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       - Une question d'échelle  
    Hors série - Science & Vie - 1998-12-01      
    La gravitation ne peut s'exprimer que lorsque toutes les autres forces s'annulent.  
    Tous les changements observés dans es phénomènes naturels peuvent s'expliquer en recourant, en dernière instance, à l'action de quatre types de forces seulement : la force faible - ou interaction nucléaire faible - la force de couleur - ou interaction nucléaire forte - la force électromagnétique et la gravitation. Mais elles n'interviennent pas de la même façon à tous les niveaux. Deux interactions, en particulier, sont pratiquement absentes des phénomènes observés à notre échelle. Il s'agit de la force faible et de la force de couleur, dont les effets ne se font sentir qu'à l'échelle de l'atome. Elles n'ont, en effet, qu'une portée infime.  
    Pour ce qui est de la force faible, la raison en est que ses particules médiatrices (les bosons intermédiaires) sont des objets de masse - et donc d'énergie - relativement grande par rapport à beaucoup d'autres particules. Or, selon le principe qui veut qu'un objet est d'autant plus stable que son énergie est faible, ces bosons sont portés à se désintégrer rapidement en d'autres particules. Leur vie est excessivement brève. Ils ne peuvent donc ni exercer leur emprise sur de longues distances, ni affecter de façon importante les particules qui les environnent. L'interaction nucléaire faible a une portée de l'ordre de 10-18 cm et son intensité, mesurée par un nombre que les physiciens appellent sa constante de couplage, est de 10-7.  
   

Une portée minime

 
    Dans le cas de l'interaction de couleur, qui soude les quarks des nucléons et assure la cohésion des noyaux atomiques, les bosons médiateurs (les gluons) ne sont pas massifs. Mais ils sont eux aussi porteurs, comme les particules de matière sur lesquelles ils exercent leur pouvoir, de charges de couleur. Résultat, ils agissent les uns sur les autres. Comme leur nom le suggère judicieusement, ils forment alors une vraie glue, rétive à s'étaler. En pratique, la force de couleur n'a plus aucune incidence au-delà de 10-12 cm. Sur des distances inférieures, elle reste cependant la plus forte des forces. La constante de couplage qui lui est attachée est de 1. Autrement dit, son intensité est dix millions de fois supérieure à la force faible…  
    Quant à l'interaction électromagnétique, elle est véhiculée par des bosons de masse nulle (les photons) qui n'ont donc aucune raison de se désintégrer en quelque chose de masse inférieure. Les photons sont éternels, et la portée de la force électromagnétique est infinie. En revanche, elle est cent fois moins intense que la force forte (constante de couplage égale à 10-2). Elle a donc peu de poids à l'échelle des nucléons. Deux protons, qui pourtant sont porteurs de charges électriques positives et donc se repoussent, peuvent ainsi rester collés ensemble à l'intérieur d'un noyau, pour peu, du moins, que quelques neutrons (de charge électrique nulle, mais porteurs de charge de couleur) garantissent la solidité de l'édifice. La force électrosmagnétique structure le monde sur des échelles supérieures à celle du noyau atomique, et encore à notre échelle. Cependant, au fur et à mesure que les dimensions considérées augmentent, elle est en concurrence de plus en plus marquée avec la gravitation.  
    La gravitation est elle aussi de portée infinie. Elle est pourtant d'intensité insignifiante comparée aux phénomènes électrostatiques. Si l'on considère deux protons par exemple, le rapport de la gravitation et de la force électrostatique qui est la principale composante de la force électromagnétique entre ces deux particules est égal à 8,1•10-37. Ce qui correspond, pour la gravitation, à une constante de couplage de 10-38.  
    La gravitation ne peut donc s'exprimer que si toutes les autres forces connues parviennent, pour une raison ou pour une autre, à annuler exactement leurs effets. Ainsi, en particulier, les corps électriquement neutres - pour lesquels charges électriques positives et négatives se compensent - ne peuvent exister que s'ils sont très volumineux au regard des dimensions d'un atome. Une planète répond bien à cette exigence, ainsi que les objets plus gros encore. En outre, comme la gravitation repose sur un type très particulier de "charge", la masse, qui ne saurait être négative, il n'y a pas de neutralisation possible de ses effets. Ainsi, plus on envisagera des échelles grandes, et plus ses effets cumulatifs se feront sentir. Elle régnera à l'échelle astronomique pratiquement sans partage. Tout au plus pourra-t-on constater, çà et là, l'opposition très localisée de forces tendant à la contrecarrer. Telle est la situation dans les étoiles, où tout dépend d'un équilibre entre la force centripète de gravitation et les forces centrifuges, engendrées par la pression des particules portées à haute température et par le rayonnement.  
     
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