour cela qu'on les nomme "hadrons". Les quarks différent entre eux par leur charge électrique, leur "couleur" et leur "saveur". Ces particules constituent la matière, mais elles ne sont pas les seules existantes.

La structure de la matière Copyright CEA

Les physiciens qui ont étudié ces particules ont découvert que les interactions (forces) entre deux corps sont transmises par l'intermédiaire d'autres particules plus petites nommées particules de forces ou bosons. De plus, on a constaté que quatre forces dominaient les lois physiques dans tout l'univers, les interactions fondamentales: interaction gravitationnelle, électromagnétique, faible et forte.
La vie d'une particule est inversement proportionnelle à sa masse, c'est pourquoi les interactions électromagnétique et gravitationnelle s'appliquent dans la vie courante: leurs bosons ont des masses nulles, donc des portées infinies.
En revanche, les bosons qui transmettent les interactions forte et faible sont relativement lourds, donc ont une durée de vie courte, donc une portée courte.
Ces hadrons et ces bosons sont décrits dans un tableau récapitulatif des interactions et des particules fondamentales que l'on appelle le modèle standard.
On ne sait pas pourquoi le nombre de 4 interactions fondamentales s'impose dans notre univers, c'est pourquoi les physiciens essayent d'unifier ces 4 forces.

Deux approches différentes sont possibles:

En fait, ces deux points de vue sont équivalents car le Big Bang met en jeu des énergies très élevées.

Actuellement, les physiciens pensent que les interactions électromagnétique, forte et faible sont liables et forment ce que l'on nomme "GUT" (Grand Unified Theory). Si cette unification pose déjà problème, on sait encore moins comment unifier celle-ci à la gravitation.