1.2 Aux origines
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champs toute sa substance. Il est entendu désormais que toute relation de cause à
effet ne peut s’établir avec une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière. Matière
et énergie étant équivalentes, les concepts de la mécanique et de l’électricité n’en
sont que plus proches. En outre, avec la relativité générale (1915), la courbure même
de l’espace est déterminée par les potentiels gravitationnels, de sorte qu’espace et
champ semblent ne plus faire qu’un. Notons cependant que les tentatives de « géométrisation » du champ au sens de l’électrodynamique n’ont pu trouver à ce jour de
justification théorique satisfaisante.
Très différent est le point de vue adopté par la théorie des quanta (1926) qui fixe
un rapport constant entre l’énergie d’une particule et la fréquence de l’onde qui lui
est intimement associée. Le rayonnement électromagnétique est alors représenté par
l’émission de particules quantifiées, les photons. Lorsqu’elle change d’état énergétique, une particule chargée émet ou absorbe des photons. De même, l’annihilation
d’une particule chargée (par exemple un électron) par une particule de charge opposée
(dans ce cas, un positron) s’accompagne d’une émission photonique. Le processus est
réversible si bien qu’il devient possible de créer des paires de particules à partir de
photons. Le champ électromagnétique, au sens de Maxwell, peut donc être interprété
comme la manifestation des particules créées à partir de l’énergie qu’il renferme.
Quant à l’interaction entre particules chargées immobiles, elle procède, selon cette
vision, d’un échange virtuel de particules du champ : un photon est brièvement émis
par une charge avant d’être réabsorbé par cette même charge ou par une autre. Peutêtre faut-il voir là une justification moderne des « effluves » si chères aux pionniers
antiques de l’électrodynamique ?
Rappelons enfin que la compréhension actuelle des forces de l’univers repose sur
la mise en jeu de quatre interactions fondamentales
(1) dont les principales propriétés
sont résumées dans le tableau 1.1.
Tableau 1.1 Les quatre interactions fondamentales
INTERACTION
GRAVITATIONNELLE
ÉLECTROMAGNETIQUE
FORTE
FAIBLE
quasiment tous
cohésion
radioactivité
domaine concerné
pesanteur
les phénomènes
des noyaux
bêta
de la vie courante
atomiques
particule « messagère »
graviton G
photon g
gluons g
bosons W + , W − , Z 0
masse du messager
0
0
2 × 10 −28 Kg
2, 2 × 10 −25 Kg
forme du potentiel
∝
1
r
∝
1
r
∝
e −r/r0
r
∝
e −r/r0
r
portée
∞
∞
10 −15 m
10 −18 m
intensité relative
10 −36
10 −2
1
10 −7
(1) Conformément à la démarche entreprise dès l’Antiquité, l’intégration de ces quatre types d’interactions
au sein d’un schéma théorique commun représente un défi scientifique majeur pour la recherche fondamentale
(théorie de la « Grande Unification » ou théorie « du Tout » incluant la gravitation).
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champs toute sa substance. Il est entendu désormais que toute relation de cause à
effet ne peut s’établir avec une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière. Matière
et énergie étant équivalentes, les concepts de la mécanique et de l’électricité n’en
sont que plus proches. En outre, avec la relativité générale (1915), la courbure même
de l’espace est déterminée par les potentiels gravitationnels, de sorte qu’espace et
champ semblent ne plus faire qu’un. Notons cependant que les tentatives de « géométrisation » du champ au sens de l’électrodynamique n’ont pu trouver à ce jour de
justification théorique satisfaisante.
Très différent est le point de vue adopté par la théorie des quanta (1926) qui fixe
un rapport constant entre l’énergie d’une particule et la fréquence de l’onde qui lui
est intimement associée. Le rayonnement électromagnétique est alors représenté par
l’émission de particules quantifiées, les photons. Lorsqu’elle change d’état énergétique, une particule chargée émet ou absorbe des photons. De même, l’annihilation
d’une particule chargée (par exemple un électron) par une particule de charge opposée
(dans ce cas, un positron) s’accompagne d’une émission photonique. Le processus est
réversible si bien qu’il devient possible de créer des paires de particules à partir de
photons. Le champ électromagnétique, au sens de Maxwell, peut donc être interprété
comme la manifestation des particules créées à partir de l’énergie qu’il renferme.
Quant à l’interaction entre particules chargées immobiles, elle procède, selon cette
vision, d’un échange virtuel de particules du champ : un photon est brièvement émis
par une charge avant d’être réabsorbé par cette même charge ou par une autre. Peutêtre faut-il voir là une justification moderne des « effluves » si chères aux pionniers
antiques de l’électrodynamique ?
Rappelons enfin que la compréhension actuelle des forces de l’univers repose sur
la mise en jeu de quatre interactions fondamentales
(1) dont les principales propriétés
sont résumées dans le tableau 1.1.
Tableau 1.1 Les quatre interactions fondamentales
INTERACTION
GRAVITATIONNELLE
ÉLECTROMAGNETIQUE
FORTE
FAIBLE
quasiment tous
cohésion
radioactivité
domaine concerné
pesanteur
les phénomènes
des noyaux
bêta
de la vie courante
atomiques
particule « messagère »
graviton G
photon g
gluons g
bosons W + , W − , Z 0
masse du messager
0
0
2 × 10 −28 Kg
2, 2 × 10 −25 Kg
forme du potentiel
∝
1
r
∝
1
r
∝
e −r/r0
r
∝
e −r/r0
r
portée
∞
∞
10 −15 m
10 −18 m
intensité relative
10 −36
10 −2
1
10 −7
(1) Conformément à la démarche entreprise dès l’Antiquité, l’intégration de ces quatre types d’interactions
au sein d’un schéma théorique commun représente un défi scientifique majeur pour la recherche fondamentale
(théorie de la « Grande Unification » ou théorie « du Tout » incluant la gravitation).