Le gars brillant aux cheveux sauvages derrière la première force dont nous allons parler Central Press/Stringer/Hulton Archive/Getty Images Alors que vous êtes assis devant votre ordinateur en train de lire cet article, vous ignorez peut-être les nombreuses forces qui agissent sur vous. UNE Obliger est défini comme une poussée ou une traction qui modifie l'état de mouvement d'un objet ou provoque la déformation de l'objet. Newton a défini une force comme tout ce qui provoque l'accélération d'un objet -- F =ma, où F est la force, m est la masse et une est l'accélération.
La force familière de la gravité vous tire vers votre siège, vers le centre de la Terre. Vous le ressentez comme votre poids. Pourquoi ne tombes-tu pas de ton siège ? Bien, une autre force, électromagnétisme , tient ensemble les atomes de ton siège, empêchant vos atomes d'empiéter sur ceux de votre siège. Les interactions électromagnétiques dans votre écran d'ordinateur sont également responsables de la génération de lumière qui vous permet de lire l'écran.
La gravité et l'électromagnétisme ne sont que deux des quatre forces fondamentales de la nature, en particulier deux que vous pouvez observer tous les jours. Que sont les deux autres, et comment vous affectent-ils si vous ne pouvez pas les voir ?
Les deux forces restantes travaillent au niveau atomique, que nous ne ressentons jamais, bien qu'il soit fait d'atomes. Les une force puissante maintient le noyau ensemble. Dernièrement, les force faible est responsable de la décroissance radioactive, Plus précisément, la désintégration bêta où un neutron dans le noyau se transforme en un proton et un électron, qui est éjecté du noyau.
Sans ces forces fondamentales, vous et toutes les autres matières de l'univers s'effondreraient et s'envoleraient. Regardons chaque force fondamentale, ce que chacun fait, comment il a été découvert et comment il se rapporte aux autres.
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Ce petit gars est sur le point de découvrir ce qu'est la gravité. Steve Puetzer/Getty Images La première force dont vous avez pris conscience était probablement la gravité. En tant que tout-petit, il fallait apprendre à se dresser contre elle et à marcher. Quand tu as trébuché, vous avez immédiatement senti la gravité vous ramener au sol. En plus de causer des problèmes aux tout-petits, la gravité tient la lune, planètes, soleil, étoiles et galaxies ensemble dans l'univers sur leurs orbites respectives. Il peut fonctionner sur d'immenses distances et a une portée infinie.
Isaac Newton a envisagé la gravité comme une attraction entre deux objets quelconques qui était directement liée à leurs masses et inversement liée au carré de la distance les séparant. Sa loi de la gravitation a permis à l'humanité d'envoyer des astronautes sur la lune et des sondes robotiques aux confins de notre système solaire. De 1687 jusqu'au début du 20e siècle, L'idée de Newton de la gravité comme un "tir à la corde" entre deux objets quelconques dominait la physique.
Mais un phénomène que les théories de Newton ne pouvaient pas expliquer était l'orbite particulière de Mercure. L'orbite elle-même semblait tourner (également connue sous le nom de précession). Cette observation a frustré les astronomes depuis le milieu des années 1800. En 1915, Albert Einstein s'est rendu compte que les lois du mouvement et de la gravité de Newton ne s'appliquaient pas aux objets en haute gravité ou à grande vitesse, comme la vitesse de la lumière.
Dans sa théorie de la relativité générale, Albert Einstein a envisagé la gravité comme une distorsion de l'espace causée par la masse. Imaginez que vous placez une boule de bowling au milieu d'une feuille de caoutchouc. La balle fait une dépression dans la feuille (un puits de gravité ou un champ de gravité). Si vous faites rouler une bille vers la balle, il tombera dans la dépression (sera attiré par la balle) et pourra même faire le tour de la balle (orbite) avant qu'elle ne frappe. Selon la vitesse de la bille, il peut échapper à la dépression et passer le ballon, mais la dépression pourrait altérer la trajectoire du marbre. Les champs de gravité autour d'objets massifs comme le soleil font de même. Einstein a dérivé la loi de la gravité de Newton de sa propre théorie de la relativité et a montré que les idées de Newton étaient un cas particulier de la relativité, spécifiquement un s'appliquant à une faible gravité et à de faibles vitesses.
Lorsque l'on considère des objets massifs (Terre, étoiles, galaxies), la gravité semble être la force la plus puissante. Cependant, lorsque vous appliquez la gravité au niveau atomique, il a peu d'effet parce que les masses de particules subatomiques sont si petites. A ce niveau, il est en fait déclassé à la force la plus faible.
Regardons l'électromagnétisme, la prochaine force fondamentale.
Allons y, tout le monde sait que les contraires s'attirent, même Paula Abdul. Don Farrall/Getty Images Si vous vous brossez les cheveux plusieurs fois, vos cheveux peuvent se dresser et être attirés par la brosse. Pourquoi? Le mouvement de la brosse confère des charges électriques à chaque poil et les poils individuels chargés de manière identique se repoussent. De la même manière, si vous placez ensemble les pôles identiques de deux barres magnétiques, ils se repousseront. Mais placez les pôles opposés des aimants l'un près de l'autre, et les aimants s'attireront les uns les autres. Ce sont des exemples familiers de force électromagnétique; les charges opposées s'attirent, tandis que les charges semblables se repoussent.
Les scientifiques étudient l'électromagnétisme depuis le XVIIIe siècle, dont plusieurs ont apporté des contributions notables.
Lorsque les scientifiques ont élaboré la structure de l'atome au début du 20e siècle, ils ont appris que les particules subatomiques exerçaient des forces électromagnétiques les unes sur les autres. Par exemple, des protons chargés positivement pourraient contenir des électrons chargés négativement en orbite autour du noyau. Par ailleurs, les électrons d'un atome attirent les protons des atomes voisins pour former un force électromagnétique résiduelle , qui vous empêche de tomber à travers votre chaise.
Mais comment fonctionne l'électromagnétisme à portée infinie dans le grand monde et à courte portée au niveau atomique ? Les physiciens pensaient que les photons transmettaient une force électromagnétique sur de grandes distances. Mais ils ont dû concevoir des théories pour réconcilier l'électromagnétisme au niveau atomique, et cela a conduit au domaine de électrodynamique quantique ( CQFD ). Selon QED, les photons transmettent la force électromagnétique à la fois macroscopiquement et microscopiquement; cependant, les particules subatomiques échangent constamment des photons virtuels au cours de leurs interactions électromagnétiques.
Mais l'électromagnétisme ne peut pas expliquer comment le noyau se maintient. C'est là que les forces nucléaires entrent en jeu.
Dr. Hideki Yukawa, droit, reçoit le prix Nobel de physique à Stockholm des mains du prince héritier Gustaf Adolf de Suède le 10 décembre 1949, pour sa postulation sur le méson. Photo AP/Getty Images Le noyau de tout atome est constitué de protons chargés positivement et de neutrons neutres. L'électromagnétisme nous dit que les protons doivent se repousser et que le noyau doit s'envoler. Nous savons aussi que la gravité ne joue pas de rôle à l'échelle subatomique, donc une autre force doit exister dans le noyau qui est plus forte que la gravité et l'électromagnétisme. En outre, puisque nous ne percevons pas cette force tous les jours comme nous le faisons avec la gravité et l'électromagnétisme, alors il doit opérer sur de très courtes distances, dire, à l'échelle de l'atome.
La force qui maintient le noyau ensemble est appelée la une force puissante , alternativement appelée force nucléaire forte ou interaction nucléaire forte. En 1935, Hideki Yukawa a modélisé cette force et a proposé que les protons interagissant les uns avec les autres et avec les neutrons échangeaient une particule appelée un méson -- appelé plus tard un pion -- pour transmettre la force forte.
Dans les années 1950, les physiciens ont construit des accélérateurs de particules pour explorer la structure du noyau. Quand ils ont écrasé des atomes ensemble à grande vitesse, ils trouvèrent les pions prédits par Yukawa. Ils ont également découvert que les protons et les neutrons étaient constitués de particules plus petites appelées quarks . Donc, la force puissante a maintenu les quarks ensemble, qui à son tour maintenait le noyau ensemble.
Un autre phénomène nucléaire devait être expliqué :la décroissance radioactive. En émission bêta, un neutron se désintègre en proton, anti-neutrino et électron (particule bêta). L'électron et l'anti-neutrino sont éjectés du noyau. La force responsable de cette désintégration et de cette émission doit être différente et plus faible que la force forte, c'est donc un nom malheureux - le force faible ou la force nucléaire faible ou l'interaction nucléaire faible.
Avec la découverte des quarks, la force faible s'est avérée responsable de la transformation d'un type de quark en un autre par l'échange de particules appelées bosons W et Z, qui ont été découverts en 1983. En fin de compte, la force faible rend possible la fusion nucléaire dans le soleil et les étoiles car elle permet à l'isotope d'hydrogène deutérium de se former et de fusionner.
Maintenant que vous pouvez nommer les quatre forces - la gravité, électromagnétisme, la force faible et la force forte -- nous verrons comment elles se comparent et interagissent les unes avec les autres.
Des domaines de QED et chromodynamique quantique , ou CDQ , le domaine de la physique qui décrit les interactions entre les particules subatomiques et les forces nucléaires, nous voyons que de nombreuses forces sont transmises par des objets échangeant des particules appelées particules de jauge ou bosons de jauge . Ces objets peuvent être des quarks, protons, électrons, atomes, des aimants ou même des planètes. Donc, comment l'échange de particules transmet-il une force ? Considérez deux patineurs à une certaine distance l'un de l'autre. Si un patineur lance une balle à l'autre, les patineurs s'éloigneront les uns des autres. Les forces fonctionnent de la même manière.
Les physiciens ont isolé les particules de jauge pour la plupart des forces. La force puissante utilise pions et une autre particule appelée gluon . La force faible utilise bosons W et Z . La force électromagnétique utilise photons . On pense que la gravité est véhiculée par une particule appelée graviton ; cependant, les gravitons n'ont pas encore été trouvés. Certaines des particules de jauge associées aux forces nucléaires ont une masse, tandis que d'autres ne le font pas (électromagnétisme, la gravité). Parce que la force électromagnétique et la gravité peuvent fonctionner sur des distances énormes comme des années-lumière, leurs particules de jauge doivent pouvoir voyager à la vitesse de la lumière, peut-être encore plus rapide pour les gravitons. Les physiciens ne savent pas comment la gravité est transmise. Mais selon la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, aucun objet avec une masse ne peut voyager à la vitesse de la lumière, il est donc logique que les photons et les gravitons soient des particules de jauge sans masse. En réalité, les physiciens ont fermement établi que les photons n'ont pas de masse.
Quelle force est la plus puissante de toutes ? Ce serait la force nucléaire forte. Cependant, il n'agit que sur une courte portée, environ la taille d'un noyau. La force nucléaire faible est un millionième plus forte que la force nucléaire forte et a une portée encore plus courte, inférieur au diamètre d'un proton. La force électromagnétique est d'environ 0,7% aussi forte que la force nucléaire forte, mais a une portée infinie car les photons transportant la force électromagnétique se déplacent à la vitesse de la lumière. Finalement, la gravité est la force la plus faible à environ 6 x 10 -29 fois celle de la force nucléaire forte. La gravité, cependant, a une portée infinie.
Les physiciens poursuivent actuellement l'idée que les quatre forces fondamentales peuvent être liées et qu'elles sont issues d'une force au début de l'univers. L'idée n'est pas inédite. Nous avons autrefois pensé à l'électricité et au magnétisme comme des entités distinctes, mais le travail d'Oersted, Faraday, Maxwell et d'autres ont montré qu'ils étaient apparentés. Les théories qui relient les forces fondamentales et les particules subatomiques sont appelées à juste titre grandes théories unifiées . Plus sur eux ensuite.
Le noyau magnétique du Large Hadron Collider pourrait un jour unir la force forte avec la force électrofaible. Fabrice Coffrini/AFP/Getty Images La science ne se repose jamais, le travail sur les forces fondamentales est donc loin d'être terminé. Le prochain défi est de construire une grande théorie unifiée des quatre forces, une tâche d'autant plus difficile que les scientifiques ont eu du mal à concilier les théories de la gravité avec celles de la mécanique quantique.
C'est là que les accélérateurs de particules, qui peuvent induire des collisions à des énergies plus élevées, venir en pratique. En 1963, les physiciens Sheldon Glashow, Abdul Salam et Steve Weinberg ont suggéré que la force nucléaire faible et la force électromagnétique pourraient se combiner à des énergies plus élevées dans ce qu'on appellerait le force électrofaible . Ils ont prédit que cela se produirait à une énergie d'environ 100 giga-électron-volts (100GeV) ou à une température de 10 15 K, qui s'est produit peu après le Big Bang. En 1983, les physiciens ont atteint ces températures dans un accélérateur de particules et ont montré que la force électromagnétique et la force nucléaire faible étaient liées.
Les théories prédisent que la force forte s'unira à la force électrofaible à des énergies supérieures à 10 15 GeV et que toutes les forces peuvent s'unir à des énergies supérieures à 10 19 GeV. Ces énergies approchent de la température de la première partie du Big Bang. Les physiciens s'efforcent de construire des accélérateurs de particules qui pourraient atteindre ces températures. Le plus grand accélérateur de particules est le Large Hadron Collider du CERN à Genève, La Suisse. Quand il est en ligne, il sera capable d'accélérer les protons à 99,99 % de la vitesse de la lumière et d'atteindre des énergies de collision de 14 téra-électron-volts ou 14 TeV, qui est égal à 14, 000 GeV ou 1,4 x 10 4 GeV.
Si les physiciens peuvent montrer que les quatre forces fondamentales proviennent en effet d'une force unifiée lorsque l'univers s'est refroidi à la suite du Big Bang, cela changera-t-il votre quotidien ? Probablement pas. Cependant, cela fera progresser notre compréhension de la nature des forces, ainsi que les origines et le destin de l'univers.
