Catégorie : Espace Publié : 22 mai 2013
En fait, la gravité est la plus faible des quatre forces fondamentales. Classées du plus fort au plus faible, ces forces sont 1) la force nucléaire forte, 2) la force électromagnétique, 3) la force nucléaire faible et 4) la gravité. Si vous prenez deux protons et que vous les tenez très proches l’un de l’autre, ils exerceront plusieurs forces l’un sur l’autre. Comme ils ont tous deux une masse, les deux protons exercent une attraction gravitationnelle l’un sur l’autre. Comme ils ont tous deux une charge électrique positive, ils exercent une répulsion électromagnétique l’un sur l’autre. De plus, ils ont tous deux une charge interne de « couleur » et exercent donc une attraction via la force nucléaire forte. Comme la force nucléaire forte est la plus forte à courte distance, elle domine les autres forces et les deux protons se lient, formant un noyau d’hélium (généralement, un neutron est également nécessaire pour maintenir la stabilité du noyau d’hélium). La gravité est si faible à l’échelle atomique que les scientifiques peuvent généralement l’ignorer sans encourir d’erreurs significatives dans leurs calculs.
Cependant, à l’échelle astronomique, la gravité domine effectivement sur les autres forces. Il y a deux raisons à cela : 1) la gravité a une longue portée, et 2) la masse négative n’existe pas. Chaque force s’estompe à mesure que les deux objets qui la subissent sont plus éloignés l’un de l’autre. La vitesse à laquelle les forces s’éteignent est différente pour chaque force. Les forces nucléaires forte et faible sont de très courte portée, ce qui signifie qu’en dehors des minuscules noyaux d’atomes, ces forces tombent rapidement à zéro. La taille minuscule des noyaux d’atomes est le résultat direct de l’extrême brièveté des forces nucléaires. Deux particules distantes de quelques nanomètres sont bien trop éloignées l’une de l’autre pour exercer l’une sur l’autre une force nucléaire appréciable. Si les forces nucléaires sont si faibles pour deux particules distantes de quelques nanomètres seulement, il devrait être évident que les forces nucléaires sont encore plus négligeables à l’échelle astronomique. Par exemple, la Terre et le Soleil sont bien trop éloignés l’un de l’autre (des milliards de mètres) pour que leurs forces nucléaires puissent se rejoindre. Contrairement aux forces nucléaires, la force électromagnétique et la gravité ont toutes deux une portée effectivement infinie* et s’éteignent en force comme 1/r2.
Si l’électromagnétisme et la gravité ont tous deux une portée effectivement infinie, pourquoi la terre est-elle maintenue en orbite autour du soleil par la gravité et non par la force électromagnétique ? La raison est qu’il n’existe pas de masse négative, mais il existe une charge électrique négative. Si vous placez une seule charge électrique positive à proximité d’une seule charge électrique négative, puis que vous mesurez leur force combinée sur une autre charge éloignée, vous constatez que la charge négative tend à annuler quelque peu la charge positive. Un tel objet est appelé un dipôle électrique. La force électromagnétique causée par un dipôle électrique s’annule comme 1/r3 et non 1/r2 à cause de cet effet d’annulation. De même, si vous prenez deux charges électriques positives et deux charges négatives et que vous les placez correctement à proximité les unes des autres, vous avez créé un quadripôle électrique. La force électromagnétique due à un quadripôle électrique s’éteint encore plus rapidement, sous la forme de 1/r4, car les charges négatives parviennent très bien à annuler les charges positives. Si vous ajoutez de plus en plus de charges positives à un nombre égal de charges négatives, la portée de la force électromagnétique du système devient de plus en plus courte. Ce qui est intéressant, c’est que la plupart des objets sont constitués d’atomes, et que la plupart des atomes ont un nombre égal de charges électriques positives et négatives. Par conséquent, malgré le fait que la force électromagnétique brute d’une charge unique ait une portée infinie, la portée effective de la force électromagnétique pour les objets typiques tels que les étoiles et les planètes est beaucoup plus courte. En fait, les atomes neutres ont une portée électromagnétique effective de l’ordre du nanomètre. À l’échelle astronomique, il ne reste donc que la gravité. Si la masse négative existait (l’antimatière a une masse positive) et si les atomes contenaient généralement des parts égales de masse positive et négative, alors la gravité subirait le même sort que l’électromagnétisme et il n’y aurait aucune force significative à l’échelle astronomique. Heureusement, il n’existe pas de masse négative et, par conséquent, la force gravitationnelle de plusieurs corps proches les uns des autres est toujours additive. En résumé, la gravité est la plus faible des forces en général, mais c’est celle qui domine à l’échelle astronomique parce qu’elle a la plus grande portée et parce qu’il n’y a pas de masse négative.
*NOTE : Dans la description ci-dessus, j’ai utilisé l’ancienne formulation newtonienne de la gravité. La gravité est décrite plus précisément par la formulation de la relativité générale, qui nous dit que la gravité n’est pas une force réelle mais une déformation de l’espace-temps. À des échelles plus petites que les groupes de galaxies et loin des masses super denses comme les trous noirs, la gravité newtonienne est une excellente approximation de la relativité générale. Cependant, pour expliquer correctement tous les effets, vous devez utiliser la relativité générale. Selon la relativité générale et les nombreuses mesures expérimentales qui la confirment, la gravité n’a pas une portée infinie mais s’éloigne à une échelle supérieure à celle des groupes de galaxies. Par conséquent, la gravité n’a qu’un comportement de 1/r2 et une portée « illimitée » à l’échelle inférieure aux groupes de galaxies. C’est pourquoi j’ai dit que la gravité a « effectivement » une portée infinie. Aux plus grandes échelles, notre univers est en expansion plutôt que d’être attiré par l’attraction gravitationnelle. Ce comportement est prédit par la relativité générale. Sur des échelles plus petites que les groupes de galaxies, l’espace-temps agit de manière dominante comme la gravité attractive newtonienne, tandis que sur des échelles plus grandes, l’espace-temps agit comme quelque chose de complètement différent qui est en expansion.
Thèmes : électromagnétisme, force, gravité, force nucléaire, portée
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