La physique a un petit côté réductionniste : l’objectif étant de simplifier au maximum la science afin qu’elle repose sur des bases simples, mais solides. C’est ainsi que tout phénomène physique impliquant les particules élémentaires semble le fruit de quatre forces principales : la force électromagnétique, l’interaction nucléaire forte (ou de couleur), la force faible et la gravitation. Toutefois, ces quatre titans interviennent de différentes façons sur les diverses échelles qu’elles dominent. Pourquoi ?

     Avant tout, un peu de nomenclature. Il existe, en physique, deux grands types de particules : les fermions et les bosons. Les fermions se définissent comme les particules élémentaires, tels l’électron, le proton, le neutron, etc., de spin ½ et répondant au principe d’exclusion de Pauli. Autrement dit, deux fermions ne peuvent se retrouver dans un même état (vitesse, position spatiale, etc.), il s’avère donc impossible de les superposer : c’est pourquoi, en général, vous ne pouvez pas traverser les murs. Les bosons, en particulier les bosons élémentaires de spin 1, quant à eux, «transmettent» les forces.

     L’interaction de couleur soude les quarks des nucléons ensemble et assure aussi la cohésion des noyaux. Cette force est caractérisée par la présence de couleurs, qui, soit dit en passant, n’ont rien à voir avec les couleurs de l’arc-en-ciel. Dans le monde macroscopique, les objets qui nous entourent ne possèdent naturellement aucune charge électrique. Ceci parce que les charges positives et négatives ont tendance à s’allier pour former des ensembles neutres. De la même façon, les particules, possédant des couleurs, qu’on nomme rouge, bleu, vert, etc., ont tendance à s'unir pour former un ensemble blanc ou « neutre », ne possédant donc pas de « couleur ». Les médiateurs quantiques de cette force furent nommés gluons. Aux énergies habituelles, les gluons possèdent une masse. On estime qu’une fois passé le cap des 10^-15m cette forme de cohésion devient pratiquement nulle.

     La plus accessible de ces forces fondamentales est sans nul doute l’interaction électromagnétique, qui englobe d’ailleurs les forces électrique et magnétique, unifiées par Maxwell. L’électromagnétisme se propage par le biais de bosons de masse nulle : les photons. Puisqu’ils ne possèdent ni couleur, ni charge, ni masse, les photons ne se dégénèrent pas et ne sont donc pas stoppés de par leur propre nature. Pour ces raisons, il devient possible pour la force électromagnétique de se propager à l’infini dans le vide, ce qui se traduit par une décroissance de la force électrique en l’inverse du carré de la distance. Il est impossible de comparer clairement et efficacement les quatre interactions, car elles interagissent toutes de manières différentes. Cependant, les forces électromagnétiques seraient, sur une base très floue, environ 100 fois plus faible que la force nucléaire (ou de couleurs).

     Les médiateurs de la force faible, les bosons intermédiaire, sont massifs (leur masse en environ 100 fois plus grande que celle d’un proton). C’est cette grande masse qui explique la faiblesse de la force faible, ainsi que sa très courte portée. En effet, dans un processus (comme une collision ou une désintégration) qui n’implique que des énergies petites en comparaison de l’énergie de masse des bosons intermédiaires, l’échange de ces bosons nécessite premièrement de les créer à partir de rien, afin qu’ils puissent transmettre la force faible. Ceci semble contredire la conservation de l’énergie, mais une telle fluctuation peut se produire en mécanique quantique, pourvu qu’elle ne dure pas longtemps: c’est le principe d’incertitude de Heisenberg. Comme l’énergie de masse de ces bosons est très élevée, ils ne peuvent exister que pour une durée très courte et n’ont pas le temps, même à la vitesse de la lumière, de se propager loin: à peine 10^-18m. D’où la portée très limitée de la force faible. Comparée à la première, elle posséderait une force relative d’à peine 10-5 et une fois passé 10^-18m, elle devient négligeable. Mais cette force joue tout de même un rôle capital dans les processus nucléaires, dont la désintégration ß (prononcé, bêta).

     La gravitation, tout comme l’électromagnétisme, possède une portée infinie. Toutefois, elle semble la plus chétive d’entre toutes avec une force relative à la première d’environ 10^-39 fois. Afin d’imaginer à quel point la gravité est une force ridiculement faiblarde, pensez à un aimant de réfrigérateur : même très faible, le champ magnétique émis par la coccinelle de plastique (admettons…) suffit à soutenir celle-ci dans les airs, l’emportant ainsi sur toute la masse terrestre réunie, qui tente vainement de l’attirer vers le bas! C’est pourquoi on n’observe les phénomènes gravitationnels qu’à grande échelle. Sur le plan astronomique, elle devient la plus dominante d’entre toutes. Jusqu’à maintenant, toutes les forces ont leur particule motrice; elles sont donc quantifiées. Une hypothèse populaire voudrait que la gravité se propage par les gravitons, constituant des ondes gravitationnelles. Cependant, aucune trace de ces gravitons ni des ondes de gravité n’a jamais été observée et la gravité résiste, jusqu’à ce jour, aux théories quantiques.

     Un effort collectif, lancé dans les années soixante-dix et nommé la théorie des cordes (Superstring theory) vise à unifier toutes ces forces en une seule « unité universelle », les cordes. Parallèlement à la théorie des cordes, la force faible et l’électromagnétisme furent unifiées en une seule force «électro-faible» et des théories du même genre furent proposées pour y adjoindre la force de couleur. La gravité demeure le mouton noir du troupeau, résistant à l’intégration. Par le seul biais de « cordes » aux propriétés littéralement exotiques, la théorie tente ainsi d’expliquer tous les phénomènes physiques survenant dans l’univers, et réunit la gravité aux trois autres forces précédentes! Loin d’être simple, la théorie des cordes est une toute autre histoire…