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       - Les forces dans la nature  
    Hors série - Science & Vie - 1998-12-01      
    Rien de plus simple, en apparence, que la notion de force. Rien, en réalité, de plus compliqué à cerner, de plus incertain, voire de plus magique. A tel point que les physiciens ont conçu mille façons de s'en passer.  
     
    Nous vivons dans un monde mouvant. Voilà un constat bien banal. Dire pourquoi il en est ainsi n'est en revanche pas très simple. Pendant deux millénaires, les meilleures explications sur l'origine des changements ou des mouvements des objets qui nous entourent ont reposé sur les mêmes bases. Celles des conceptions élaborées par Aristote (-385 env. -322). Le philosophe avait constitué une physique parfaitement cohérente et très proche de notre expérience quotidienne de l'espace et du mouvement. Ainsi était postulée en particulier l'existence de lieux naturels et de directions privilégiées. Il y avait, en bas la Terre avec ses vicissitudes et ses lois. Il y avait, en haut, le ciel et son ordonnancement impeccable. Dans le ciel, les corps se déplaçaient naturellement en cercle, image même de la perfection, sur Terre, une direction privilégiée, la verticale, définissait ce que pouvait être le mouvement naturel (ou non contraint). Les corps ordinaires ne pouvaient alors que tomber au sol et le feu, qui est un peu spécial, ne pouvait que monter.  
    Bien sur, Aristote ne pouvait pas éviter de considérer d'autres types de mouvements, les mouvements contraints, ou mouvement violents. Ceux dont on dirait volontiers aujourd'hui, si le terme n'était pas aussi trompeur, qu'ils sont conditionnés par des forces. Mais ces "forces", ne pouvaient ici être considérées que comme des principes de corruption. Leur intervention dérogeait en fait aux lois de la nature. La physique d'Aristote restait fondamentalement finaliste.  
   

Les âmes motrices

 
    Le mouvement représentait un processus de mise en conformité avec la nature. Il exprimait une qualité ou une propriété des corps, et non un état. Et l'on ne doutait pas en particulier qu'un corps lourd puisse tomber en un temps plus bref qu'un corps léger. Du moins si l'on se fiait à la théorie, car des contradicteurs d'Aristote, tel Jean Philippon (ou Jean le Grammairien), un savant byzantin du VIe siècle, n'ont cessé de signaler de longue date qu'il n'en allait pas ainsi dans la pratique. Une véritable remise en cause de la physique aristotélicienne ne sera cependant pas possible avant que Copernic (1473 - 1543) brise l'ancien ordonnancement du monde en plaçant le Soleil en son centre et en faisant circuler les 4 planètes autour de lui. Un renversement de perspective qui, à l'insu même de son auteur resté aristotélicien, impose une nouvelle conception à la fois de l'espace et du mouvement. Le premier à le comprendre sera Giordano Bruno (1548 - 1600), en notant pour commencer que le modèle héliostatique de Copernic signifie que l'espace doit être considéré comme homogène (pas de région privilégiées, tous les points se valent) et isotrope (pas de direction privilégiée, non plus). Mais s'il en est ainsi, comment comprendre le mouvement ? Il faut renoncer au finalisme, note alors Bruno, ainsi amené à postuler l'existence de causes au mouvement, et en particulier à celui des planètes. Des causes qu'il appellera des âmes motrices.  
    Une autre difficulté survient si l'on dépossède la Terre de sa position centrale dans l'Unis ers et qu'on là lance dans une course folle autour du Soleil. Comment, désormais, expliquer la chute des corps sur notre errante planète' Et surtout comment expliquer que cette chute soit verticale ? Après tout, il est facile de calculer que pendant la durée de la moindre chute d'une pomme de son arbre, la Terre doit s'être déplacée sur son orbite autour du Soleil de plusieurs kilomètres et quelle a aussi notablement tourné sur elle-même ? Les réponses à ces questions, longtemps restées bien embarrassantes et débattues, seront finalement données en plusieurs étapes au XVIIe siècle.  
    Ce qui va résoudre toutes les difficultés et faire basculer la physique dans une ère nouvelle, c'est l'introduction de la notion d'inertie. Et, bien que le mot ait déjà été employé par Kepler (1571 - 1630), et que Galilée (1564 - 1642) en ait fait le premier véritablement usage, c'est René Descartes (1596 - 1650) qui en propose une première formulation grâce à une redéfinition préalable de la notion de mouvement. Ce dernier, tel qu'il est envisagé par le philosophe et par ses successeurs physiciens, n'est plus un processus de transformation, mais un état, tout comme le repos. Repos et mouvement, devenus entités également quantifiables, peuvent et doivent dès lors bénéficier d'un traitement analogue. Un corps au repos restera au repos aussi longtemps que rien d'extérieur ne viendra le déranger dans son état. Et de la même façon, un corps en mouvement, et dont le mouvement possède des caractéristiques, conservera ces mêmes caractéristiques aussi longtemps qu'aucune intervention extérieure ne se fera sentir.  
    Newton (1642 - 1727) formulera le principe d'inertie en des termes plus précis, avec sa première loi : "Chaque corps persévère dans son état de repos ou de mouvement uniforme en ligne droite, sauf dans la mesure ou il est contraint de changer cet état par des forces imprimées. "Et si ce n'est pas exactement ainsi que s'exprimeront les physiciens qui viendront après lui (les forces imprimées en particulier ne sont pas les forces tout court), l'idée centrale est bien là. L'expérience quotidienne montre cependant que tous les corps ne réagissent pas avec la même bonne volonté à nos tentatives pour modifier leur "état de mouvement". Vous aurez beaucoup moins de mal à déplacer votre stylo qu'à pousser une voiture, et sous pourrez dire que stylo et voiture présentent une inertie très différente Une grandeur physique a été introduite pour rendre compte de cette variété de comportements, c'est la masse, ou plutôt la masse inertielle des corps. Un corps, par exemple, dont la masse est de dix kilogrammes résiste à une cause donnée dix fois plus qu'un corps dont la masse est de 1 kilogramme.  
    La masse d'un corps, cependant, ne suffit pas à rendre compte de tout ce que l'on observe lorsque l'on modifie l'état de mouvement de ce dernier. Quand vous poussez une voiture, vous êtes certes confronté à son inertie. Mais vous percevez aussi que l'effort que vous devez fournir dépend également de la vitesse à laquelle vous allez finalement parvenir à faire rouler votre véhicule. Afin de rendre compte de ce double aspect et ainsi définir complètement un état de mouvement, les physiciens ont dû, à partir de Newton, introduire une nouvelle notion : il s'agit de la quantité de mouvement, qui est tout simplement le produit p de la masse inertielle m d'un corps par sa vitesse v (p = m•v).  
   

La deuxième loi de Newton

 
    Pour Newton, on l'a déjà suggéré, tout ce qui est à l'origine d'une variation de quantité de mouvement s'appelle une force. Et c'est la relation fondamentale de la dynamique (ou deuxième loi de Newton) qui fournit le lien mathématique entre une telle variation de quantité de mouvement et la force qu'elle implique. La force est définie simplement comme le taux de variation dans le temps de la quantité de mouvement (f = dp/dt). Dans le cas où la masse peut être considérée comme constante (ce qui est faux par exemple pour une fusée, qui au cours de son ascension perd de la masse), la formule se simplifie, et la force correspond au produit de la masse inertielle m par le taux de variation dans le temps de la vitesse, c'est-à-dire par l'accélération a : (f = m•a). On le voit, une force est finalement quelque chose de très abstrait, voire d'assez insaisissable, y compris par la physique elle-même !  
    Abstraite, insaisissable et peut-être même magique, pour tout dire. On n'est pas très avancé, en effet, quand on se contente de remarquer que si l'on observe tel ou tel changement (dans un contexte de mouvement inertiel), c'est que quelque chose, appelée une force, en est la cause. Et après tout, identifier la force au taux de variation de la quantité de mouvement ne semble être qu'une façon bien creuse de donner deux noms différents à une même chose. On pourrait parfaitement remplacer le mot force par celui d'"âme motrice", pour reprendre l'expression de Giordano Bruno, ou même d'ange. Au XVIIe siècle, l'idée que les forces qui meuvent les planètes autour du Soleil soient en fait des anges n'a d'ailleurs pas été absente des débats scientifiques. Et c'est bien cette difficulté qu'il a à définir complètement ce qu'est une force qui explique la prudence de Newton quand il affirme "ne pas feindre [imaginer] d'hypothèses".  
    Ce, d'autant plus que la physique inaugurée par Newton présente un deuxième volet qui semble lui aussi en appeler à quelque chose de miraculeux. Il s'agit de cette étonnante propriété qu'indépendamment de leur inertie possèdent tous les corps de réagir à la présence d'autres corps dans leur voisinage. Autrement dit, tous les corps exercent les uns sur les autres une force bien mystérieuse : l'attraction universelle ou force de gravitation. Si l'on considère deux corps - quelconques - par exemple, un stylo et une voiture, deux planètes, ou une planète et le Soleil - cette force dépend de leur distance (en raison inverse du carré de celle-ci : f ~ 1/d2). C'est déjà en soi très intriguant. Comme le soulignait le physicien Richard Feynman la loi d'attraction universelle signifie-t-elle donc qu'"une planète regarde le Soleil, voit à quelle distance il est, calcule l'inverse carré de cette distance et décide de se déplacer en conséquence "? Mais ce n'est pas tout. La force d'attraction dépend aussi d'une caractéristique propre à chacun des corps concernés, leur masse gravitationnelle.  
    A priori, la masse gravitationnelle n'a rien à voir avec la masse inertielle. La première évoque une étrange force qui s'exerce à distance, la seconde une résistance des corps à modifier leur état de mouvement. Une des expériences les plus troublantes jamais imaginées par les physiciens suggère pourtant l'existence d'un rapport intime entre ces deux caractéristiques des corps. Cette expérience, Galilée l'a évoquée en imaginant que l'on lâche du sommet de la Tour de Pise deux objets de masses gravitationnelles différentes, comme un boulet de canon et une balle de mousquet, par exemple. Que peut-on attendre dans ce cas ? Si l'on s'en tient à ne considérer que la gravitation, c'est simple la force qui attire vers le sol chacun des corps, autrement dit son poids, est différente. Un boulet pèse plus qu'une balle… donc, imaginera-t-on, à force plus grande, accélération plus importante : le boulet devrait parvenir au sol avant la balle de mousquet (exactement comme l'affirmaient les aristotéliciens). Mais pas du tout ! Les deux corps parviennent au sol en même temps, du moins si l'on veut bien mettre de côté le freinage occasionné par le frottement de l'air. La raison de ce comportement inattendu, c'est bien sûr, l'inertie. Le boulet, qui a une masse gravitationnelle plus importante que la balle de mousquet, a aussi une masse inertielle plus importante. Le poids est supérieur, mais la réticence à accélérer aussi. Et le fait que des corps aussi différents qu'un boulet ou une balle, qu'un marteau ou une plume, ou encore qu'un stylo et une automobile (!) tombent toujours ainsi en des temps égaux signifie - si l'on s'en tient à l'expérience, car s'il existe bien une théorie pour prendre acte de ce fait (la relativité générale d'Einstein). il n'y en a toujours aucune qui puisse l'expliquer que la masse inertielle d'un corps est toujours proportionnelle à sa masse gravitationnelle…  
    Tout cela est donc très bizarre. En fin de compte, au point où nous en sommes arrivés, la seule chose qui pourrait encore sauver la notion générale de force, c'est qu'elle est susceptible de s'accorder avec des formulations mathématiques particulières. Ainsi, la formule f = m•a (où m désigne la masse inertielle) ne voudrait certes pas dire grand chose si l'on ne pouvait poser, par exemple, à côté d'elle, cette autre expression cabalistique qu'est f = G•M•m/d2 (où M et m désignent cette fois les masses gravitationnelles de deux corps qui s'attirent). Mais si l'on rapproche les deux formules, le concept de force devient (par miracle encore ?) opératoire. C'est-à-dire qu'il permet de faire des calculs. C'est ainsi qu'on quitte la métaphysique et ses anges pour entrer dans la physique et ses lois !  
   

Les forces sont-elles nécessaires ?

 
    Étonnamment, il se trouve que dès que l'on pénètre dans le monde des équations mathématiques, le concept de force semble aussi perdre très vite de sa nécessité. Ou plus précisément, il n'apparaît plus que comme une des composantes d'une approche plus large du mouvement. On peut très bien faire l'économie des forces, par exemple, lorsqu'on envisage le mouvement des planètes. Les lois de Kepler fournissent le moyen de connaître la forme des orbites, les temps nécessaires pour les parcourir en entier, ou simplement pour en parcourir des segments. Et l'on ne peut s'empêcher de remarquer que cette approche globale du mouvement ressemble furieusement à celle de la physique aristotélicienne. C'est le résultat final (par exemple, la trajectoire doit être une ellipse) qui est considéré, et non ses causes. Or, du point de vue des équations, les lois de Kepler apparaissent comme une simple conséquence de la loi d'attraction universelle et des lois de la dynamique newtonienne…  
    La situation se révèle encore plus troublante lorsqu'on remarque que toute la mécanique peut être réécrite (et qui plus est de façon particulièrement élégante et commode !) en renonçant complètement aux forces et en n'envisageant que des impératifs globaux. Une approche fondée sur l'énoncé de ce que les physiciens appellent des principes extrémaux. Le premier de ce type à avoir été découvert appartient à l'optique et non en première approche à la mécanique. Il est d'ailleurs antérieur aux travaux de Newton. Il s'agit du principe de Fermat (1601 - 1665), ou principe du moindre temps. Il consiste à dire qu'un rayon lumineux, lors de sa traversée de milieux réfringents variés, choisira le chemin qui, au total, aura été parcouru dans un temps minimal. On ne peut qu'être troublé par ce comportement, comme on l'a été par celui des planètes capables apparemment de calculer toutes seules la distance du Soleil ! Le rayon lumineux sait-il donc à l'avance où il se rend et quels détours emprunter pour arriver le plus vite possible ?  
    En fait, le principe de Fermat, à l'instar des autres principes extrémaux, correspond à une déclinaison particulière d'un principe général mis en lumière en 1744 par Maupertuis, puis élaboré notamment par Lagrange, Euler, Hamilton et Jacobi : le principe de moindre action. Celui-ci exprime que l'évolution observée pour tout système mécanique - on peut imaginer le déplacement quelconque d'une particule entre deux points est telle que la somme d'une quantité physique, mesurée à chaque instant, et appelée l'action, sera au total minimale (elle peut être en fait aussi maximale, mais en tout état de cause extrémale). Une fois de plus, ce principe semble renouer avec le finalisme ancien. Une particule en mouvement disposerait-elle d'une calculette lui permettant de décider quel est le meilleur chemin à emprunter pour atteindre une destination définie à l'avance ? Nous savons bien que ce n'est pas le cas. Et Maupertuis lui-même, tout préoccupé qu'il se prétendît de découvrir les "causes finales des lois que l'Etre suprême s'est proposées dans la formation de l'univers "(Essay de cosmologie, 1750), convenait que son principe n'entrait nullement en contradiction avec la considération des forces.  
    L'exemple d'une bulle de savon - et d'une façon qui serait plus convaincante pour un physicien, celui d'un film de savon adossé à une surface solide - peut donner une idée de ce que peut être le lien d'un comportement extrémal avec la notion de force. Une bulle est sphérique et l'on peut dire qu'elle l'est parce que cette forme correspond à une surface minimale englobant un espace maximal. Voilà donc une approche globale fondée sur un énoncé géométrique extrémal. D'un point de vue physique, il conviendrait sans doute de dire que ce ne sont pas la surface ou le volume qui sont en cause, mais l'énergie potentielle du film de savon, qui doit être minimale. Peu importe. Ce qui est surtout remarquable, c'est que la bulle semble parfaitement savoir comment s'y prendre pour atteindre le meilleur résultat possible. On n'a jamais vu de bulle gonfler en forme de cube Reste que si l'on y regarde de plus près, on soit bien ce qui se passe dans la bulle. Ce qui organise sa forme, ce sont bien des forces les forces qui s'exercent entre les molécules de savon et d'eau qui constituent le film, ainsi que l'effet de la pression de l'air. Les molécules s'accrochent entre elles. L'air contenu dans la bulle pousse vers l'extérieur. Et la forme finale n'est que la résultante de toutes les forces en présence dans le film. La forme globale est en réalité construite de proche en proche, molécule par molécule. Il n'y a pas de plan général. Et l'on pourrait dire la même chose du rayon lumineux qui trouve le chemin le plus court (en durée) tout simplement en se cognant aux électrons du milieu qu'il traverse, et en avançant de proche en proche à l'aveuglette en réalité…  
   

La troisième voie

 
    Cette façon d'envisager le commerce entre forces et principes extrémaux grâce à des effets de proche en proche reste cependant bien problématique lorsqu'on envisage une force comme la gravitation ou la force électromagnétique, qui s'exercent à distance. Le monde qui nous entoure, après tout, n'est pas immergé en permanence dans un bain d'eau savonneuse. L'action à distance des forces est une question sérieuse qui a beaucoup tracassé les physiciens du XIXe siècle. Au moins est-il possible d'envisager sa solution à travers une troisième voie, intermédiaire d'une certaine façon, entre les forces et les principes extrémaux, et qui, une fois encore, leur est mathématiquement équivalente. Le chaînon manquant a été fourni par Michael Faraday grâce à une expérience bien connue. On place un aimant par exemple sous une feuille de carton et l'on saupoudre de limaille de fer… Les particules métalliques s'organisent alors selon des lignes courbes qui joignent les pôles de l'aimant. Tout se passe comme s'il existait en chaque point de l'espace (ou du moins de la feuille) "quelque chose "qui assure cet étrange positionnement. Cette chose, à vrai dire assez mystérieuse, sera appelée un champ, en l'occurrence le champ magnétique de l'aimant.  
    Le concept de champ repose sur l'idée que, comme dans l'expérience de Faraday, l'on peut définir en chaque point de l'espace (l'espace habituel ou un espace plus abstrait) une grandeur à l'origine de certains changements (disons, en première instance, d'un mouvement). La grandeur en question pourra alors être mesurée par un simple nombre. On parlera alors d'un champ scalaire. Une carte géographique en relief, figurant montagnes et vallées, où chaque point correspond à une altitude fournit un exemple banal d'un tel champ. On peut aussi considérer cette carte autrement, en envisageant non plus les altitudes, mais la pente du terrain en chaque point. Cette pente pourra être définie par un nombre (par exemple l'angle avec l'horizontale) et une direction. Une telle association d'un nombre et d'une direction définit ce que les mathématiciens appellent un vecteur. Et quand ils veulent représenter une force, c'est à ce type d'entité mathématique qu'ils recourent. Si à un point donné d'un champ de gravitation vous voulez connaître la force qui s'exerce sur un objet de masse m, vous multipliez cette masse par ledit vecteur. Dans un champ électrique, c'est la charge que vous multiplierez par le vecteur pour obtenir la force à laquelle elle est soumise. Les forces au total n'apparaissent plus que comme des entités bien secondaires, obtenues par des calculs à partir d'entités beaucoup plus fondamentales.  
    L'idée que l'on peut définir un champ plus simple en amont d'un champ de force renvoie en fait à la notion de potentiel. Une bille placée au sommet d'une montagne possède une énergie potentielle plus importante qu'une bille située au fond d'une vallée. Vous pouvez alors dire indifféremment que la bille située au sommet va descendre spontanément vers la vallée pour minimiser son énergie potentielle, ou alors que, soumise à une force, elle 'a se mettre en route et continuer son chemin dans la direction où celle-ci s'exerce à chaque instant. Application (rudimentaire) d'un principe extrémal d'un côté, recours à une force de l'autre, mais finalement, toujours implication d'un champ…  
    Pour l'essentiel élaborée au cours du XIXe siècle, la notion de champ est devenue un outil central dans la compréhension des phénomènes physiques fondamentaux, dès le début du XXe siècle. Cette évolution a conduit à une remise en cause encore plus radicale que ce que l'on vient de dire du concept de force. La théorie de la relativité générale, proposée vers 1915 par Einstein (1879 - 1955), en réalité une théorie de la gravitation, a porté en particulier un coup très sévère à l'idée que cette dernière puisse être considérée véritablement comme une force. Tout l'édifice proposé par le physicien concernant la gravitation repose sur l'équivalence déjà signalée de la masse inertielle et de la masse gravitationnelle. On l'a dit, la mécanique classique constatait expérimentalement la proportionnalité de ces deux facteurs mais n'en tirait aucune conséquence. Einstein, lui, a érigé cette équivalence en postulat. S'il existe une équivalence fondamentale entre les masses inertielle et gravitationnelle, alors les phénomènes inertiels et les phénomènes gravitationnels doivent eux aussi être considérés comme équivalents et relever des mêmes lois. Reste qu'une grosse difficulté surgit aussitôt que l'on prend cet énoncé au sérieux. Elle réside dans le constat tout simple, qu'une pomme qui tombe sous l'effet de la pesanteur, a un mouvement rectiligne, certes, mais également accéléré. Qu'y a-t-il d'inertiel là-dedans ? Et même remarque pour les planètes sur leurs orbites leur vitesse varie en permanence tant en direction qu'en module. Comment peut-on prétendre alors que leurs mouvements sont inertiels ?  
    Einstein s'est tiré d'affaire en considérant, dans un premier temps, qu'il y a équivalence stricte en fait seulement en un point donné et son environnement immédiat. Par exemple, sur une portion infiniment petite de leur trajectoire, les planètes ont effectivement un mouvement assimilable à un mouvement inertiel, rectiligne et uniforme… On pourra ainsi dire, après lui, que l'équivalence des mouvements inertiels et gravitationnels correspond à la caractéristique locale d'un champ. Mais de quel type de champ s'agit-il ? La réponse du physicien est qu'il s'agit ici purement et simplement de l'espace-temps. Mais un espace-temps qu'il convient de considérer désormais comme courbe, du fait de la présence de matière ou d'énergie. Dans cette conception, les corps massifs n'exercent plus des forces les uns sur les autres. Ils influent simplement sur la courbure de l'espace-temps autour d'eux. Grâce à un tel espace, un mouvement inertiel (qui n'est donc soumis à aucune force) pourra apparaître comme contraint (déterminé par une force) si on essaie de le décrire dans un espace qui n'est pas adapté à la réalité. Et c'est bien ce qui se produit, dès que l'on cherche à envisager les phénomènes inertiels dans le seul espace accessible à notre expérience de simples mortels : un espace plat. Notre inaptitude à percevoir la déformation de l'espace-temps du fait de la présence de masses ou d'énergie, nous fait croire à la présence d'une force qui n'en est pas une : la gravitation !  
    A peu près à l'époque où Einstein travaillait sur ses théories de la relativité, un autre coup a commencée à être porté, indépendamment, à la notion traditionnelle de force. En effet, il est alors apparu que les phénomènes électromagnétiques - qui, en première instance, impliquent la lumière et les électrons, devaient être approchés de deux façons opposées et cependant complémentaires. Les physiciens ont alors été conduits à envisager la lumière, ainsi que l'ensemble des ondes électromagnétiques auquel elle appartient, en termes de champ, c'est-à-dire d'une entité définie en tout point de l'espace, en même temps qu'en termes de corpuscules, c'est-à-dire d'entités ponctuelles. Et l'on pourrait dire la même chose des électrons. Ce double aspect champ (ou onde) et corpuscule à la fois fusionne dans la notion contemporaine de particule. De quoi inviter à se demander ce que deviennent, dans un tel contexte, les "champs de forces "en général, on plus exactement la notion de force quand clic peut être mise en relation avec l'existence d'un champ. Se pourrait-il que derrière les forces se cachent en réalité des particules ?  
    La réponse donnée par les physiciens au cours de ce siècle - et au terme d'un labeur difficile - est dans une certaine mesure oui. Si l'on excepte en effet l'intervention de diverses pseudo-forces, tous les phénomènes étudiés par la physique, et observables dans l'Univers tel qu'il se présente actuellement, relèvent en dernier ressort de l'intervention de seulement quatre forces. Ou plus exactement, car la notion de force perd ici quelque peu de ses déterminations classiques, les phénomènes physiques peuvent, dira-t-on, s'envisager à travers seulement quatre façons pour les objets étudiés d'interagir. Il existe ainsi la façon gravitationnelle, qui traduit le fait qu'un corps donné est sensible (et donc réagit) à la présence dans son environnement d'un autre corps, parce que l'un et l'autre possèdent une caractéristique commune, la masse. Il existe la façon électromagnétique, pour laquelle la sensibilité est définie par la possession d'une charge électrique. Un électron, de charge électrique négative, et un neutron, dépourvu de charge électrique, ne "se voient "pas si on les considère du point de vue de l'interaction électromagnétique. Mais porteurs tous les deux d'une masse, ils sont gravitationnellement sensibles l'un à l'autre. Et il existe enfin deux façons d'interagir supplémentaires, propres à l'échelle subatomique l'interaction de couleur pour laquelle la clé est donnée par le port d'une charge dite, justement, de couleur, et l'interaction faible à laquelle sont sensibles les objets porteurs d'une charge d'un type encore différent, la saveur.  
    L'interaction de couleur concerne en premier lieu les quarks qui, rassemblés en triplets, sont les constituants des protons et des neutrons. Cette interaction est indirectement responsable de la cohésion des noyaux atomiques : elle explique en particulier que les protons s'assemblent ou se collent non seulement avec les neutrons, mais aussi entre eux, malgré la répulsion électrostatique qui tendrait à les séparer. L'interaction faible, pour sa part, s'éloigne sensiblement de l'idée intuitive que l'on peut avoir d'une force. Point ici d'attraction ou de répulsion. à proprement parler. Son intervention se signale plutôt par un changement de nature, une sorte de transmutation, des objets qu'elle concerne. Ainsi, au cours de certains processus radioactifs, un neutron peut-il se transformer par interaction faible en proton. Réciproquement un proton peut devenir neutron par interaction faible. Cela s'observe en particulier au cour du Soleil. Au niveau le plus fondamental, ces changements traduisent le basculement d'un quark d'un certain type en quark d'un type différent. Un processus très spécial que ni la gravitation, ni l'électromagnétisme. ni l'interaction de couleur ne sont en mesure d'expliquer.  
    Tout au plus les chercheurs ont-ils réussi à montrer que l'interaction faible et l'interaction électromagnétique pouvaient être considérées comme deux aspects d'une seule et même force ne pouvant se présenter comme telle que dans un contexte de haute énergie (Big Bang, accélérateurs de particules) : l'interaction électrofaible. Un des grands projets de la physique est de réussir le même type d'unification pour toutes les autres forces. Pareille entreprise visant alors à se représenter les quatre (ou trois et demie ?) interactions fondamentales comme les manifestations, dans les conditions physiques actuelles de l'Univers, d'un seul et unique type d'interaction. Tous les phénomènes observés dans la nature expliqués par un seul principe de changement… On comprend que la perspective fasse rêver plus d'un physicien !  
   

Les médiateurs

 
    On n'en est pas tout à fait là. Au cours des dernières décennies, les physiciens ont déjà fourni un effort considérable pour se représenter les interactions ou forces fondamentales à l'intérieur d'une même approche théorique. Ils peuvent désormais rendre compte de ces interactions en termes de champs (ou d'ondes) et de corpuscules. Autrement dit, en invoquant pour chacune des forces fondamentales l'existence de particules qui en seraient les médiatrices. Une démarche qui a parfaitement réussi pour ce qui concerne l'interaction électromagnétique dont la particule médiatrice est le photon. Et le succès des chercheurs a été encore plus spectaculaire (parce que la tâche se révélait bien plus ardue) avec la force faible, dont les médiateurs, au nombre de trois, sont appelés bosons intermédiaires (W+, W-, Z°). ainsi que pour la force de couleur, qui, elle, s'explique par l'intervention du gluon, une particule qui se décline en huit variétés. Seule la gravitation, à ce jour, reste rétive à cette approche. Les physiciens peuvent certes associer à cette interaction une particule. le graviton. Mais les théories auxquelles ils aboutissent alors se heurtent encore à des obstacles insurmontables.  
    Associer des particules aux interactions a une conséquence très déroutante. Les forces se voient en effet placées sur le même plan que les particules de matière (électrons, quarks, neutrinos). Mais quel rapport peut-il exister entre un électron et un photon, par exemple ? Si la distinction, en pratique, entre les particules médiatrices de forces, ou bosons, et les particules de matière, ou fermions, et sur lesquelles s'exercent les forces se révèle très claire, son origine s'avère en fait plutôt subtile. Elle fait appel à une notion assez peu intuitive, celle de spin. Les fermions ont un spin demi-entier (1/2). les bosons ont un spin entier (normalement égal à 1. mais les nombres 0 ou 2 (dans le cas du graviton) sont recevables. En somme, la différence fondamentale entre les bosons et les fermions, c'est celle qui existe entre les pièces blanches et les pièces noires d'un échiquier : elles jouent au même jeu selon des règles communes et sont presque interchangeables. Il suffit d'un peu de peinture pour transformer le roi noir en roi blanc, et il suffit ( !) apparemment de faire glisser la valeur de spin d'un fermion d'une demi-unité pour en faire un boson et réciproquement. Qu'un physicien parvienne à dire comment pourrait s'effectuer ce décalage de rien du tout - c'est tout l'enjeu des actuelles théories dites supersymétriques et il n'y aura plus de raison de distinguer la matière des forces qui s'exercent sur elle !  
    Toute piquante ou curieuse qu'elle puisse paraître, cette possibilité offerte par les théories supersymétriques de jeter un pont entre particules de matière et particules médiatrices des forces n'a pas qu'un simple intérêt esthétique. Faire "glisser "d'une certaine façon une particule de matière pour en faire une particule de force est mathématiquement équivalent à effectuer un certain changement de coordonnées de la particule dans l'espace-temps. Or, il se trouve que la gravitation, telle qu'elle est comprise depuis Einstein, se présente justement à travers des théories qui définissent des conditions et règles pour de telles transformations de cordonnées. La relativité générale est la plus simple des approches actuellement disponibles pour répondre à la question de savoir en particulier comment on passe des coordonnées dans un espace plat à celles d'un espace courbe. Mais elle peut être encore généralisée, si l'on peut dire, pour installer la gravitation de façon naturelle parmi les autres forces, sinon pour en faire une force comme les autres. Des forces qui, d'ailleurs, ne seraient même plus véritablement des forces…  
               
            
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