On pourrait penser que les physiciens et les climatologues savent parfaitement comment les nuages se forment dans notre atmosphère… Eh bien non !

Des physiciens fabriquant des nuages. © Noémie.

Il y a encore de nombreuses inconnues et nous ne savons toujours pas expliquer pourquoi nous observons autant de nuages ! Les modèles climatiques doivent d’ailleurs être corrigés « à la main » pour les phénomènes de création des nuages.

Les Aérosols et les nuages

Il y a dans notre atmosphère des aérosols autour desquels de la vapeur d’eau se condense sous forme de gouttelettes pour former un nuage.

Les aérosols sont de petites particules solides de l’ordre du milliardième de mètre (nanomètre) en suspension qui sont d’origines naturelles ou industrielles. Certains aérosols sont dangereux pour la couche d’ozone (comme les chlorofluorocarbures aujourd’hui interdits dans les bombes aérosols) mais d’autres sont inoffensifs comme les aérosols soufrés produits entre autres par les incendies de forêt ou la combustion de carburants fossiles dans nos voitures. Ces aérosols permettent la formation des nuages et luttent contre le réchauffement climatique puisqu’ils renvoient la lumière du soleil.  Certains scientifiques estiment d’ailleurs que le rejet d’aérosols par l’activité économique humaine compense le réchauffement climatique entraîné par les gaz à effets de serre. Des études montrent également des différences sur la formation de nuages entre les jours de la semaine et les week-ends à cause de l’activité humaine.

CLOUD

« Cloud » signifie « nuage » en anglais, mais c’est aussi un acronyme pour « Cosmics Leaving OUtdoor Droplets », une expérience menée au CERN par des physiciens pour mieux comprendre comment les nuages se forment, ou plutôt comment les aérosols sont créés dans l’atmosphère. En effet, aujourd’hui la quantité des différents gaz sous forme de vapeur dans l’atmosphère ne peut pas expliquer à elle seule la création d’autant d'aérosols, et donc d’autant de nuages: un autre phénomène doit avoir lieu pour créer ces aérosols.

 L’expérience CLOUD dans le complexe du PS au CERN. © CERN.

La réponse viendrait peut être du cosmos qui nous bombarde constamment de particules énergétiques appelées « rayons cosmiques », découverts au début du 20^ème siècle.  Ces rayons cosmiques pourraient, lorsqu’ils traversent notre atmosphère, être responsables de la création d’aérosols entraînant la formation de nuages.

Les physiciens de CLOUD reconstituent un milieu proche de celui de l’atmosphère à différentes altitudes avec des concentrations de gaz extrêmement précises dans différentes chambres. Un accélérateur de particules du CERN, le Proton Synchrotron (PS) est ensuite utilisé pour générer des faisceaux de particules énergétiques (des pions) équivalents à des rayons cosmiques pour bombarder la chambre et observer le résultat. L’analyse des données doit permettre de mieux expliquer la formation de certains aérosols et à améliorer les modèles sur l’impact des aérosols sur le climat en général.  

Chambre interne de l’expérience CLOUD. © CERN.

CLOUD est une collaboration internationale regroupant 18 instituts de 9 pays dont le CERN où a lieu l’expérience. Pour la petite info, c’est dans mon groupe de travail qu’est élaboré le système de contrôle de CLOUD manipulant tous les différents gaz pour obtenir des mélanges proches de ceux observés dans l’atmosphère.

Pour plus d’info sur les dernières trouvailles de CLOUD :

http://cloud.web.cern.ch/cloud/

http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2011/downloads/CLOUD_SI_press-briefing_29JUL11-FR.pdf

Tout le monde connait les 3 états de la matière : solide, liquide et gaz. Cependant, peu de personnes sont capables de bien définir ces 3 états et il en existe d’autres que peu de gens connaissent.

Les états « classiques »

Prenez un glaçon (solide), mettez le dans une casserole et chauffez le : le glaçon va fondre en eau (liquide) puis l’eau va se vaporiser en vapeur (gaz). Ca y est, vous venez d’explorer la matière dans tous ses états !

Pour comprendre les différents états de la matière, on peut dessiner un diagramme de phases qui représentent les 3 états (ou phases) d’un élément en fonction de sa température et de sa pression. Dans le cas de l’eau à pression atmosphérique (1 bar), la phase est solide en dessous de 0°C, liquide entre 0°C et 100°C et gazeuse au dessus de 100°C. Le passage d’une phase à une autre porte un nom précis et se réalise à pression et à température constante, il y a donc des points (en fait des lignes) où 2 états de la matière coexistent lors du changement de phase.

Diagramme de phases de l’eau

Il faut bien comprendre que pour connaitre l’état d’un élément, il ne suffit pas de connaitre sa température: sa pression est également indispensable! Par exemple, on peut obtenir de la vapeur d’eau à -10°C à très basse pression et de l’eau liquide à 300°C sous haute pression, ce qui peut s’avérer très pratique. L’eau liquide pressurisée à environ 300 °C est par exemple utilisée dans certains réacteurs nucléaires pour refroidir le cœur de la centrale (centrales de type EPR), voir ce billet sur le blog d’Alexandre Moatti.

Il existe également 2 points particuliers :

-  Le point triple où les 3 états coexistent ensemble (0,006 bar et 0,01°C pour l’eau).

-  Le point critique : au-delà de ce point, liquide et gaz ne sont plus distinguables et on parle alors de fluide supercritique (218 bar et 374 °C pour l’eau).  C’est en quelque sorte un état indéfini, car au-delà de ce point, les transitions de phase sont impossibles et donc il n’est plus possible de distinguer gaz et liquide.

Caractéristiques microscopiques et propriétés

Les solides sont caractérisés par un agencement des atomes très ordonnés et rapprochés. Il est donc très difficile de les comprimer car il y a peu d’espace entre les atomes. De plus, tous les atomes sont liés fortement les uns aux autres, ce qui confère aux solides une forme propre bien délimitée dans l’espace.

Les liquides sont caractérisés quant à eux par un agencement désordonnés des atomes mais toujours assez rapprochés, ils sont donc également difficilement compressibles. En revanche, les atomes sont peu liés les uns aux autres et les liquides ne possèdent donc pas de forme propre et peuvent d’évaporer facilement.

Les gaz sont caractérisés par un agencement des atomes désordonnés et espacés et peuvent ainsi être comprimé facilement. Les atomes ne sont pas liés les uns aux autres et sont très agités. Pour ces raisons, les gaz se répandent librement et n’ont pas de forme propre sans pouvoir être délimités.

Le verre

Le verre est-il solide ou liquide ? La réponse parait évidente: solide ! Malheureusement, la réalité n’est pas aussi évidente. En effet, le verre serait plutôt un liquide extrêmement visqueux mais là encore, les avis divergent. Du point de vue microscopique, le verre ressemble vraiment à un liquide car il possède des atomes très désordonnés sans aucun schéma répétitif contrairement à un cristal qui lui est bien ordonné et appartient donc à la famille des solides. Du point de vue thermodynamique, là encore il est difficile de trancher, le verre est fabriqué à partir d’une phase liquide très chaude qui quand on la refroidit et ne subit pas la transition de phase normale vers le solide (cristal) mais une transition dite « vitreuse » et caractéristique du verre.

Mais attention tout de même, contrairement à certaines croyances, le verre ne coule pas et si les vitres de Versailles sont plus épaisses en bas qu’en haut ce n’est pas parce que le verre a coulé mais à cause du procédé de fabrication de l’époque.

La matière molle

Le problème est que les 3 états que je qualifie de « classiques » ne suffisent parfois pas à bien caractériser un état de la matière. Même des choses communes posent parfois problème. Par exemple, comment qualifieriez-vous la mousse à raser, du dentifrice, un gel douche ou bien de la gelée alimentaire ? La réponse n’est pas si aisée, surtout si on y regarde de plus près au microscope. En fait, on qualifie ces matières de « molles ».

La matière molle est une appellation qui regroupe les colloïdes (substances ayant 2 phases dont les particules d’une phase sont très petites et diffusées dans l’autre phase comme une mousse au chocolat), les cristaux liquides (les écrans de vos montres électroniques) et les polymères (ensemble de macromolécules comme les plastiques). Cette physique de la matière molle est très récente et a émergée il y a une quarantaine d’années, particulièrement avec le prix Nobel de physique français Pierre-Gilles De Gennes. L’étude de la matière molle constitue toujours un intérêt majeur pour la recherche qui ne cesse de progresser dans la compréhension de ces états de la matière qui intriguent.

Le plasma

Le plasma est un quatrième état de la matière bien à part qui est caractérisé par le fait que les électrons peuvent se mouvoir librement alors que dans les trois autres phases classiques (solide, liquide et gaz), les électrons sont liés aux noyaux des atomes en gravitant autour. Les plasmas sont obtenus en portant à très haute température un gaz ou en appliquant un important champ électrique, on parle alors de gaz ionisé.

Les plasmas sont très répandus dans l’univers (étoiles, quasars, pulsars)  mais sont également présents dans des phénomènes naturels terrestres comme les aurores boréales ou plus simplement les éclairs. Dans les applications domestiques, certains téléviseurs plats (écrans plasmas) utilisent cet état de la matière ainsi que dans ces fameuses « boules à plasma » qu’on trouve dans certains magasins de gadgets.

Superfluide

Il existe également d’autres états bien distincts des autres par leurs propriétés exceptionnelles. C’est le cas des superfluides qui ne présentent pas de viscosité (ils s’écoulent parfaitement) à très basse température. Ce phénomène est observé uniquement en laboratoire et se produit avec de l’hélium refroidi en dessous de -271°C (2,2 K). Voir un de mes billets précédents sur les supers états.

Il existerait également un phénomène analogue sur les solides (supersolides) mais les observations sont encore controversées… Affaire à suivre.

Tout cela pour vous faire comprendre que la matière est parfois plus complexe qu’il n’y parait et que même les physiciens ont du mal à classer et comprendre toutes ces formes de matière parfois étranges.

Le son est une chose si familière dans notre vie quotidienne que l’on en oublie souvent la signification physique qui est loin d’être facile à comprendre. Je vais donc essayer ici de vous en donner un meilleur aperçu.

J’ouvre mon petit robert sur mon bureau et je vais à la page 2396, là où se trouve le mot ‘son’ : « Sensation auditive causée par les perturbations d’un milieu matériel élastique fluide ou solide (spécialement l’air). »

Je n’aime pas trop cette définition, je fonce ouvrir mon dictionnaire de physique pour voir ce qu’il dit : « Onde mécanique correspondant à la propagation de déformations et de contraintes dans un milieu élastique ou visco-élastique. » C’est mieux mais déjà plein de mots compliqués dans cette courte phrase qui demande une analyse détaillée…

Le son est une onde

Une onde, c’est simplement une oscillation qui se propage comme une vague dans la mer ou les cercles autour d’une pierre jetée dans un lac. Attention, il n’y a pas forcément transport de matière, on le voit bien quand on regarde une mouette flotter sur la houle : elle monte et descend au gré des vagues sans véritablement avancer. Ce qui avance, c’est la vague, et c’est ce que les physiciens appellent une onde. On parle d’ondes mécaniques lorsque ce qui se propage est une déformation mécanique (comme une vague qui déforme la surface de l’eau ou séisme qui fait « trembler » la surface de la Terre).

Une onde dans les milieux élastiques

Voilà donc la nature du son : une onde mécanique. On parle alors d’ondes acoustiques, ou plus communément d’ondes sonores, lorsqu’une déformation se propage dans un milieu élastique.

Un milieu élastique est un élément qui peut se déformer sous l’action d’une contrainte mécanique (une force) et reprend sa forme initiale lorsque cette contrainte disparait.

Par exemple, une éponge est un milieu élastique : lorsque qu’on la compresse, elle se déforme puis quand on la relâche, elle reprend sa forme initiale. Les liquides comme l’eau sont également des milieux élastiques ainsi que les gaz comme l’air mais aussi les solides ! Eh oui, lorsqu’on applique une faible force sur un solide comme un mur de béton, il se déforme (très faiblement) et reprend ensuite sa forme. Même si cette déformation est extrêmement faible, cela permet au son de se propager !

Conclusion : le son se propage partout du moment qu’il y a un support matériel : il se propage dans le béton, dans les éponges, dans l’eau, et bien évidemment dans l’air ! En fait, le son est le résultat de la vibration des molécules (ou des atomes) les unes par rapport aux autres.

Le son est créé par ce que les physiciens appellent une onde de compression longitudinale, encore un mot barbare ! Une onde de compression est le résultat de la compression et de la dilatation des molécules du support en question (l’air, l’eau, le béton, etc.) de manière oscillatoire. Ce phénomène a pour conséquence de faire osciller la pression locale et de produire du son. Cette oscillation est le fruit de 2 causes antagonistes :

- Une force de rappel : si une molécule bouge, elle bouscule sa voisine qui se met alors en mouvement. Il y a alors une propagation du mouvement de proche en proche.

- L’inertie du milieu qui tend à « freiner » ce mouvement et à ramener les molécules dans leur position initiale.

On parle en plus d’ondes longitudinales car le son se propage dans le même sens que l’onde (contrairement à une vague en mer qui est transversale car l’eau monte et descend alors que la vague avance horizontalement).

Dans le cas des solides cristallins, ce sont les atomes qui vibrent les uns par rapport aux autres et cette vibration est transportée par une quasi-particule appelée phonon (une quasi-particule n’a pas de réalité matérielle mais on peut assimiler ce phénomène physique à une particule virtuelle se propageant dans le solide).

Le vide est le royaume du silence

En revanche, s’il n’y a rien (dans le vide), le son ne peut pas se propager car il n’y a pas de support pour véhiculer une déformation mécanique quelconque : un vaisseau spatial qui explose dans l’espace comme dans la guerre des étoiles ne peut pas propager de son à travers l’espace car ce dernier est ‘rempli’ de vide !!

Une fameuse expérience est l’expérience du réveil dans une cloche à vide : on enferme un réveil dans une cloche en verre et on le fait sonner : on entend parfaitement le son. On commence alors à pomper l’air dans la cloche en verre de manière à faire le vide : le son du réveil diminue petit à petit jusqu’à disparaitre complètement !!

Exemple de la voix

Dans le cas d’une conversation entre 2 personnes dans une pièce, la vibration des cordes vocales fait « vibrer » l’air provenant de nos poumons qui est ensuite modulé à l’aide de notre larynx puis de notre bouche (lèvre, palais, lèvres). L’air expulsé déforme ainsi l’air à proximité de notre bouche et cette déformation se propage dans l’air ambiant de proche en proche dans toutes les directions jusqu’à arriver à un éventuel auditeur où cette onde sonore est « décodée » dans ses oreilles puis interprétée par son cerveau.

C'est le même phénomène avec une enceinte qui va bouger d'avant en arrière pour faire bouger l'air à proximité et provoquer une onde sonore (sur les grosses enceintes, on voit nettement le déplacement de la membrane de l'enceinte).

La vitesse du son

Comme le son est une onde, elle se déplace à une vitesse finie (c’est-à-dire non infinie). Cette vitesse dépend principalement de la densité du matériau dans lequel le son se propage. La vitesse du son dépend ainsi du matériau, de la température et de la pression ambiante qui modifie la densité des matériaux.

On apprend à l’école que le son se propage à une vitesse de 300 mètres par seconde dans l’air (c’est-à-dire 1080 km/h). Cette vitesse peut paraitre rapide au premier abord mais il est très facile d’ « observer » cette vitesse pendant les orages où l’on voit les éclairs avant  d'entendre les coups de tonnerre associés. Explication : l’éclair et le tonnerre se produisent au même moment là où la foudre tombe. Pour un observateur situé à quelques kilomètres, l’éclair est vue quasi instantanément car la lumière de l’éclair se propage à 300 000 kilomètres par seconde : même si la foudre tombe à 5 kilomètres, l’éclair est vu en 0,000016 seconde alors que le son du tonnerre va mettre 5000/300 = 16 secondes à arriver à nos oreilles. D’où la technique qui consiste à compter les secondes entre éclair et tonnerre et à diviser les secondes par 3 pour obtenir la distance à laquelle la foudre est tombée en kilomètres (quand j’étais gamin j’adorais faire ce calcul et je continue à le faire car ça m’impressionne toujours).

La vitesse du son dans l’air augmente avec la température et si on compare la vitesse du son dans l’air avec d’autres milieux on s’aperçoit que le son est très lent dans l’air :

- Vitesse du son dans l’air à -10°C : 325 m/s

- Vitesse du son dans l’air à 20°C : 340 m/s

- Vitesse du son dans l’air à 30°C : 350 m/s

- Vitesse du son dans l’eau : 1 480 m/s

- Vitesse du son à travers un mur en béton : 3 100 m/s

- Vitesse du son à travers une fenêtre en verre : 5 300m/s

Mesurer le son

Comme toutes les ondes, une onde sonore peut être défini par 2 grandeurs : sa fréquence et son amplitude.

La fréquence d’une onde sonore reflète la hauteur d’un son et se mesure en Hertz (Hz). Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu et plus la fréquence est faible, plus le son est grave. L’oreille humaine est capable de détecter les sons entre 20 Hz (basse extrêmement grave) de 20 kHz (bruit strident très aigu). Sur un piano classique, le ‘la’ moyen est à 440 Hz alors que le ‘la’ le plus grave est à 27 Hz et le ’do’ le plus aigu est à 4186 Hz. Vous pouvez visiter cette page pour tester votre ouïe et écouter différents sons à différentes fréquences. Au-delà de 20kHz, on parle d’ultrasons et en dessous de 20Hz d’infrasons.

L’amplitude d’une onde sonore reflète le volume sonore (ou l’intensité). En physique, l’intensité sonore se mesure en Watt par mètre carré mais cette unité de mesure est peu pratique et ne reflète pas la sensibilité de l’oreille humaine qui accepte mieux les sons graves qu’aigus. On utilise alors une échelle en décibel qui permet de mesurer l’intensité d’un son à partir d’un son de référence. On prend comme référence 0 dB qui correspond au seuil de détection de l’oreille humaine (équivalent à 10^-12 W/m²). De plus, pour compenser le fait que l’oreille humaine tolère mieux les sons graves qu’aigus, une correction est apportée de manière à pondérer les intensités selon les fréquences. On parle alors de décibel pondéré « A », noté dB(A), dans le cas de l’oreille humaine (pas d’atténuation à 1kHz, -50dB à 20Hz et -10dB à 20kHz).

Pondération de l’intensité sonore pour rendre compte de la sensibilité de l’oreille humaine selon des fréquences (courbe A)

Attention, le décibel est une échelle logarithmique, ce mot compliqué veut dire qu’une augmentation de 3dB correspond au doublement de la puissance sonore (ce n’est pas linéaire). Donc quand on dit qu’un spectateur reçoit 110 dB lors d’un concert et qu’un marteau piqueur produit un bruit de 120 dB, cela signifie que le marteau piqueur est 8 fois plus bruyant que le concert ! Une différence de 100 dB correspond donc à une multiplication du niveau sonore d’un facteur 10 milliards! On comprend alors pourquoi on utilise le décibel et pas une échelle linéaire.

Une petite échelle de comparaison pour mieux se rendre compte:

- 0dB : seuil audible pour une oreille humaine (en général on détecte plutôt à 4dB)

- 30 dB : lieu très calme à la campagne, chuchotement

- 60dB : conversation courante

- 80 dB : restaurant bruyant, grand magasin

- 110 dB : concert ou discothèque

- 120 dB : marteau piquer

- 140 dB : avion au décollage

- 180 dB : fusé Ariane au décollage

Bon à savoir : à partir de 85 dB, il y a danger pour l’oreille humaine et à partir de 130 dB, c’est de la douleur pure et simple. Pour lutter contre le bruit trop présent dans notre société : http://www.moinsdebruit.com/.

Je viens d’acquérir un dictionnaire que je vous conseille vivement : le dictionnaire de physique de Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre édité chez De Boeck, il vient juste de paraître. Il y a plus de 5300 définitions de physique succinctes mais suffisantes dans tous les domaines : mécanique solide et fluide, thermodynamique, acoustique, électromagnétisme, optique, physique des particules, physique quantique, astrophysique, etc. On y trouve également les grands personnages ayant marqué la Science. En plus, à la fin figure un index anglais-français (fort utile pour écrire une thèse) et quelques rappels de mathématique ainsi que la liste des constantes et unités utilisées en physique. Le tout pour la somme modique de 35€ !

Histoire de Twingo

Par définition, une force de 1 Newton permet d’accélérer un objet de 1 kilogramme de 1 mètre par seconde à chaque seconde. Avec ma Twingo de 850 kilogrammes, je fais 0-100km/h en 20 secondes sur du plat, le moteur a donc fourni en moyenne une force de 850*(100/3.6)/20 = 1200 Newton pendant 20 secondes! En fait, c’est faux, la Twingo a dû fournir beaucoup plus ! Ce calcul est valable uniquement dans l’espace (dans le vide) et ma Twingo n’est pas équipée pour. Sur Terre, il faut rajouter la force de gravité de la Terre, les frottements de l’air qui génèrent une force inverse au déplacement de la Twingo (donc qui freine), dite force de frottement ou de friction (tiens, encore 7 entrées commençant par le mot « frottement » dans le fameux dictionnaire). Il y a également les frottements des roues sur le sol qui freinent la voiture. Le calcul complet avec les frottements est tout de même assez simple et se fait en classe de terminale il me semble…

Voici la raison des 4 pages de forces dans le dictionnaire ! Il existe une multitude forces, de diverses origines. La plus connue, c’est le poids, également appelée force gravitationnelle, à ne pas confondre avec la masse !!! Le poids correspond à la force que la Terre exerce sur les objets possédants une masse, il est égal à notre masse multipliée par l’accélération gravitationnelle de la Terre (le fameux « g » égale en moyenne à 9,81 m/s²). Une personne ayant une masse de 80 kg pèse 785 Newton sur Terre en moyenne. Je dis « en moyenne » car le poids varie selon l’emplacement sur Terre. J’ai d’ailleurs fait un billet spécial à ce sujet : Le poids sur Terre.

Outre la force gravitationnelle que l’on ressent constamment, la Terre exerce 2 autres forces plus subtiles, la force centrifuge due à la rotation de la Terre sur elle-même qui tend à nous expulser vers le ciel et la force de Coriolis qui agit sur les objets en mouvement sur la Terre qui est en rotation. On la ressent également quand on se déplace sur un manège qui tourne, c’est elle qui nous fait « dévier » par rapport au référentiel du manège. La force de Coriolis est en fait une force fictive car elle résulte de l’accélération d’un référentiel en rotation par rapport à un autre. La force de Coriolis créée par la Terre se ressent sur les objets de grandes tailles en mouvement comme les cyclones qui tournent dans le sens des aiguilles d’une montre dans l’hémisphère nord et dans le sens inverse dans l’hémisphère sud.

Le cyclone Katrina tourne dans le sens des aiguilles d’une montre à cause de la Force de Coriolis

Attention : le sens de rotation de l’eau dans les éviers n’a rien à voir avec la force de Coriolis comme on peut l’entendre dans des conversations de comptoir, c’est une idée reçue !

Les Souris tournent dans l’évier dans un sens aléatoire (qui dépend de la forme du récipient, de la position du robinet, de l’agitation des souris, etc.)

Les forces en physique des particules

En physique des particules, on ne parle que de 4 forces fondamentales, ou plutôt de 4 interactions fondamentales qui expliquent toutes les interactions de la matière !

1 – Force de gravité

La première est la force de gravitation que nous avons déjà abordée avant. Elle est véhiculée par des particules appelées gravitons mais elles sont encore mal connues car difficiles à détecter, je ne rentre pas dans les détails…

2 – Force électromagnétique

Il y a les forces d’origine électrique issues des interactions entre les charges électriques, c’est la force de Coulomb qui fait de l’électricité statique sur votre pull-over. On observe également des forces magnétiques comme dans les aimants que l’on colle sur nos réfrigérateurs. En combinant ces 2 forces (électrique + magnétique) on obtient la force électromagnétique, dite de Lorentz . Elle est véhiculée par les photons (oui, ce sont ces petits grains de lumière).

Détails dans des précédents billets : Le magnétisme et la nature de la lumière ou l’électromagnétisme

3 – Force Faible

Souvent appelée interaction nucléaire faible, elle est relativement complexe à comprendre. C’est elle qui permet la désintégration (bêta) de certaines particules en d’autres, entraînant un phénomène découvert par Becquerel et Marie Curie : la radioactivité. On la surnomme « faible » car son intensité est très faible comparée aux autres forces et elle n’est observable que sur de très courtes distances, de l’ordre du milliardième de milliardième de mètre. Seuls les quarks et les leptons y sont sensibles (comme l’électron par exemple). Elle est véhiculée par les bosons W et Z, découverts au CERN dans les années 80.

Collisions entre protons et anti-protons au CERN à Genève dans le SPS ayant permis la découverte des bosons W et Z en 1982.

A haute énergie, la force faible peut être couplée avec l’interaction électromagnétique, ces 2 interactions unifiées forment alors l’interaction électrofaible, encore plus fondamentale donc :  2 en 1 !

4 – Force Forte

C’est elle qui nous tient « collé » en un seul morceau. En effet, cette force permet la cohésion entre les particules qui constituent les noyaux des atomes, c’est-à-dire les quarks. Je rappelle que les protons et les neutrons ne sont pas des particules élémentaires car ils sont constitués de ces fameux quarks.

J’aime utiliser la métaphore de l’élastique pour expliquer cette force : vous tendez un gros élastique à peine tendu entre vos 2 mains, la force exercée sur chaque main est relativement faible. Maintenant vous écartez les mains, l’élastique se tend et la force qui tend à rapprocher vos main augmente, vous avez de plus en plus de mal à écarter les mains ! La force forte, c’est comme un élastique qui tient les quarks : plus ils s’éloignent les uns des autres, plus la force augmente et ils restent donc bien groupés. Pour les séparer, ils faut apporter une énergie colossale, c’est ce que les accélérateurs de particules font… Evidemment il n’y a pas d’élastique dans l’histoire mais des gluons, ce sont eux qui sont porteurs de cette force, jouant le rôle de « glu ».

Plasma de quarks et de gluons issu de la collisions d’ions d’or dans l’accélérateur RHIC au Brookhaven National Laboratory près de New York

On appelle désormais l’interaction forte l’interaction de couleur, mais pourquoi ? Un physicien des particules vous répondra : « facile, c’est parce que les quarks possèdent une couleur !» . Je vous sens septique ? vous avez raison, rien à voir avec une vraie « couleur » au sens propre, c’est juste un délire des physiciens qui ont attribué aux quarks les couleurs verte, bleue et rouge pour illustrer leurs propriétés physiques au même titre qu’une charge électrique dans l’interaction électromagnétique. Il y a aussi du jaune, du cyan et du magenta pour les anti-quark (les anti particules des quarks) et nos chers gluons sont bicolores, il y en a donc 9 mais en fait il ne sont que 8 pour des histoires symétriques bien compliquées… Oui, la physique des particules est étrange… Pour votre gouverne, cette histoire de couleur, c’est la théorie de la chromodynamique quantique, essayez donc de placer ce mot dans une conversation mondaine, vous ferez sensation !

On entend souvent: « La lumière est une onde électromagnétique ». Ce qui est vrai dans un sens mais la nature est subtile et cette définition de la lumière est insuffisante. La lumière peut être assimilée à une onde électromagnétique dans une certaine mesure mais tous les phénomènes observés ne peuvent être expliqués par cette onde.

La physique quantique nous explique que la lumière peut être assimilée, soit à une onde, soit à des petits corpuscules (appelés photons) selon les expériences réalisées: c’est la dualité onde-corpuscule. Je n’irai pas plus loin dans l’explication quantique de ce concept complexe, je vous propose ici une tentative d’explication de cette « onde » qui se prétend « électromagnétique ». Quelques équations sont écrites mais n’ayez pas peur.

Le mot « électromagnétisme » est un mélange d’ électricité et de magnétisme.

- L‘électricité, est définie en physique, comme un déplacement d’électrons. Pour une description plus approfondie, voir un billet précédent intitulé L’électricité.

- Le magnétisme a été défini dans le billet précédent : Le magnétisme

Maintenant, fusion et interaction des deux phénomènes : la théorie électromagnétique, établie par James Maxwell vers 1860, eh oui, cela ne date pas d’hier. Outre Maxwell, on compte un grand nombre de génies qui ont contribué à cette grande théorie :Lorentz, Gauss, Ampère et Faraday !!

Désormais, c’est la vitesse de la lumière (c) et la perméabilité magnétique (m₀) qui permettent de calculer la permittivité électrique e₀ car c et m₀ peuvent être mesurés avec une grande précision expérimentalement. On peut « sentir », juste en regardant ces dépendances entre grandeurs, que la lumière est directement liée à l’électricité et au magnétisme.

On parle d’interaction électromagnétique car une particule chargée se déplaçant à une certaine vitesse interagit avec le champ électrique ET avec le champ magnétique. Le champ électromagnétique entraîne une force électromagnétique F appelée force de Lorentz qui est la somme de la force électrique et de la force magnétique : F=qE + qv x B.

Si on a un champ magnétique et un champ électrique perpendiculaires l’un à l’autre et que ces 2 champs oscillent, on obtient une onde, appelée onde électromagnétique qui se propage à la vitesse de la lumière, tout cela se déduit des équations de Maxwell et cette onde, c’est tout simplement LA lumière !!

-         Plus de 10cm, ce sont nos ondes radio. Ce sont elles que votre antenne de voiture capte pour écouter de la musique.

-         Entre 1mm et 10cm, ce sont les micro-ondes qui permettent de chauffer votre café le matin dans votre four micro-onde (si vous en avez un, pas comme moi).

-         De 1 à 500 millionième de mètre, ce sont les infra-rouges. Votre corps en dégage par rayonnement, c’est comme ça dans les films que le héros peut ‘voir’ des personnes à travers les murs.

-         De 400 à 700 milliardième de mètre, c’est la lumière !! Oui notre fameuse lumière qu’on cherchait est en fait une onde électromagnétique ayant une certaine longueur d’onde. Nos yeux sont en fait capable de détecter uniquement ces ondes électromagnétiques. Chaque longueur d'onde est 'capturée' par notre oeil et 'interprétée' par notre cerveau par une couleur. Cette plage de longueur d’onde va du rouge au violet.

-         De 10 à 400 milliardième de mètre, ce sont les ultra-violets. Ceux que nous envoie le Soleil peuvent provoquer des coups de soleil.

-         Entre 10 et un centième de milliardième de mètre, ce sont les fameux rayons X. Ces ondes électromagnétiques sont utilisées dans les hôpitaux pour faire les radios car nos os arrêtent ces ondes mais pas le reste de notre corps.

-         Pour des longueurs encore plus petites, ce sont des ondes très énergétiques, appelées rayons gamma. Elles sont en général produites par des processus nucléaires et accompagnent la radioactivité.

Il faut bien comprendre ici que tous ces rayonnement ont le même support et proviennent du même phénomène : l’électromagnétisme. On voit ici que ces ondes font parties de notre quotidien, ne serait-ce que pour « voir », il me semble donc important que monsieur tout le monde ait une petite idée, même si elle est un peu fausse ou pas très juste, de ce qu’est une onde électromagnétique !