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Accueil du site > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (...) > Qu’est-ce qu’une force en Physique ?

Qu’est-ce qu’une force en Physique ?

samedi 23 septembre 2017, par Robert Paris

Les quatre forces fondamentales

Les réponses aux questions seront bientôt à la fin du texte...

Question 1 : Quelle force fait tourner la lune autour de la terre ? Question 2 : Quelle force fait tourner la Terre sur elle-même ? Question 3 : Quelle force pousse la boule ?

Question 4 : Quelle force provoque le volcanisme, les tremblements de terre et la tectonique des plaques qui les met en mouvement ? Question 5 : Quelle force pousse violemment la lave du volcan vers l’extérieur ?

Question 6 : Quelle force agit dans la bombe atomique ? Question 7 : Quelle force n’agit plus en apesanteur ?

Question 8 : Quelle force agit au sein du Soleil ?

Question 9 : Quelle force agit au sein des centrales nucléaires ? Question 10 : Quelle force agit dans la lumière ? Question 11 : Quelle force agit dans l’aimant ?

Qu’est-ce qu’une force en Physique ?

En première approximation, nous dirons qu’un objet matériel dont la vitesse ne varie pas n’est pas sujet de l’intervention d’une force (sous-entendu une intervention qui est extérieure à cet objet) et qu’un objet matériel dont la vitesse augmente est sujet d’une telle intervention dont la valeur est proportionnelle à l’augmentation de vitesse (l’accélération) et à la masse. Cela signifie que la masse est une résistance au mouvement. Les physiciens nous dirons aussi qu’il existe quatre véritables forces (gravitation, force électromagnétique, force nucléaire forte, force nucléaire faible) et que l’on constate que la relativité du mouvement (le fait que son appréciation dépende d’où on le mesure, à partir de quel point lui-même en mouvement) entraîne l’apparition de « quasi-forces », qui ne sont pas véritablement des forces mais agissent tout comme, en particulier la quasi-force d’inertie.

La force est une notion théorique utilisée par l’homme pour visualiser ce qui se passe dans une interaction entre des systèmes matériels. Comme telle, elle a ses limites et ses défauts. Elle a des avantages et des inconvénients. Elle permet une description et des mesures. Cela ne signifie pas que les forces soient elles-mêmes des choses physiques, qui auraient une réalité palpable. La notion de force a longtemps, avant Newton, été utilisée dans le cadre d’une conception philosophique, notamment celle d’Aristote, pour laquelle l’action sur un corps ne venait que de l’extérieur et qui affirmait que l’état naturel d’un corps était le repos. La notion de force avait un caractère anthropocentrique, se fondant sur l’observation de l’action de l’homme sur un objet pour le déplacer, l’action étant nulle quand l’objet ne bouge pas. L’action venait donc complètement de l’extérieur de l’objet. Ce n’est pas du tout ce qu’affirme la Physique moderne. Elle a cependant conservé la terminologie en lui donnant un contenu nouveau.

On a constaté d’abord qu’en l’absence de forces, on n’avait pas l’immobilité mais un type bien particulier de mouvement : le moouvement rectiligne à vitesse constante. C’est l’effet de ce que l’on appelle l’inertie. Qu’est-ce que l’inertie ?

La loi du mouvement, mise en évidence par Newton par l’égalité F=ma (où « m » est la masse et où « a » est l’accélération) n’est pas une simple équation numérique mais ce que l’on appelle une équation vectorielle. Cela signifie qu’entre dans la notion d’accélération non seulement son intensité numérique mais aussi sa direction et son sens. La force est donc elle aussi une notion qui introduit trois choses : intensité, direction et sens. En mathématique, une telle expression est appelée un « vecteur ». Si la direction ou le sens sont les seuls à se modifier, sans que l’intensité ne change, on dira cependant que l’accélération varie car la vitesse change et on aura donc l’intervention d’une force.

La base première de la notion de force a été la mécanique avec la pesanteur, la gravitation, le mouvement d’un corps soumis à plusieurs forces, les collisions d’objets, la balistique, puis la thermodynamique avec la pression, le frottement, la théorie cinétique des gaz, enfin l’électrostatique avec l’interaction de deux corps chargés qui s’attirent ou se repoussent et le magnétisme avec l’interaction de deux aimants. Le parallèle entre la force de gravitation et la force électrique a été d’autant plus fort que l’on a constaté dans les deux cas une forme de l’équation similaire dans laquelle la masse et la charge étaient la mesure de la résistance au mouvement et la force était d’une intensité inversement proportionnelle au carré de la distance entre les objets interagissant. D’où la tentation de dire que, dans ces deux situations très diverses, on avait affaire à quelque chose de même type, à… une force.

Quantitativement cependant, il y a une grande différence entre gravitation et force électromagnétique. Enorme même. Comme le disait Lee Smolin dans « Rien ne va plus en physique ! » :

« Il y a une différence énorme entre les puissances des différentes forces. La répulsion électrique entre deux protons est plus forte que leur attraction gravitationnelle par un facteur énorme, de l’ordre de dix puissance trente-huit. »

Au plan philosophique, les premières conceptions des forces séparaient la matière des forces qu’elle était sensée subir. La physique actuelle rattache, au contraire, les forces (qu’on appelle aussi les interactions) aux corps (particules, atomes, molécules et divers états de la matière).

Restent encore de multiples questions scientifiques ou philosophiques comme « qu’a-t-on appris quand on a dit que la gravitation ou l’électromagnétisme sont des forces ? », « y a-t-il des forces sans support matériel ? », la force agit-elle à distance, agit-elle instantanément ou avec retard, a-t-elle des porteurs de force qui seraient des particules, des ondes, des champs ou l’espace vide ? Quel lien entre la matière, la lumière, le vide et les forces ? Peut-on unifier les particules et les forces ? Si la force fait partie de la matière, comment est-elle intégrée à sa structure ? etc, etc…

Donnons donc la parole à quelques philosophes et physiciens sur la question « qu’est-ce que la force en Physique »…

Nous commençons par la version de la métaphysique d’Aristote, avant de passer à la conception scientifique.

« Ludwig Feuerbach » de Friedrich Engels :

« L’ancienne méthode de recherche et de pensée, que Hegel appelle la méthode « métaphysique » qui s’occupait de préférence de l’étude des choses considérées en tant qu’objets fixes donnés et dont les survivances continuent à hanter les esprits, a été, en son temps, très justifiée historiquement. Il fallait d’abord étudier les choses avant de pouvoir étudier les processus. Il fallait d’abord savoir ce qu’était telle ou telle chose avant de pouvoir observer les modifications qui s’opèrent en elle. Et il en fut ainsi dans la science de la nature. L’ancienne métaphysique, qui considérait les choses comme faites une fois pour toutes, était issue d’une science de la nature qui étudiait les choses mortes et vivantes en tant que choses faites une fois pour toutes. Mais lorsque cette étude fut avancée au point que le progrès décisif fût possible, à savoir le passage à l’étude systématique des modifications s’opérant dans ces choses au sein de la nature même, à ce moment sonna dans le domaine philosophique aussi le glas de la vieille métaphysique. Et, en effet, si, jusqu’à la fin du siècle dernier, la science de la nature fut surtout une science rassemblant des faits, une science de choses achevées, elle est essentiellement, dans notre siècle, une science de classement, une science des processus, de l’origine et du développement de ces choses et de l’enchaînement qui fait de ces processus naturels une grande totalité. »

Aristote, « Traité sur le principe général du mouvement » :

« Nous avons établi aussi que le principe du mouvement était l’immobile, et que c’était ce qui se meut soi-même sans recevoir le mouvement du dehors. Nous avons fait cette démonstration en traitant du mouvement éternel, et en étudiant sa nature après avoir prouvé son existence. Il ne suffit pas du reste de poser ce principe d’une façon toute théorique ; il faut montrer en outre comment il s’applique aux faits particuliers ; car ce sont toujours ces faits bien observés qui doivent servir de base aux théories générales. Pour voir une application directe de ce principe universel, il suffirait d’observer le jeu des articulations dans les animaux. Dans toute flexion, il y a un point qui fait centre et reste immobile, pour que le reste du membre puisse s’appuyer sur lui. Ainsi, quand l’avant-bras se meut, c’est l’olécrane qui reste immobile ; quand le bras entier fait un mouvement, c’est l’épaule qui est immobile ; quand le bas de la jambe se meut, c’est le genou qui demeure ; quand le membre entier se meut, c’est le bassin. L’on voit donc l’application de ce principe jusque dans les détails : pour qu’une chose quelconque se meuve, il faut qu’elle ait en elle un point qui reste immobile, et sur lequel le reste trouve, pour se mouvoir, un point d’appui qui ne bouge pas.

Le repos dans l’individu lui-même serait toujours insuffisant, s’il n’y avait en dehors de lui quelque chose qui fût dans une immobilité absolue. Mais ce principe est assez grave pour mériter une attention toute spéciale ; car il ne s’étend pas seulement aux animaux ; il s’étend encore à l’univers entier, dont il explique le mouvement et la marche. Si tout cédait toujours, il n’y aurait pas de progrès possible ; on ne pourrait marcher, si la terre ne résistait pas ; les poissons ne pourraient nager, les oiseaux ne voleraient pas, si le liquide et l’air ne leur offraient un point d’appui. Mais il faut nécessairement que ce point immobile soit en dehors de l’être qui se meut. Il suffit, pour s’en convaincre, d’observer la manœuvre d’un bateau : de dehors, on le fait aisément mouvoir, en appuyant la gaffe sur l’une de ses parties ; de dedans, tous les efforts sont inutiles. C’est que, dans ce dernier cas, la chose qui résiste est précisément la chose à mouvoir. De dehors, au contraire, soit qu’on pousse, soit qu’on tire, on meut le bateau, parce que la terre sur laquelle on pose n’en fait point partie.

Ici se présente cette grave question : La force qui meut le ciel entier est-elle immobile ? Est-elle en dehors du ciel ? Soit que l’on conçoive cette force comme agissant directement, soit qu’on la fasse agir par un intermédiaire, il faut toujours remonter à un principe immobile qui ne fait point partie de ce qu’il meut. On a eu tort de vouloir placer cette force dans les pôles de la terre. Le mouvement qui régit le ciel est unique, et les pôles sont deux ; de plus, ce ne sont que des points mathématiques sans grandeur et sans réalité substantielle. Ceci n’explique pas ce principe supérieur, qui doit être à la nature entière ce que la terre est aux animaux. Ceux qui ont inventé la fable d’Atlas, faisant tourner les pôles, ont eu quelque raison de lui donner la terre pour point d’appui, puisque la terre est immobile ; mais, par une conséquence du principe que nous avons posé, on serait amené à soutenir que la terre ne fait point partie de l’univers. D’autre part. il faut que ce qui se meut ait au moins autant de force d’impulsion, que ce qui est mû a de force d’inertie. Il faudrait donc que l’immobilité de la terre eût autant de force que le ciel entier, qui serait mû grâce à elle ; mais si cela est impossible, c’est qu’il est impossible que le ciel soit mis en mouvement par l’une de ses parties intérieures, et, par exemple, par la terre.

On pose encore une autre question sur le mouvement des parties du ciel ; et il est bon de l’indiquer ici, parce qu’elle se rattache à tout ce qui précède. Il est évident qu’on déplacerait la terre, si, par la force d’un mouvement quelconque, on parvenait à vaincre la résistance qu’elle offre. Cette résistance n est pas infinie, pas plus que l’étendue ou le poids de la terre. La puissance qui la surmonterait ne le serait donc pas davantage. Comme il n’est pas impossible qu’il existe dans la nature une puissance de ce genre, il s’ensuivrait que le ciel pourrait être détruit, tandis que nous croyons que c’est une nécessité qu’il soit incorruptible et indissoluble. Cette question, du reste, est trop grave pour que nous n’essayions pas ailleurs de l’approfondir. Mais nous revenons à la première. Doit-il toujours, en dehors du mobile, y avoir un principe immobile ? L’univers entier n’est-il pas soumis à ce principe ? D’abord, supposer que le principe immobile soit à l’intérieur, semble absurde ; et l’on revient alors à l’opinion d’Homère, représentant tous les dieux et toutes les déesses qui s’efforcent en vain d’ébranler Jupiter. Ce qui est absolument immobile ne peut être mû par quoi que ce soit. Pour les animaux, le principe posé paraît tout à fait incontestable : il faut en eux un point de repos ; mais ce point ne suffit pas, et il en faut un autre en dehors, qui soit également immobile. Pour l’univers, la question reste obscure et difficile.

Ce principe général, qui s’applique à la locomotion, au déplacement dans l’espace, peut-il s’appliquer aussi à un mouvement intime, qui se passe dans l’être lui-même, quand il se modifie et se développe ? A bien prendre les choses, la question reste encore la même ; car si l’être tire de lui ses développements et ses modifications ultérieures, au début, c’est du dehors, c’est d’un être différent de lui, qu’il a reçu le mouvement initial, germe de tous les mouvements qui ont suivi. Ce mouvement initial se rattache au mouvement même de l’univers entier. Ces théories, du reste, doivent être spécialement discutées dans les ouvrages consacrés à l’étude de la Génération et de la Destruction.

Nous avons analysé aussi ailleurs la nature et l’espèce du mouvement que l’âme possède ; nous avons parlé encore, dans nos ouvrages sur la Philosophie Première, de la nature du moteur éternel et immobile. Tout ce qu’il nous reste à rechercher ici, c’est le mouvement que l’âme communique au corps, et la façon dont l’animal est mû. Ce sont les animaux qui communiquent aux êtres inanimés le mouvement dont ils sont doués. Or l’animal ne se meut jamais qu’en vue de quelque lin ; et ses motifs d’action sont la pensée, l’imagination, la préférence, la volonté et le désir, quoiqu’on puisse réduire tous ces motifs à deux : l’intelligence et l’instinct. Ainsi les premiers moteurs, pour l’animal, c’est ou l’objet conçu par l’intelligence, ou l’objet désiré par l’instinct. C’est le bien, auquel tend toujours l’animal, que ce bien soit apparent, ou qu’il soit réel. On a comparé ce qui se passe ici dans l’animal à ce qui se passe entre le moteur éternel et l’éternel mobile ; mais il y a cette différence que le moteur éternel, trop divin pour se rapporter à un autre que soi-même, meut sans être mû, tandis que, dans l’animal, le principe qui le meut ne le peut mouvoir qu’après avoir été mû lui-même. L’instinct et la volonté ne le mettent en mouvement qu’à la suite de quelque impression antérieure, soit sur la sensibilité, soit sur l’imagination. »

source

Aristote :

« Or, si ce qui est dans le mouvement doit nécessairement être mu, il n’en est pas de même pour ce qui est dans le temps ; car le temps n’est pas le mouvement ; il n’est que le nombre du mouvement ; et ce qui est en repos peut fort bien être aussi dans le nombre du mouvement, puisqu’on ne dit pas de toute chose immobile qu’elle est en repos, mais qu’on le dit seulement, ainsi que nous l’avons expliqué plus haut, d’une chose qui est privée du mouvement que naturellement elle devrait avoir. Mais quand on dit qu’une chose est en nombre, cela signifie qu’il y a un certain nombre de cette chose ; et que l’être de cette chose est mesuré par le nombre dans lequel elle est. Par conséquent, si la chose est dans le temps, elle est mesurée par le temps. Or, le temps mesurera et le mobile qui se meut et le corps qui reste inerte, l’un en tant qu’il est mu, l’autre en tant qu’il reste dans son inertie ; car il mesurera la quantité et de leur inertie et celle de leur mouvement, de telle sorte que le corps qui est en mouvement ne sera pas absolument mesuré par le temps sous le rapport de la grandeur qu’il peut avoir, mais sous le rapport de la grandeur de son mouvement. Donc, les choses qui ne sont ni en mouvement ni en repos, ne sont pas dans le temps ; car être dans le temps, c’est être mesuré par le temps ; et le temps ne mesure que le mouvement et l’inertie. »

Aristote, dans « Physique » :

« La réduction que nous avons faite de toutes les lois de la mécanique à trois, celle de la force d’inertie, celle du mouvement composé et celle de l’équilibre. »

Galilée , « Dialogue concernant les deux plus grands systèmes du monde » (1632) :

« Simplicio

Laissons tomber une boule de plomb du haut du mât d’un navire au repos et notons l’endroit où elle arrive, tout près du pied du mât ; si du même endroit, on laisse tomber la même boule quand le navire est en mouvement, le lieu de sa percussion sera éloigné de l’autre [c’est-à-dire du pied du mât du navire] d’une distance égale à celle que le navire aura parcourue pendant le temps de chute, et tout simplement parce que le mouvement naturel d e la boule, laissée à sa liberté ( posta in sua liberta) se fait en ligne droite vers le centre de la terre. ...

Salviati

Vous dites : quand le navire est à l’arrêt, la pierre tombe au pied du mât, et quand le navire est en mouvement, elle tombe loin du pied ; inversement donc, quand la pierre tombe au pied du mât, on en conclut que le navire est à l’arrêt, et quand elle tombe loin du mât, on en conclut que le navire est en mouvement ; comme ce qui arrive sur le navire doit également arriver sur la Terre, dès lors que la pierre tombe au pied de la tour, on en conclut nécessairement que le globe terrestre est immobile. (...) Très bien. Avez-vous jamais fait l’expérience du navire ?

Simplicio

Je ne l’ai pas faite, mais je crois vraiment que les auteurs qui la présentent en ont fait soigneusement l’observation ...

Salviati

...Que n’importe qui la fasse et il trouvera en effet que l’expérience montre le contraire de ce qui est écrit : la boule tombe au même endroit du navire, que celui ci soit à l’arrêt ou avance à n’importe quelle vitesse. »

Galilée dans ses « Deux nouvelles sciences » :

« Une vitesse quelconque imprimée à un corps se conserve rigoureusement aussi longtemps que les causes extérieures d’accélération ou de ralentissement sont écartées, condition qui se réalise seulement dans le plan horizontal ; car dans les plans déclives il existe déjà une cause d’accélération, tandis que dans les plans qui vont en montant il exitse une cause de ralentissement. D’où il suit que le mouvement sur le plan horizontal est perpétuel ; car, si la vitesse est uniforme, elle ne peut être affaiblie ni diminuée, et encore bien moins supprimée. »

Newton, « Principes mathématiques de la philosophie naturelle » :

« Tous les corps gravitent mutuellement les uns vers les autres… Cependant je n’affirme pas que la gravitation soit essentielle aux corps… La gravité vers chaque corps est réciproquement (inversement) comme le carré de la distance à son centre… La gravité appartient à tous les corps, et elle est proportionnelle à la quantité de matière que chaque corps contient. »

plan

source

Leibniz :

Éclaircissement du nouveau système de la communication des substances

Voltaire :

La conception des forces physiques du temps de Voltaire

La mesure des forces motrices et leur nature, de Voltaire

d’Alembert :

Traité de dynamique

Diderot :

Principes philosophiques sur la matière et le mouvement

« Je ne sais en quel sens les philosophes ont supposé que la matière était indifférente au mouvement et au repos. Ce qu´il y a de bien certain, c´est que tous les corps gravitent les uns sur les autres, c´est que toutes les particules des corps gravitent les unes sur les autres, c´est que, dans cet univers, tout est en translation ou in nisu, ou en translation et in nisu à la fois. Cette supposition des philosophes ressemble peut-être à celle des géomètres qui admettent des points sans aucune dimension, des lignes sans largeur ni profondeur, des surfaces sans épaisseur ; ou peut être parlent-ils du repos relatif d´une masse à une autre. Tout est dans un repos relatif en un vaisseau battu par la tempête. Rien n´y est en un repos absolu, pas même les molécules agrégatives, ni du vaisseau ni des corps qu´il renferme.

S´ils ne conçoivent pas pus de tendance au repos qu´au mouvement dans un corps quelconque, c´est qu´apparemment ils regardent la matière comme homogène ; c´est qu´ils font abstraction de toutes les qualités qui lui sont essentielles ; c´est qu´ils la considèrent comme inaltérable dans l´instant presque indivisible de leur spéculation, c´est qu´ils raisonnent au repos relatif d´un agrégat à un autre agrégat ; c´est qu´ils oublient que tandis qu´ils raisonnent de l´indifférence du corps au mouvement ou au repos, le bloc de marbre tend à sa dissolution ; c´est qu´ils anéantissent par la pensée et le mouvement général qui anime tous les corps, et leur action particulière des uns sur les autres qui les détruit tous ; c´est que cette indifférence, quoique fausse en elle-même, mais momentanée, ne rendra pas les lois du mouvement erronées.

Le corps, selon quelque philosophe, est par lui-même, sans action et sans force : c´est une terrible fausseté, bien contraire à toute bonne physique, à toute bonne chimie : par lui-même, par la nature de ses qualités essentielles, soit qu´on le considère en molécules, soit qu´on le considère en masse, il est plein d´action et de force.

Pour vous représenter le mouvement,ajoutent-ils,outre la matière existante, il vous faut imaginer une force qui agisse sur elle. Ce n´est pas cela : la molécule, douée d´une qualité propre à sa nature, par elle-même est une force active. Elle s´exerce sur une autre molécule qui s´exerce sur elle. Tous ces paralogismes-là tiennent à la fausse supposition de la matière homogène. Vous qui imaginez si bien la matière au repos, pouvez-vous imaginer le feu en repos ? Tout dans la nature a son action diverse, comme cet amas de molécules que vous appelez le feu. Dans cet amas que vous appelez feu, chaque molécule a sa nature, son action.

Voici la vraie différence du repos et du mouvement : c´est que le repos absolu est un concept abstrait qui n´existe point en nature, et que le mouvement est une qualité aussi réelle que la longueur, la largeur et la profondeur. Que m´importe ce qui se passe dans votre tête ? que vous regardiez que la matière comme homogène ou comme hétérogène ? Que m´importe que, faisant abstraction de ses qualités, et ne considérant que son existence, vous la voyiez en repos ? Que m´importe qu´en conséquence vous cherchiez une cause qui la meuve ? Vous ferez de la géométrie et de la métaphysique tant qu´il vous plaira ; mais moi, qui suis physicien et chimiste, qui prends les corps dans la nature et non dans ma tête, je les vois existants, divers, revêtus de propriétés et d´actions, et s´agitant dans l´univers comme dans le laboratoire où une étincelle ne se trouve point à côté de trois molécules combinées de salpêtres, de charbon et de soufre, sans qu´il s´ensuive une explosion nécessaire.

La pesanteur n´est point une tendance au repos, c´est une tendance au mouvement local. Pour que la matière soit mue, dit-on encore, il faut une action, une force ; oui, ou extérieure à la molécule, et constituant sa nature de molécule ignée, aqueuse, nitreuse, alcaline, sulfureuse. Quelle que soit cette nature, il s´ensuit force, action d´elle hors d´elle, action des autres molécules sur elle.

La force, qui agit sur la molécule, s´épuise ; la force intime de la molécule ne s´épuise point. Elle est immuable, éternelle. Ces deux forces peuvent produire deux sortes de nisus ; la première, un nisus qui cesse ; la seconde, un nisus qui ne cesse jamais. Donc il est absurde de dire que la matière a une opposition réelle au mouvement. La quantité de force est constante dans la nature ; mais la somme des nisus et la somme des translations sont variables. Plus la somme des nisus est grande, plus la somme des translations est petite ; et réciproquement plus la somme des translations est grande, plus la somme des nisus est petite. L´incendie d´une ville s´accroît tout à coup d´une quantité prodigieuse la somme des translations. Un atome remue le monde ; rien n´est plus vrai ; cela l´est autant que l´atome remué par le monde : puisque l´atome a sa force propre, elle ne peut être sans effet.

Il ne faut jamais dire, quand on est physicien, le corps comme corps ; car ce n´est plus faire de la physique ; c´est faire des abstractions qui ne mènent à rien.

Il ne faut pas confondre l´action avec la masse. Il peut y avoir grande masse et petite action. Il peut y avoir petite masse et grande action. Une molécule d´air fait éclater un bloc d´acier. Quatre grains de poudre suffisent pour diviser un rocher.

Oui sans doute, quand on compare un agrégat homogène à un autre agrégat de même matière homogène ; quand on parle de l´action et de la réaction de ces deux agrégats, leurs énergies relatives sont en raison directe des masses. Mais quand il s´agit d´agrégats hétérogènes, de molécules hétérogènes, ce ne sont plus les mêmes lois. Il y a autant de lois diverses qu´il y a de variétés dans la force propre et intime de chaque molécule élémentaire et constitutive des corps.

Le corps résiste au mouvement horizontal. Qu´est que cela signifie ? On sait bien qu´il y a une force générale et commune à toutes les molécules du globe que nous habitons, force qui les presse selon une certaine direction perpendiculaire, ou à peu près, à la surface du globe ; mais cette force générale et commune est contrariée par cent mille autres. Un tube de verre échauffé fait voltiger les feuilles de l´or. Un ouragan remplit l´air de poussière ; la chaleur volatilise l´eau, l´eau volatilisée emporte avec elle des molécules de sel ; tandis que cette masse d´airain presse la terre, l´air agit sur elle, met sa première surface en une chaux métallique, commence la destruction de ce corps : ce que je dis des masses doit être entendu des molécules. Toute molécule doit être considérée comme actuellement animée de trois sortes d´actions, l´action de pesanteur ou de gravitation, l´action de sa force intime et propre à sa nature d´eau, de feu, d´air, de soufre, et l´action de toutes les autres molécules sur elle ; et il peut arriver que ces trois actions soient convergentes ou divergentes. Convergentes, alors la molécule a l´action la plus forte dont elle puisse être douée. Pour se faire une idée de cette action la plus grande possible, il faudrait, pour ainsi dire, faire une foule de suppositions absurdes, placer une molécule dans une situation tout à fait métaphysique.

En quel sens peut-on dire qu´un corps résiste d´autant plus au mouvement que sa masse est plus grande ? Ce n´est pas dans le sens que sa masse est grande, plus la pression contre un obstacle est faible ; il n´y a pas un crocheteur qui ne sache le contraire. C´est seulement relativement à une direction opposée à sa pression. Dans cette direction, il est certain qu´il résiste d´autant plus au mouvement que sa masse est plus grande. Dans la direction de la pesanteur, il n´est pas moins certain que sa pression ou force, ou tendance au mouvement, s´accroît en raison de sa masse. Qu´est-ce que tout cela signifie donc ? Rien.

Je ne suis point surpris de voir tomber un corps, pas plus que de voir la flamme s´élever en haut ; pas plus que de voir l´eau agir en tous sens, et peser eu égard à sa hauteur et à sa base, en sorte qu´avec une médiocre quantité de fluide, je puis faire briser les vases les plus solides ; pas plus que de voir la vapeur en expansion dissoudre les corps les plus durs dans la machine de Papin, élever les plus pesants dans la machine à feu. Mais j´arrête mes yeux sur l´amas général des corps ; je vois tout en action et en réaction ; tout se détruisant sous une forme, tout se recomposant sous une autre, des sublimations, des dissolutions, des combinaisons de toutes les espèces, phénomènes incompatibles avec l´homogénéité de la matière : d´où je conclus qu´elle est hétérogène ; qu´il existe une infinité d´éléments divers dans la nature ; que chacun de ces éléments, par sa diversité, a sa force particulière, innée, immuable, éternelle, indestructible ; et que ces forces intimes au corps ont leurs actions hors du corps : d´où naît le mouvement ou plutôt la fermentation générale dans l´univers. Que font les philosophes dont je réfute ici les erreurs et les paralogismes ? Ils s´attachent à une seule et unique force, peut-être commune à toutes les molécules de la matière ; je dis peut-être, car je ne serais point surpris qu´il y eût dans la nature telle molécule qui, jointe à une autre, rendît le mixte résultant plus léger. Tous les jours dans le laboratoire on volatilise un corps inerte par un corps inerte. Et lorsque ceux qui, ne considérant pour toute action dans l´univers que celle de la gravitation, en ont conclut l´indifférence de la matière au repos et au mouvement, ou plutôt la tendance de la matière au repos, ils croient avoir résolu la question, tandis qu´ils ne l´ont pas seulement effleurée.

Lorsqu´on regarde le corps comme plus ou moins résistant, et cela non comme pesant ou tendant au centre des graves, on lui reconnaît déjà une force, une action propre et intime ; mais il y en a bien d´autres, entre lesquelles les unes exercent en tout sens, et d´autres ont des directions particulières.

La supposition d´un être quelconque placé hors de l´univers matériel, est impossible. Il ne faut jamais faire de pareilles suppositions, parce qu´on n´en peut jamais rien inférer.

Tout ce qu´on dit de l´impossibilité de l´accroissement du mouvement ou de la vitesse, porte à plomb contre l´hypothèse de la matière homogène. Mais qu´est-ce que cela fait à ceux qui déduisent le mouvement dans la matière de son hétérogénéité ? La supposition d´une matière homogène est bien sujette à d´autres absurdités. Si on ne s´obstine pas à considérer les choses dans sa tête, mais dans l´univers, on se convaincra par la diversité des phénomènes, de la diversité des matières élémentaires, de la diversité des forces, de la diversité des actions et des réactions, de la diversité du mouvement ; et toutes ces vérités admises, on ne dira plus : je vois la matière comme existante ; je la vois d´abord en repos ; car on sentira que c´est faire une abstraction dont on ne peut rien conclure. L´existence n´entraîne ni le repos ni le mouvement ; mais l´existence n´est pas la seule qualité des corps. Tous les physiciens qui supposent la matière indifférente au mouvement et au repos, n´ont pas des idées nettes de la résistance. Pour qu´ils pussent conclure quelque chose de la résistance, il faudrait que cette qualité s´exerçât indistinctement en tout sens, et que son énergie fût la même selon toute direction ; alors ce serait une force intime, telle que celle de toute molécule ; mais cette résistance varie autant qu´il y a de directions dans lesquelles le corps peut être poussé ; elle est plus grande verticalement qu´horizontalement.

La différence de la pesanteur et de la force d´inertie, c´est que la pesanteur ne résiste pas également selon toutes directions ; au lieu que la force d´inertie résiste également selon toutes directions. Et pourquoi la force d´inertie n´opérerait-elle pas l´effet de retenir le corps dans son état de repos et dans son état de mouvement, et cela par la seule notion de résistance proportionnée à la quantité de matière ? La notion de résistance pure s´applique également au repos et au mouvement ; au repos, quand le corps est en mouvement ; au mouvement, quand le corps est en repos. Sans cette résistance, il ne pourrait y avoir de choc avant le mouvement, ni d´arrêt après le choc ; car le corps ne serait rien.

Dans l´expérience de la boule suspendue par un fil, la pesanteur est détruite. La boule tire autant le fil, que le fil tire la boule. Donc la résistance du corps vient de la seule force d´inertie. Si le fil tirait plus la boule que la pesanteur, la boule monterait. Si la boule était plus tirée par la pesanteur que par le fil, elle descendrait, etc., etc. »

Helmohltz :

« Nous arrivons finalement à découvrir que le problème de la science physique consiste à ramener les phénomènes naturel à des forces invariables d’attron et de répulsion, dont l’intensité dépend entièrement de la distance. La solution de ce problème est la condition d’une intellgience complète de la nature. Et sa mission sera achevée au moment où la réduction des phénomènes naturels à des forces simples sera complète et la preuve fournie que cette réduction est la seule dont les phénomènes soient capables. »

de Humboldt et Gay-Lussac :

La découverte des forces magnétiques

Auguste Laugel :

De l’esprit de la physique moderne

Paul Janet :

L’Idée de force et la philosophie dynamiste

Max Planck, « Initiations à la Physique » :

« Les premières notions que l’on ait eues au sujet de lois physiques se rapportent naturellement au domaine où les premières mesures exactes aient pu être effectuées. Elles concernent le temps et l’espace, c’est-à-dire le domaine de la mécanique. Il est donc facile de comprendre comment les premières relations, à forme de loi, qui furent découvertes, se rapportent à des mouvements ayant lieu dans des conditions qui excluent l’intervention fortuite de toute influence perturbatrice, c’est-à-dire au mouvement des corps célestes. Il y a déjà des milliers d’années que les peuples civilisés de l’Orient ont su tirer de leurs observations des formules permettant de calculer, des années à l’avance, et avec une grande précision, le mouvement des planètes. Tout progrès dans l’exactitude des mesures entraînait un progrès parallèle dans les formules. Ainsi nous avons vu paraître successivement les théories de Ptolémée, de Copernic, de Kepler, dont chacune marquait un progrès sur la précédente, tant en ce qui concerne la simplicité que l’exactitude.

Toutes ces théories ont ceci de commun qu’elles se proposent de résoudre le problème suivant : étant donnée une planète et en supposant connu l’instant où elle est observée, trouver quelle est à cet instant la position de la planète. Naturellement pour chaque planète, il existe une relation qui lui est propre entre les temps et les positions, mais cette relation ne saurait s’appliquer à aucune autre planète, bien que les mouvements planétaires aient beaucoup de traits communs.

Newton fait un pas décisif en résolvant un problème beaucoup plus général : trouver une loi unique valable pour tous les corps célestes, et dont les formules donnant les mouvements de chaque planète seraient des applications à des cas particuliers. Son succès fut complet quand il parvint à donner à sa loi un caractère d’indépendance absolue à l’égard de tout instant particulier, c’est-à-dire qu’il remplaça le temps par la différentielle du temps.

La théorie du mouvement planétaire de Newton ne parle plus d’une loi exprimant une relation entre la position d’une planète et le temps ; ce qu’elle donne c’est une relation entre l’accélération d’une planète et sa distance au soleil.

Cette loi se présente sous la forme d’une équation différentielle vectorielle, valable pour toutes les planètes. En conséquence, si la position et la vitesse d’une planète à un instant donné sont connues, on peut déterminer sans ambiguïté toutes les caractéristiques de son mouvement à un instant quelconque.

Que la théorie de Newton n’ait pas seulement été une manière nouvelle de se représenter l’univers, mais qu’elle ait encore le caractère d’un progrès dans la connaissance du rapport qui lie les choses dans la réalité, cela ressort très clairement de l’examen des résultats obtenus grâce à elle et qui ne sont pour nous que les développements d’une même idée. Elle surpasse les formules de Kepler, non seulement en exactitude (elle permet, par exemple, de prévoir les perturbations subies par la trajectoire elliptique de la terre autour du soleil que cette dernière se rapproche de temps en temps de Jupiter), mais de plus, grâce à elle, il est possible de calculer, toujours en plein accord avec les mesures expérimentales, les mouvements des autres corps célestes, telles que les comètes, les étoiles doubles, etc. dont les lois de Kepler étaient absolument incapables de rendre compte.

Mais le principal triomphe à l’actif de la loi de Newton a été son application immédiate aux mouvements qui ont lieu à la surface terrestre, tels que la chute des corps et les mouvements du pendule dont Galilée avait formulé les lois comme conséquence de ses mesures.

Bien plus, la même loi se trouve donner la clef de certains phénomènes étonnants et, jusque-là incompréhensibles, tels que le flux et le reflux, la rotation du plan d’oscillation pendulaire, la précession dans le mouvement de la toupie et d’autres encore.

Mais ce qui nous intéresse le plus, à l’heure actuelle, c’est de savoir comment Newton parvint à trouver son équation différentielle. Ce ne fut pas, comme on pourrait se le figurer, en rapprochant directement l’accélération d’une planète de sa distance au soleil et en cherchant si on ne pourrait trouver une relation numérique entre l’un et l’autre ; ce fut par l’élaboration d’un concept qui ût servir pour ainsi dire, d’intermédiaire entre la notion d’accélération et celle de position : ce rôle devait être joué par la force.

Il imagina que, en raison de sa situation par rapport au soleil, toute planète est soumise à une attraction qui est dirigée vers cet astre et que cette force se manifeste en provoquant une certaine modification dans le mouvement de la planète. Il y eut ainsi, d’une part, la loi de l’inertie, et d’autre part, la loi de la gravitation.

La notion de force tire certainement son origine, comme le mot l’indique, de la sensation musculaire éprouvée lors du soulèvement d’un poids ou du lancement d’une balle, seulement cette notion fut généralisée et étendue à tout changement survenant dans un mouvement quelconque, même à ceux qui ne peuvent pas être obtenus, si peu que ce soit, par l’effort musculaire humain.

Il n’est donc pas étonnant de voir Newton attacher une importance aussi décisive à la notion de force qui lui avait valu de tels succès, bien que cette notion n’appaisse aucunement, il faut le remarquer, dans la loi du mouvement proprement dit.

La force est seulement considérée comme étant la cause du changement survenu dans le mouvement. Avec le temps, l’importance de la force newtonnienne devint même si grande qu’elle prit le caractère de concept fondamental, non seulement en mécanique, mais dans la physique tout entière.

L’image que nous offre la physique contemporaine présente un certain contraste avec cet état de choses. Aussi n’est-ce point un paradoxe que de dire que la force newtonnienne a perdu la signification fondamentale qu’elle avait e physique. Dans la mécanique actuelle, ce n’est plus une grandeur secondaire ; elle a été remplacée par une notion d’un caractère plus élevé, plus général : la notion de travail, de potentiel. La force est alors définie comme une chute de potentiel, comme un gradient négatif de potentiel.

Mais, objectera-t-on, comment peut-on considérer le travail comme étant la notion fondamentale alors que, s’il y a du travail, il y a toujours une force qui effectue ce travail ?

Parler ainsi, c’est parler en physiologiste et non en physicien. Certes, en ce qui concerne le travail accompli quand on soulève un poids, la contraction musculaire avec les sensations concomitantes sont bien un phénomène primaire qui cause la manifestation du mouvement. Mais il convient de distinguer très nettement ce phénomène purement physiologique de la force d’attraction exercée par la terre sur le poids qui est le phénomène phyisique intervenant en cette occasion. Or ce phénomène est uniquement conditionné par le potentiel de gravitation qui est la notion fondamentale.

La supériorité du potentiel sur la force ne lui vient pas seulement de ce que, par son introduction, les lois physiques reçoivent une forme plus simple, elle vient aussi de ce que la notion de potentiel a une signification s’étendant beaucoup plus loin que la notion de force. Elle dépasse notamment le domaine de la mécanique et elle s’applique aux affinités chimiques où, évidemment, il ne saurait plus être aucunement question d’une force newtonnienne.

Sans doute, le concept de potentiel n’a-t-il plus l’avantage d’être immédiatement intuitif comme celui de force en raison de sa relation avec le sens musculaire. L’élimination du concept de force a donc diminué grandement le caractère d’intuitivité des lois physiques, mais il était dan la nature des choses elles-mêmes qu’il en fût ainsi. La valeur d’une loi physique ne lui vient pas en effet de sa conformité aux organes des sens humains, mais de sa conformité aux choses elles-mêmes.

Néanmoins, à mon avis, quand il s’agira d’enseigner la mécanique, il conviendra toujours de débuter en prenant son point de départ dans la force newtonnienne, de même que si on parle d’optique, il est tout d’abord opportun de faire appel au sens de la vue, de même en thermodynamique on se réferera au sens thermique. »

Einstein :

« Le mieux, c’est de représenter tout ce que nous savons des forces agissantes par un dessin, ou plutôt, par un modèle dans l’espace avec des lignes de force. C’est le champ. (…) La force, comme nous le savons, est un vecteur, et pour le déterminer nous devons connaître sa direction aussi bien que sa longueur. (…)Toute notre connaissance des forces agissantes peut être résumée dans la construction du champ. »

Einstein, « L’évolution des idées en physique » :

« Pendant la seconde moitié du XIXe siècle des idées nouvelles d’un caractère révolutionnaire ont été introduites en physique, qui ont frayé la voie à un nouveau point de vue philosophique, différent du point de vue mécanique. Les résultats de l’œuvre de Faraday, de Maxwell et de Hertz ont conduit au développement de la physique moderne et à la création de concepts nouveaux, qui forment une nouvelle image de la réalité. (…) Les nouveaux concepts ont pris naissance en connexion avec les phénomènes de l’électricité, mais il est plus simple de les introduire d’abord par la voie mécanique. Nous savons que deux particules s’attirent réciproquement et que cette force d’attraction diminue avec le carré de la distance. Nous pouvons représenter ce fait d’une manière nouvelle, et nous voulons le faire, même s’il est difficile de comprendre l’avantage que cela présente. Le petit cercle de notre dessin représente un corps attractif, disons le Soleil. En réalité, on devrait se représenter notre diagramme comme un modèle dans l’espace et non comme un dessin dans un plan. Notre petit cercle représente ainsi une sphère dans l’espace, disons le Soleil. Un corps, le soi-disant « corps d’épreuve », placé quelque part dans le voisinage du Soleil, sera attiré le long de la ligne qui relie les centres des deux corps. Les lignes dans notre dessin indiquent ainsi la direction de la force attractive du Soleil pour les différentes positions du corps d’épreuve. La flèche sur chaque ligne montre que la force est dirigée vers le Soleil, ce qui signifie que la force est attractive. Ce sont les « lignes de force du champ de gravitation ». (…)Nous voulons commencer par la discussion de l’expérience qui a créé des difficultés sérieuses à notre interprétation mécanique. Nous avons déjà étudié le courant qui parcourt un fil formant un circuit circulaire. Au milieu du circuit se trouvait une aiguille aimantée. Au moment où le courant commençait à circuler, une nouvelle force, agissant sur le pôle magnétique perpendiculairement aux lignes qui relient le fil et le pôle, fit son apparition. Cette force, si elle était engendrée par une charge en mouvement, dépendait, comme l’a montré l’expérience de Rowland, de la vitesse de la charge. Ces faits expérimentaux contredisent la conception philosophique selon laquelle toutes les forces agissent dans la ligne qui relie les particules et ne dépendent que de la distance. L’exacte expression pour la force d’un courant qui agit sur un pôle magnétique est très compliquée, beaucoup plus que l’expression pour les forces de la gravitation. Nous pouvons néanmoins essayer de rendre les actions visibles à l’œil de la même façon que dans le cas de la force gravitationnelle. Nous demandons : avec quelle force le courant agit-il sur un pôle magnétique placé quelque part dans son voisinage ? Il serait quelque peu difficile de décrire cette force en paroles. Même une formule thérapeutique serait compliquée et lourde. Le mieux, c’est de représenter tout ce que nous savons des forces agissantes par un dessin, ou plutôt, par un modèle dans l’espace avec des lignes de force. Il y a une certaine difficulté due au fait que le pôle magnétique existe seulement en connexion avec un autre pôle magnétique, formant un dipôle. Nous pouvons, cependant, toujours imaginer une aiguille aimantée d’une longueur telle que seule la force agissant sur le pôle qui se trouve plus près du courant doive être prise en considération. L’autre pôle est assez éloigné pour que la force qui agit sur lui soit négligeable. Pour éviter toute ambiguïté, nous dirons que le pôle qui se trouve le plus près du fil est « positif ». La force, comme nous le savons, est un vecteur, et pour le déterminer nous devons connaître sa direction aussi bien que sa longueur. Nous nous occupons ici principalement du problème de la direction de la force qui agit sur un pôle. Nous demandons : comment pouvons-nous trouver, d’après le dessin, la direction de la force en un point quelconque de l’espace ? La règle pour lire sur un modèle la direction d’une force n’est pas aussi simple que dans notre exemple précédent, où les lignes de force étaient des droites. Pour simplifier le procédé, on a tracé dans le diagramme une seule ligne de force. La flèche du vecteur force est situé sur la tangente à la ligne de force. La flèche du vecteur force et les flèches sur la ligne de force sont orientées dans le même sens. C’est dans ce sens, par conséquent, que la force agit sur le pôle magnétique en ce point. Un bon dessin, ou plutôt un bon modèle, nous apprend encore quelque chose au sujet de la longueur du vecteur force en un point quelconque. Ce vecteur doit être plus long là où les lignes sont plus denses, c’est-à-dire plus près du fil, et plus court là où les lignes sont moins denses, c’est-à-dire loin du fil. De cette façon, les lignes de force ou, en d’autres termes, le champ nous permet de déterminer les forces agissant sur un pôle magnétique en un point quelconque de l’espace. C’est pour le moment la seule justification de notre construction soignée du champ. Sachant ce que le champ exprime, nous examinerons avec un intérêt plus profond les lignes de force correspondant au courant. Ces lignes sont des cercles entourant le fil et situés dans un plan perpendiculaire à celui où le fil est situé.

Paul Davies écrit dans « Les forces de la nature » :

« Avant le dix-septième siècle, le « repos » était considéré comme l’état naturel de tous les objets sur Terre. Notre expérience quotidienne nous montre que les objets en mouvement s’immobilisent rapidement dès qu’ils cessent d’être mus par quelque chose. Arrêtez le moteur d’une voiture, et elle s’immobilise en quelques centaines de mètres. Les gens ne se demandaient pas : « Pourquoi un corps reste au repos ? » La question était plutôt : « Pourquoi un corps se déplace-t-il ? » Aristote enseignait que tout mouvement nécessite une « cause » pour le produire. Par exemple, une flèche maintient son vol grâce au tourbillon d’air qui l’enveloppe. Sans intervention pour le maintenir, tout mouvement cesse naturellement. Pour Aristote, toute activité implique que quelque chose agit.

Les idées d’Aristote étaient fausses. Une compréhension plus juste du mouvement et de ses causes dut attendre l’œuvre révolutionnaire de Newton. Suivant Newton, l’état de repos n’est que l’un des nombreux états naturels possibles pour un objet. Sans intervention extérieure, un corps peut tout aussi bien se déplacer « uniformément », c’est-à-dire en ligne droite à vitesse constante, tant que rien ne modifie son mouvement.

L’idée que le mouvement uniforme ne requiert aucune explication est intimement liée à la notion qu’un tel mouvement n’est que « relatif » et dépend de l’observateur….

Si le mouvement uniforme, constant, est dans l’ordre naturel des choses, pourquoi avons-nous besoin de moteurs pour nos voitures ? Selon les lois de Newton, le mouvement d’une voiture en roue libre ne nécessite aucune explication. C’est son ralentissement qu’il nous faut expliquer. L’explication est immédiate : le frottement de la route et la résistance de l’air sapent l’énergie de la voiture en mouvement…

Bien que le mouvement uniforme soit naturel et ne nécessite aucune explication, les « changements » de mouvement nécessitent une action extérieure. Comme l’état de mouvement uniforme est jugé naturel, nous disons qu’un corps qui s’en écarte suit un mouvement forcé, et nous appelons « forces » les actions qui produisent un tel mouvement forcé. C’est l’action des forces qui enrichit l’activité de notre univers, et qui rend les différentes parties conscientes de leur présence respective. Sans forces rien n’agirait sur rien, n’influencerait rien, et toute la matière de l’univers se réduirait à ses constituants élémentaires, chaque particule subatomique se mouvant indépendamment des autres.

Une force a pour effet de changer la vitesse d’un corps matériel, ce que l’on appelle une accélération, et que décrit la seconde loi du mouvement de Newton. L’expression familière de cette seconde loi est de dire que l’action d’une force F produit sur un corps une accélération a proportionnelle à F et de même direction. Une force accélère moins un corps lourd qu’un corps léger, et ceci est pris en compte en introduisant l’idée d’ « inertie ». L’inertie d’un corps mesure sa résistance aux changements de mouvement, et les objets lourds ont plus d’inertie que les objets légers… La seconde loi de Newton s’écrit : F égale masse fois accélération ou F=ma

Pour déterminer comment un objet réponde à une force donnée F, qui peut varier au cours du temps et d’un lieu à un autre, il faut résoudre l’équation précédente pour obtenir la « position » de l’objet. Cela est possible car l’accélération a mesure la variation de la vitesse de l’objet au cours du temps, et la vitesse mesure la variation de la position de l’objet. Résoudre l’équation permet donc de connaître les déplacements de l’objet au cours du temps, et donc de déterminer l’orbite ou la trajectoire de l’objet suivie à partir de sa position initiale.

Toutes les forces ont une intensité et une direction. Les quantités qui ont une direction sont appelées « vecteurs », et il est pratique de les représenter par des flèches. (…)

La force de gravitation nous est familière car elle ancre nos pieds au sol. Pourtant, elle de loin la plus faible de toutes les forces et ce n’est que parce que nous sommes proches d’une grande quantité de matière, la Terre, qu’elle nous semble tellement évidente. La gravitation existe néanmoins entre tous les corps matériels….

Newton fut le premier à présenter une théorie utilisable de la gravitation. Il réalisa qu’il s’agissait d’une force universelle, agissant à distance entre les étoiles et les planètes aussi bien qu’à la surface de la Terre. L’intensité de la force entre deux masses ponctuelle est donnée par la célèbre loi de l’inverse du carré :

F égale la constante G multiplié par la première masse multiplié par la seconde masse divisé par le carré de la distance entre les deux masses…. La force de gravitation de Newton est toujours attractive…

Bien que la théorie de Newton soit adéquate dans la plupart des situations techniques et astronomiques, on sait qu’elle est inexacte quand les forces de gravitation deviennent très intenses, ou que les corps se déplacent à des vitesses proches de celle de la lumière…

Les forces électrique et magnétique sont facilement visibles et étaient connues des civilisations anciennes. Des expériences de laboratoire ont démontré que les corps électriquement chargés pouvaient être aussi bien s’attirer que se repousser. On a conclu de là que la charge électrique pouvait être aussi bien positive que négative, la règle étant que les charges de signe contraire s’attirent, et que les charges de même signe se repoussent. L’intensité de la force diminue avec la distance exactement comme dans la loi de gravitation de Newton, selon l’inverse du carré de la distance. Pour de charges ponctuelles q et q’ et une distance r entre ces charges, la force égale une constante fois la première charge, fois la deuxième charge, divisé par le carré de la distance r…

La première rencontre de la plupart des gens avec le magnétisme est une boussole, dont l’aiguille s’aligne sur une direction Nord-Sud à cause du magnétisme terrestre. Ce phénomène se retrouve dans la terminologie : « pôle nord » et « pôle sud » pour décrire l’équivalent magnétique de la charge électrique. Tout comme les charges électriques, les pôles contraires s’attirent et les pôles semblables se repoussent avec une force qui varie comme l’inverse du carré de la distance.

Les forces électriques et magnétiques furent longuement étudiées au début du dix-neuvième siècle : les savants cherchèrent une explication plus physique de la façon dont une force peut agir à travers l’espace vide entre deux aimants ou deux charges électriques….

Une réponse est de supposer que chaque charge produit dans son voisinage un champ électrique. Ce champ invisible s’étend dans l’espace autour de la charge, et sa présence est déduite de son action sur les charges électriques qui le rencontrent. L’action à distance entre charges se ramène ainsi à une action de contact entre une charge et le champ d’une autre. Le concept de champ, inventé par Faraday, fut développé par Maxwell. Il peut être étendu à la force magnétique, et aussi à la force gravitationnelle. La charge électrique ou le pôle magnétique est la source du champ, dont l’intensité diminue progressivement avec la distance à la source. (...) Remarquons que les lignes de champ commencent et financent toujours sur des charges : le champ ne peut pas disparaitre soudain dans le vide. (...) Si un champ électrique est présent dans un milieu conducteur, les charges électriques peuvent se déplacer librement sous l’action des forces engendrées par le champ, et un courant électrique circule. Ce courant produit à son tour un champ magnétique…

Que les courants électriques produisent des champs magnétiques, et réciproquement, suggère qu’électricité et magnétisme ne sont pas forces distinctes mais sont intimement reliées. Les premiers pas vers une théorie unifiée de l’électromagnétisme remontent au dix-neuvième siècle….

Les lignes de force magnétique ne se terminent jamais dans le vide : elles aboutissent à des sources (les pôles), ou elles forment des boucles fermées. (…) Il est en fait impossible pour un courant électrique, quelle que soit la forme du conducteur, de produire un pôle (nord ou sud) isolé. (…) Le magnétisme de tous les aimants connus est dû à des courants électriques, et on n’a jamais trouvé de véritable source magnétique (des mono-pôles) dans la nature. (…) Tout comme les courants électriques produisent des champs magnétiques, les champs magnétiques peuvent produire des courants électriques. Ce phénomène d’induction fut découvert en 1831 par Faraday. Que les courants électriques produisent des champs magnétiques, et réciproquement, suggère qu’électricité et magnétisme ne sont pas des forces distinctes mais sont intimement reliées. (…)

Maxwell tenta de construire un système unique d’équations qui fournirait une description intégrée des phénomènes électriques et magnétiques. (…) Cela conduit à une jolie symétrie entre les champs électrique et magnétique, chacun étant la source de l’autre. Cette étroite association des deux champs fait qu’il vaut mieux parler d’un champ électromagnétique unique plutôt que de deux champs distincts. es champs électrique et magnétique peuvent se « nourrir » l’un l’autre, chacun étant la source de l’autre, sans qu’il soit besoin d e charges ou de courants électriques. Un champ électrique commence à changer et crée ainsi un champ magnétique, dont la croissance engendre un champ électrique, qui crée encore plus de champ magnétique, et ainsi de suite. La manière précise dont ces champs s’entrecroisent se trouve dans les équations de Maxwell.(…) Les équations prédisent qu’un champ électromagnétique peut se propager à travers un milieu comme une onde, à une vitesse constante qui dépend des propriétés électriques et magnétiques du milieu. Ces propriétés peuvent être mesurées en laboratoire, et la vitesse ainsi estimée : on trouve à peu près 300.000 kilomètres par seconde, la vitesse de la lumière. Maxwell s’en rendit compte, et conclut en 1864 que la lumière est une forme d’onde électromagnétique. (…) L’importance de la découverte de champs électromagnétiques auto-entretenus comme ces ondes est qu’elle accorde à ces champs une existence indépendante. (…) On sait depuis longtemps que les champs électrique et magnétique contiennent de l’énergie. (…) Dans une onde électromagnétique, l’énergie du champ est transportée dans l’espace via les oscillations de l’onde. (…) Une onde électromagnétique transporte aussi de l’impulsion. La pression de radiation se voit facilement si on laisse arriver sur une très mince feuille métallique. (…) Selon la théorie électromagnétique de Maxwell, les particules chargées électriquement émettent un rayonnement électromagnétique quand elles sont accélérées. On pouvait s’attendre à ce que les électrons en orbite autour des noyaux rayonnent de cette manière. (…) Les premiers essais d’étude du rayonnement des électrons atomiques se fondaient sur les lois du mouvement de Newton et sur la théorie électromagnétique de Maxwell, mais de profondes incohérences apparurent très vite. (…) Comme un électron en orbite accélère continuellement, nous devons nous attendre, selon les équations de Maxwell, à ce qu’il rayonne des ondes électromagnétiques dont la fréquence est la fréquence orbitale, laquelle dépend du rayon de l’orbite et de l’énergie de l’électron. (…) Les atomes se déplaçant de façon chaotique, se heurtant et échangeant de l’énergie, absorbant et émettant du rayonnement (…) d’après les idées de la physique classique, on devrait observer une distribution continue de cette énergie entre les atomes, et donc une distribution continue des fréquences orbitales et des fréquences du rayonnement émis par un gaz incandescent. La lumière émise par un gaz est analysée par un spectroscope, dans lequel la lumière est décomposée en fréquences grâce à un prisme ou à un réseau de diffraction. (…) Contrairement à notre attente, le spectre n’est pas formé d’un arc en ciel continu de fréquences, mais d’une série de lignes spectrales bien définies, correspondant à une suite discrète de fréquences préférées, et donc d’orbites atomiques. (…) L’échec de la physique classique à en rendre compte a conduit à une révolution majeure de la théorie de la structure atomique et plus généralement du microcosme. (…) Le problème vient de ce que la lumière est porteuse d’énergie. Un électron qui orbite autour d’un noyau en émettant de la lumière perd de l’énergie. Mais nous avons vu que plus l’énergie de l’électron est faible, plus il s’approche du noyau et plus il tourne vite. Par conséquent, il rayonne encore plus intensément et son orbite diminue encore plus. La conclusion semble inévitable : les orbites (des électrons autour du noyau) sont instables, et laissés à eux-mêmes les électrons spiralent inexorablement vers l’intérieur causant l’effondrement de l’atome sur lui-même. Le problème apparaît aussi, sous un aspect légèrement différent, en thermodynamique. (…) Une loi fondamentale de la thermodynamique stipule que, pour un système à l’équilibre, se répartit en moyenne à égalité entre les différents degrés de liberté des constituants du système. Le problème est que le rayonnement possède une infinité de degrés de liberté, en raison de la nature continue du champ électromagnétique. S’il faut partager équitablement l’énergie, le nombre infini de modes du champ de rayonnement a un appétit infini, tandis que la matière, ne disposant que d’un nombre fini de degrés de liberté, n’en recueillera qu’une fraction négligeable. (…) La première étape vers la solution de ce problème fut l’œuvre de Max Planck, qui montra en 1900 que l’équilibre entre matière et rayonnement était rétabli si l’énergie passait de l’une à l’autre que par multiples entiers d’une quantité minimale, qu’il appela des quanta. L’énergie d’un quantum de rayonnement lumineux est le produit de la constante de Planck et de la fréquence de ce rayonnement. (…) Une autre indication de la nature quantique de la lumière vient de l’effet photoélectrique, qu’Einstein put expliquer en 1905 en termes de particules de lumière, ou photons, obéissant à la relation de Planck (citée juste avant). Ici encore, les détails de l’effet photoélectrique sont inexplicables par la physique classique. (…) Ces faits s’expliquent simplement si la lumière est un courant de photons, et que chaque électron est éjecté par un photon. (…)

Les travaux de Planck et d’Einstein montrèrent que la théorie électromagnétique de Maxwell doit être remplacée au niveau atomique par une nouvelle théorie quantique du rayonnement. Mais cela a nécessairement des implications sur la structure de l’atome, et, plus généralement sur le comportement des particules de matière : pourquoi, par exemple, les atomes émettent-ils et absorbent-ils la lumière par quantités d’énergie discrètes ?

La première étape pour appliquer les idées quantiques à la matière fut l’œuvre de Niels Bohr qui suggéra en 1913 que l’énergie d’un électron atomique était restreinte à certaines valeurs bien définies. Tant que l’électron reste à un de ces niveaux d’énergie, il ne rayonne pas. Ce n’est que lors d’un passage d’un niveau à un autre qu’il émet ou absorbe du rayonnement. (…) Malgré le succès de la théorie de Bohr à rendre compte des traits principaux des spectres atomiques, ces idées sont plutôt ad hoc et ne fournissent pas une explication complète de la structure atomique. En particulier, on ne comprend pas pourquoi les atomes ne peuvent posséder que certains niveaux d’énergie précis, ni ce qui empêche les électrons de rayonner quand ils occupent ces niveaux. (…)

Nous avons vu que l’hypothèse du photon implique que les ondes électromagnétiques se comportent parfois comme des particules. Inversement, des objets généralement considérés comme des particules, tels que les électrons, peuvent se comporter de façon floue comme s’ils étaient étalés dans l’espace. En 1924, Louis de Broglie suggéra que cet étalement associait aux particules de matière un comportement d’onde. »

Gilles Cohen-Tannoudji dans « La Matière-espace-temps » :

« Quatre types d’interaction constituent le cimet des particules élémentaires : les interactions gravitationnelle, électromagnétique, nucléaire faible et nucléaire forte.

Nous avons déjà insisté sur l’unification entre les concepts de champ, de particule et de force que réalise la théorie quantique relativiste. Les forces ont un aspect « champ » qui était déjà présent dans la physique classique et un aspect particule : la force électromagnétique est associée à un champ de photons, la force faible à un champ de particules W et Z, la force forte à un champ de gluons et la force gravitationnelle à un champ hypothétique de gravitons.

Ces particules sont échangées sous forme virtuelle lors des interactions.

En théorie quantique, la force exercée entre deux charges électriques est due à l’échange de photons virtuels. Ces photons sont virtuels car leur existence est éphémère. (...) Des particules quantiques peuvent se trouver dans un état virtuel pendant des durées limitées par les inégalités d’Heisenberg. (...) Le nombre de photons ainsi échangés étant proportionnel au produit des deux charges, on retrouve ainsi la loi de Coulomb. Plus formellement on peut associer à un diagramme de Feynman, dans lequel une seule particule virtuelle est échangée, un potentiel effectif. (...) C’est le potentiel de la théorie classique. La nature attractive ou répulsive du potentiel dépend du signe des constantes de couplage à chacun des vertex du diagramme de Feynman. (...) On dit qu’il y a une transition virtuelle si le diagramme de Feynman comporte au moins une boucle. (...) L’électron n’est pas pensable sans son cortège de photons potentiels. (...) Toute la matière et toutes les interactions sont donc présents dans l’espace vide pourvu que l’on considère cet espace pendant des intervalles de temps suffisamment brefs. Un électron, vu au « microscope », manifeste des structures à toutes les échelles. Ces structures traduisent le caractère indissociable de l’électron et des quanta des champs de force qu’il émet puis réabsorbe. (…)En électrodynamique quantique, la force élémentaire entre deux particules de matière est décrite par le diagramme de Feynman d’échange d’un photon virtuel. Mais les transitions virtuelles introduisent des corrections radiatives (purement quantiques) qui peuvent être évaluées grâce à la théorie de la renormalisation. Ces corrections sont interprétées physiquement comme une polarisation du vide : le photon virtuel se matérialise en une paire électron-positron qui s’annihile pour redonner un photon virtuel. Cette polarisation du vide produit un effet d’écran : un électron numéro deux « voit » une charge électrique de l’électron numéro un « écrantée » par la polarisation du vide. C’est d’ailleurs dans cet effet d’écran que réside l’essentiel de la renormalisation : la charge « nue » de l’électron est infinie, c’est la polarisation du vide par les paires électron-positron (qui vivent le temps des transitions virtuelles) qui écrante, renormalise cette charge et en fait une charge physique, finie, effective, dépendant de la résolution. »

Richard Feynman dans son cours de physique – mécanique 1 :

« Par une approximation grossière, nous décrivons une force comme une sorte de poussée ou d’attraction que nous réalisons avec nos muscles, mais nous pouvons la définir plus précisément, ayant une loi du mouvement, la loi de Newton. La chose la plus importante à réaliser est que cette relation comporte non seulement des changements en « grandeur » de la quantité de mouvement ou de la vitesse, mais aussi de leur « direction ». Si la masse est constante, alors l’équation du mouvement s’écrit : Force égale masse multipliée par l’évolution de la vitesse divisée par le temps ou encore masse multipliée par l’accélération…

Pour utiliser les lois de Newton, nous devons avoir certaines formules pour la force ; ces lois nous disent, « prêtez attention aux forces ». Si un objet accélère, quelque chose agit sur lui ; trouvez-le. Notre programme pour le futur de la dynamique devra être de « trouver les lois de la force ». Newton lui-même en vint à donner certains exemples. Dans le cas de la gravitation, il donna une formule caractéristique de la force. Dans le cas d’autres forces, il donna certaines indications…

Dans le cas des forces très compliquées entre les atomes, il n’était pas au courant des vraies lois ; cependant il découvrit une règle, une propriété générale des forces, qui est exprimée dans sa « Troisième Loi » de Newton, et c’est la somme totale des connaissances sur la nature des forces que Newton put atteindre – la loi de gravitation et ce principe, mais pas davantage…

La Deuxième Loi de Newton affirme que la Force qui s’exerce sur la masse est la masse multipliée par la variation de vitesse ou accélération, ce qui, compte tenu de la constance de la masse, revient à la variation du produit de la masse et de la vitesse, produit qui est appelé quantité de mouvement…

La Troisième Loi de Newton, selon laquelle il y a égalité entre l’action et la réaction, implique la conservation de la quantité de mouvement pour l’ensemble global constitué par les deux corps qui interagissent. Par exemple, si deux masses (comme la Terre et la Lune) interagissent par gravitation et que l’on compare les états avant et après l’interaction, on remarquera que le total des quantités de mouvement des deux particules est resté inchangé, même si la quantité de mouvement de chacun d’elle a changé…

En plus des lois de conservation de la quantité de mouvement, il est une autre conséquence intéressante de la Deuxième Loi de Newton (F=ma)… Ce principe est que les lois de la physique apparaîtront les mêmes, que nous soyons au repos ou que nous nous déplacions avec une vitesse uniforme en ligne droite… C’est ce qu’on appelle le « principe de relativité » de Galilée…

Depuis de temps récents la loi de conservation de la quantité de mouvement a subi certaines modifications. Cependant la loi est toujours vraie aujourd’hui, les modifications apparaissent simplement dans les définitions des grandeurs. Dans la théorie de la relativité, il apparaît que nous avons conservation de la quantité de mouvement ; les particules possèdent une masse et la quantité de mouvement est toujours donnée par le produit de la masse et de la vitesse mais la masse change avec la vitesse, de ce fait la quantité de mouvement change également. La masse varie avec la vitesse selon la loi : masse en mouvement égale masse du corps au repos divisée par la racine de la quantité (1 – v²/c²) où c est la vitesse de la lumière…

Une des propositions de Newton était que les interactions à distance sont instantanées. Il apparaît que ceci n’est pas le cas ; dans des situations qui comportent des forces électriques, par exemple, si une charge électrique à un endroit est soudainement déplacée, les effets sur une autre charge à un autre endroit n’apparaissent pas immédiatement – il y a un petit retard. Dans ces circonstances, même si les forces sont égales, les quantités de mouvement ne vont pas varier parallèlement ; pendant un court intervalle de temps il y aura des difficultés parce que pendant un certain temps la première charge va sentir, disons, une certaine force de réaction, et va prendre un peu de quantité de mouvement, mais la seconde charge n’a rien senti et n’a pas encore modifié sa quantité de mouvement. Il faut du temps à l’influence pour traverser la distance d’intervention, ce qu’elle fait à 300.000 kilomètres par seconde. Dans ce petit intervalle de temps, la quantité de mouvement des particules n’est pas conservée. Bien sûr, une fois que la deuxième charge aura senti l’effet de la première et que tout aura repris son cours normal, l’équation de la quantité de mouvement se vérifiera correctement, mais pendant ce court intervalle de temps la quantité de mouvement n’est pas conservée.

Nous représentons ceci en disant que pendant cet intervalle il y a un autre type de quantité de mouvement à côté de celle de la particule, le produit de la masse de la particule et de sa vitesse, et que c’est de la quantité de mouvement dans le champ électromagnétique.

Si nous ajoutons la quantité de mouvement du champ à la quantité de mouvement des particules, alors la quantité de mouvement est conservée à tout moment, tout le temps.

Le fait que le champ électromagnétique puisse posséder de la quantité de mouvement et de l’énergie rend ce champ très réel, et ainsi pour une meilleure, l’idée initiale qu’il n’y a que des forces entre les particules a dû être transformée en l’idée qu’une particule crée un champ, et un champ agit sur une autre particule et que le champ lui-même a des propriétés aussi familières qu’un contenu d’énergie et une quantité de mouvement, tout à fait comme les particules.

Reprenons un autre exemple : un champ électromagnétique possède des ondes que nous appelons la lumière ; il apparaît que la lumière transporte également de la quantité de mouvement avec elle de telle sorte que lorsque la lumière frappe un objet elle apporte une certaine quantité de mouvement par seconde ; ceci est équivalent à une force car si l’objet éclairé acquiert une certaine quantité de mouvement par seconde, sa quantité de mouvement est modifiée et la situation est exactement la même que si une force agissait sur lui. La lumière peut exercer une pression en bombardant un objet ; cette pression est très petite, mais avec un appareil suffisamment sensible elle est mesurable.

En mécanique quantique, il apparaît que la quantité de mouvement est une chose différente – ce n’est plus masse fois vitesse. Il est difficile de définir exactement ce que signifie la vitesse d’une particule, mais la quantité de mouvement existe toujours. La différence en mécanique quantique est que lorsque les particules sont représentées comme des particules, la quantité de mouvement est toujours m fois v, mais lorsque les particules sont représentées par des ondes, la quantité de mouvement est mesurée par le nombre d’ondes par centimètre : plus ce nombre d’ondes est grand, plus grande est la quantité de mouvement…

Qu’est-ce qu’une force ?

Bien qu’il soit intéressant et utile d’étudier les lois physiques parce qu’elles nous aident à comprendre et à utiliser la nature, on doit s’arrêter de temps à autre et se demander, « Qu’est-ce que cela signifie au juste ? » La signification de n’importe quelle affirmation est un sujet qui intéressé et troublé les philosophes depuis des temps immémoriaux, et la signification des lois physiques est encore plus intéressante parce qu’il est reconnu généralement que ces lois représentent certaines connaissances réelles. Le sens du savoir est un profond problème en philosophie, et il est toujours important de se demander, « Qu’est-ce que cela signifie ? »

Demandons-nous donc : Quelle est la signification des lois physiques de Newton, que nous avons écrites sous la forme F=ma ? Quelles sont les significations d’une force, d’une masse et d’une accélération ?

Nous pouvons intuitivement saisir la signification de la masse, et nous pouvons « définir » l’accélération si nous connaissons le sens des notions de position et de temps. Nous ne discuterons pas ces notions, et nous nous intéresserons plus particulièrement au nouveau concept de « force ».

La réponse est également simple : « Si un corps accélère, une force agit donc sur lui. » C’est ce que la loi de Newton dit, ainsi la définition d’une force la plus précise et la plus belle que l’on puisse imaginer peut simplement être de dire que cette force est la masse d’un objet que multiplie l’accélération.

Supposons que nous ayons une loi disant que la conservation de la quantité de mouvement est réalisée si la somme de toutes les forces externes est nulle ; alors la question se pose : « Qu’est-ce que cela « signifie » que la somme de toutes les forces extérieures est nulle ? » Une manière plaisante de définir ceci serait de dire : « Lorsque la quantité de mouvement totale est constante, alors la somme des forces extérieures est nulle ». Mais il doit y avoir là quelque chose de faux, car absolument rien de nouveau n’est dit. Si nous découvrons une loi fondamentale qui dit que la force est égale à la masse que multiplie l’accélération, et que nous « définissions » alors la force comme étant la masse que multiplie l’accélération, nous n’avons rien trouvé de nouveau.

Nous pourrions également définir la force en disant qu’un objet en mouvement, qui n’est soumis à aucune force, continue de se déplacer avec une vitesse constante et en ligne droite. Si nous observons alors un objet ne se déplaçant pas en ligne droite et avec une vitesse constante, nous pourrions dire qu’une force agit sur lui. Mais on ne peut considérer cela comme le contenu de la physique, car ce sont des définitions qui se mordent la queue.

La définition Newtonnienne énoncée ci-avant semble cependant être une définition très précise de la force, une définition qui plaît au mathématicien ; néanmoins, elle est complètement inutile, car rien ne peut être prédit à partir d’une définition. On peut passer sa journée assis dans un fauteuil et définir des mots à volonté, mais trouver ce qui se passe lorsque deux balles se poussent l’une l’autre, ou lorsqu’un poids est pendu à un ressort, est un tout autre problème, car la manière dont les corps « se comportent » est quelque chose de tout à fait extérieur à tout choix de définition. (…)

Le contenu réel des lois de Newton est ceci : elle suppose qu’une force possède certaines « propriétés indépendantes », en plus de la loi F=ma ; mais les propriétés « spécifiques » indépendantes que possède la force ne furent complètement décrites ni par Newton ni par quelqu’un d’autre, et de ce fait la loi physique F=ma est une loi incomplète.

Cela implique que si nous étudions la masse que multiplie l’accélération et que nous appelons force le produit, c’est-à-dire si nous étudions les caractéristiques des forces comme intéressantes en soi, alors nous découvrirons que les forces ont une certaine simplicité ; cette loi est un bon programme d’analyse de la nature, et c’est une suggestion que les forces seront simples.

Le premier exemple de telles forces fut la loi complète de la gravitation, qui fut donnée par Newton, et en énonçant la loi il répondit à la question : « Quelle est la force ? »

S’il n’y avait rien d’autre que la gravitation, alors la combinaison de cette loi et la loi de force (la Deuxième Loi du mouvement) formerait une théorie complète, mais il y a bien plus que la gravitation, et nous voulions utiliser les lois de Newton dans de nombreuses situations différentes. Donc, pour aller de l’avant, nous devons dire quelque chose sur les propriétés des forces.

Par exemple, l’hypothèse tacite est toujours faite que la force est égale à zéro, sauf si un corps physique est présent, et que si nous trouvons une force non nulle nous trouvons également dans le voisinage une source de force… Une des caractéristiques les plus importantes de la force est son origine matérielle, et ceci n’est pas simplement une définition.

Newton donna également une règle sur les forces : les forces entre des corps en interaction sont égales et opposées – l’action égale la réaction ; il semble que cette règle ne soit pas exactement vraie. En fait, la loi F=ma n’est pas exactement vraie ; si c’était une définition nous devrions dire qu’elle est « toujours » exactement vraie, mais elle ne l’est pas.

L’étudiant peut objecter : « Je n’aime pas cette imprécision, j’aimerais que tout soit parfaitement défini ; en fait, on dit dans certains livres que toute science est un domaine exact, dans lequel « tout » est défini. » Si vous insistez pour avoir une définition précise de la force vous ne l’obtiendrez jamais !

Premièrement, parce que la Deuxième Loi de Newton n’est pas exacte, et deuxièmement, parce que pour comprendre les lois physiques vous devez comprendre qu’elles sont toutes plus ou moins des approximations.

Toute idée simple est approchée ; comme illustration considérons un objet. Mais un objet, qu’est-ce que c’est ? Les philosophes disent toujours, « Bon, prenez simplement une chaise par exemple. » Au moment où ils disent cela, vous savez qu’ils ne savent plus de quoi ils parlent. « Qu’est-ce » qu’une chaise ? Bon une chaise a une certaine masse… Certaine ? combien certaine ? Ses atomes s’évaporent de temps en temps – pas beaucoup d’atomes mais un tout petit peu – de la poussière tombe sur elle et se dissout dans la peinture, ainsi il est impossible de définir précisément une chaise, de dire exactement quels atomes sont chaise, et quels atomes sont air, ou quels atomes sont poussière, ou quels atomes sont peinture de la chaise ; la masse d’une chaise ne peut être définir qu’approximativement. De la même manière, il est impossible de définir la masse d’un objet unique, puisqu’il n’y a pas d’objet unique livré à lui-même dans l’univers – tout objet est un mélange de beaucoup de choses, nous ne pouvons ainsi le traiter que comme une suite d’approximations et d’idéalisations.

L’astuce, c’est d’idéaliser. A une excellente approximation, peut-être à une fraction de un divisé par dix puissance dix près, le nombre des atomes de la chaise ne change-t-il pas en une minute, et si nous ne sommes pas trop précis, nous pouvons idéaliser sa masse comme étant constante ; de la même manière, si nous ne sommes pas trop précis, nous idéaliserons l’étude des caractéristiques des forces.

On peut ne pas être satisfait avec la vue approchée de la nature que les physiciens essayent d’obtenir (on essaie toujours d’augmenter la précision de l’approximation), et préférer une définition mathématique ; mais les définitions mathématiques ne peuvent jamais marcher dans le monde réel. Une définition mathématique sera bonne pour les mathématiques dans lesquels la logique peut être suivie jusqu’au bout, mais le monde physique est complexe, comme nous l’avons indiqué dans un grand nombre d’exemples, tels que ceux des vagues de l’océan et d’un verre de vin. Lorsque nous essayons d’en isoler les parties, de parler d’une masse, le vin et le verre, comment pouvons nous savoir qui est quoi, lorsque l’un se dissout dans l’autre ? Les forces sur un seul objet comportent toujours des approximations et si nous voulons discourir sur le monde réel, alors ce que nous disons doit contenir certaines approximations, du moins pour le moment.

Une telle méthode est tout à fait différente du cas des mathématiques, dans lequel tout peut être défini sans que nous puissions « connaître » ce dont nous parlons. En fait, la gloire de mathématiques, c’est « que nous n’ayons pas besoin de dire ce dont nous parlons ». La gloire, c’est que les lois, les raisonnements et la logique, sont indépendants de ce que « cela » est.

Si n’importe quel ensemble d’objets obéit au même système d’axiomes que ceux de la géométrie d’Euclide, alors si nous fabriquons de nouvelles définitions et que nous les suivions jusqu’au bout avec une logique correcte, toutes les conséquences seront correctes, et la nature du sujet n’a aucune importance.

Dans la nature, cependant, lorsque nous traçons une droite ou lorsque nous établissons une droite en utilisant un rayon de lumière et un théodolite, comme dans l’arpentage, mesurons-nous une droite au sens d’Euclide ? Non, nous faisons une approximation ; le fil du réticule a une certaine largeur. Par contre, une ligne géométrique n’a pas d’épaisseur. Et c’est une question d’ordre physique et non d’ordre mathématique, que l’on puisse utiliser ou non la géométrie d’Euclide pour faire de l’arpentage. Cependant, d’un point de vue expérimental, et non d’un point de vue mathématique, nous devons savoir si les lois d’Euclide s’appliquent au type de géométrie que nous utilisons en mesurant les terrains ; ainsi nous faisons l’hypothèse que cela marche, et cela marche très bien ; mais ce n’est pas précis, parce que nos droites d’arpentage ne sont pas réellement des droites géométriques. C’est une question d’ordre expérimental que ces droites d’Euclide, qui sont abstraites, se comportent comme les droites expérimentales ; ce n’est pas une question à laquelle on peut répondre à l’aide de la simple raison.

De la même manière, nous ne pouvons pas simplement dire que F=ma est une définition, en déduire tout de façon purement mathématique, et faire de la mécanique une théorie mathématique, alors que la mécanique est une description de la nature.

En établissant des postulats convenables, nous pouvons toujours, comme Euclide, forger un système mathématique, mais nous ne pouvons pas faire une mathématique du monde, parce que tôt ou tard nous devons vérifier si les axiomes sont valables pour les objets de la nature. Nous avons à faire alors immédiatement à ces objets de la nature compliqués et « sales », mais avec des approximations augmentant toujours en précision.

Les considérations précédentes montrent qu’une véritable compréhension des lois de Newton nécessite une discussion des forces, et c’est le but de ce chapitre d’introduire une telle discussion pour compléter en quelque sorte l’étude des lois de Newton. Nous avons déjà étudié les définitions de l’accélération et les notions qui lui sont reliées, à présent nous devons étudier les propriétés des forces, et ce chapitre, à la différence des chapitres précédents, ne sera pas très précis, car les forces sont assez compliquées.

Pour commencer avec une force particulière, considérons la résistance à l’avancement dans l’air d’un avion qui vole. Quelle est la loi de cette force ? (Il y a certainement une loi pour chaque force, nous « devons » avoir une loi !) On peut difficilement envisager que cette loi est simple. Essayons d’imaginer ce qui produit cette résistance sur un avion volant dans l’air – l’air se précipitant par-dessus les ailes, les remous à l’arrière, les changements autour du fuselage, et bien d’autres complications, et vous voyez que cela ne sera pas une loi simple. D’un autre côté, c’est un fait remarquable que la force de résistance sur un avion soit approximativement une constante que multiplie le carré de la vitesse soit F égale à peu près constante fois v².

Quelle est maintenant la nature d’une telle loi, est-elle analogue à F=ma ? Pas du tout, parce qu’en premier lieu cette loi est une chose empirique obtenue approximativement à l’aide d’expériences dans une soufflerie. Vous dites, « F=ma peut être également empirique ». Ce n’est pas la raison de la différence. La différence n’est pas que ce n’est pas empirique, mais que, lorsque nous comprenons la nature, cette loi est le résultat d’une énorme complexité d’événements, et ce n’est pas fondamentalement une chose simple. Si nous continuons de l’étudier de plus en plus, mesurant de plus en plus précisément, la loi va devenir « de plus en plus » compliquée, et non le contraire. En d’autres termes, lorsque nous étudions de plus en plus près cette loi de résistance sur un avion, nous trouvons qu’elle est de plus en plus « fausse », et plus nous allons en profondeur, plus nous mesurons avec précision, plus la vérité devient compliquée ; en ce sens, nous considérons qu’elle ne résulte pas d’un processus fondamental et simple, ce qui s’accorde avec notre hypothèse initiale.

Si, par exemple, la vitesse est extrêmement basse, si basse qu’un avion ordinaire ne vole pas, comme lorsqu’un avion est tiré lentement dans l’air, alors la loi se modifie, et le frottement de résistance se rapproche davantage d’une dépendance linéaire de la vitesse. Pour prendre un autre exemple, la résistance de frottement sur une balle ou une bulle, ou tout autre chose qui se déplace lentement dans un liquide visqueux tel que le miel, est proportionnelle à la vitesse, mais pour des mouvements si rapides que le fluide tourbillonne autour (ce n’est pas le cas du miel, mais c’est le cas de l’eau et de l’air) alors la résistance devient presque proportionnelle au carré de la vitesse…

Nous venons de discuter deux cas de frottement résultant d’un mouvement rapide dans l’air et d’un mouvement lent dans le miel. Il ya un autre type de frottement appelé frottement sec ou frottement de glissement, qui apparaît lorsqu’un corps solide glisse sur un autre corps solide. Dans ce cas, une force est nécessaire pour maintenir le mouvement. Elle est appelée la force de frottement, et son origine est également une chose très compliquée. Les deux surfaces de contact sont irrégulières au niveau atomique. En plusieurs points de contact, les atomes semblent s’accrocher les uns aux autres, et puis, lorsque le corps qui glisse est tiré, les atomes se séparent violemment et des vibrations en résultent ; c’est quelque chose de ce genre qui doit se passer. Initialement on pensait que le mécanisme de ce frottement était très simple, que les surfaces étaient simplement remplies d’irrégularités et que le frottement provenait de la nécessité de soulever le corps glissant sur les irrégularités ; mais ceci ne peut être le cas, car il n’y a pas de pertes d’énergie dans un tel processus, tandis que de la puissance est en réalité dissipée. Le mécanisme de dissipation de puissance réside dans le fait que lorsque le corps qui glisse est arraché de dessus les irrégularités, les bosses se déforment, créent dans les deux corps des ondes et des mouvements atomiques, et quelques temps après, de la chaleur. Il est à nouveau remarquable ‘un point de vue empirique, que ce frottement puisse être décrit approximativement par une loi simple. Cette loi dit que la force nécessaire pour vaincre le frottement et pour tirer un objet sur un autre dépend de la force normale (c’est-à-dire perpendiculaire à la surface) entre les deux surfaces qui sont en contact. En réalité, à une bonne approximation, la force de frottement est proportionnelle à cette force perpendiculaire, avec un coefficient plus ou moins constant. La constante est appelée coefficient de frottement. (…)

Nous allons maintenant discuter les caractéristiques des forces moléculaires. Ce sont des forces entre les atomes, et elles sont à l’origine du frottement. Les forces moléculaires n’ont jamais été expliquées d’une manière satisfaisante à partir de la physique classique ; il faut la mécanique quantique pour les comprendre complètement. (…) Les forces moléculaires attirent à grande distance et repoussent à courte distance… A une certaine distance d, la force est nulle, ils sont donc tous en équilibre, ce qui fait que les molécules ont tendance à se tenir à cette distance les unes des autres. Si les molécules sont poussées les unes contre les autres d’une distance inférieure à la distance d, elles présentent toutes une répulsion… Il faut une très grande force pour rapprocher un tout petit peu les molécules, parce que la répulsion moléculaire devient rapidement très grande à des distances inférieures à d. Si les molécules sont légèrement écartées, il apparaît une légère attraction qui augmente lorsque la séparation augmente. Si elles sont tirées suffisamment fort, elles se sépareront de manière permanente – la liaison est brisée. (…)

Nous allons maintenant discuter les seules forces restantes qui sont fondamentales. Nous disons qu’elles sont fondamentales au sens où leurs lois sont fondamentalement simples. Nous discuterons d’abord la force électrique. Des objets portent des charges électriques qui ne sont en définitive que des électrons et des protons. Si deux corps quelconques sont chargés électriquement, il existe une force électrique entre eux, et si les grandeurs des charges sont respectivement q et q’, la force varie inversement avec le carré de la distance entre les charges, où F= une constante fois q fois q’ divisé par r². Pour des charges opposées cette loi ressemble à la loi de gravitation et pour des charges « semblables » la force est répulsive et le signe (direction) est opposé. (…)

Dans l’analyse des forces d’un type plus fondamental (non les forces telles que le frottement, mais la force électrique ou la force gravitationnelle), on a développé un concept très intéressant et très important. Puisqu’à première vue les forces sont beaucoup plus compliquées que ne l’indiquent les lois de l’inverse carré et que ces lois ne sont valables que lorsque les corps en interaction sont au repos, il faut améliorer la méthode pour pouvoir utiliser les forces très complexes qui apparaissent lorsque les corps se mettent à se déplacer d’une manière compliquée.

L’expérience a montré qu’une méthode connue sous le nom de concept d’un « champ » est de grande utilité dans l’analyse des forces de ce type.

Afin d’illustrer l’idée, par exemple, pour la force électrique, supposons que nous ayons deux charges électriques, q et q’, situées en des points P et R respectivement distants de r. Alors la force (vecteur) entre les charges est donnée par le produit de q, de q’, du vecteur PR divisé par la distance r au cube (à un facteur constant près). Pour analyser cette force au moyen du concept de champ, nous disons que la charge q, en P, produit un « état » en R tel que lorsque la charge q’ est placée en R elle « sent » une force. C’est une manière, peut-être bizarre, de la décrire ; nous disons que la force F (vecteur) sur q en R peut être décomposée en deux parts. C’est q’ multiplié par la quantité E (vecteur de champ) présente, que q’ soit là ou non (à condition que nous maintenions toutes les autres charges à la même place). E est « l’état » produit par la charge q, disons-nous, et le vecteur F est la réponse de q’ à E.

E est appelé un « champ électrique » et c’est un vecteur. La formule du champ électrique E produit par en R une charge q en P est égale à la charge q que multiplie la constante (inverse de quatre fois pi fois epsilon zéro), divisée par r² (r est la distance de P à R), et il agit dans la direction du rayon vecteur.

L’expression de E (produit par la charge q) est donc :

E = q fois rayon vecteur r divisé par quatre fois pi fois epsilon zéro fois r puissance trois.

Nous écrivons le vecteur F égale q fois le vecteur champ E qui exprime la force, le champ et la charge dans le champ.

Quel est l’intérêt de tout cela ? L’important est de séparer l’analyse en deux parties. Une partie dit que quelque chose « produit » un champ. L’autre partie dit que quelque chose « subit » un champ. En nous permettant de considérer indépendamment les deux parties, cette séparation de l’analyse simplifie le calcul dans de nombreuses situations. Si de nombreuses charges sont présentes, nous commençons par calculer le champ électrique total produit en R par toutes les charges, et ensuite connaissant la charge qui est placée en R, nous trouvons la force exercée sur elle.

Dans le cas de la gravitation, nous pouvons faire exactement la même chose. Dans ce cas, où la force F (vecteur) égale – G fois m fois m’ fois vecteur r divisé par r puissance trois, nous pouvons faire une analyse semblable comme suit : la force sur un corps dans un champ gravitationnel est la masse du corps que multiplie le champ C.

Vecteur F = m’ fois vecteur C. Alors le champ C produit par la masse m est C = - G fois m fois rayon vecteur r divisé par r puissance trois, et il est radial comme dans le cas électrique.

Malgré l’apparence, cette séparation en deux parts n’est pas simplement quelque chose sans grande importance. Ce serait une simple manière différente d’écrire la chose, si les lois des forces étaient simples, mais les lois des forces sont si compliquées qu’il apparaît que les champs ont une réalité pratiquement indépendante des objets qui les créent. On peut, par exemple, bouger une charge et produire un effet, un champ, à distance ; si on arrête alors de déplacer la charge, le champ conserve trace de tout le passé, car l’interaction entre deux particules n’est pas instantanée. Il est souhaitable d’avoir un moyen de se rappeler ce qui s’est passé auparavant. Si la force sur une charge dépend de l’endroit où l’autre charge était hier, ce qui est le cas, il nous faut alors un mécanisme pour conserver la trace de ce qui s’est passé hier et c’est la propriété d’un champ. Ainsi lorsque les forces deviennent plus compliquées, le champ devient de plus en plus réel, et cette technique devient de moins en moins artificielle.

En analysant les forces par le biais des champs, il nous faut deux types de lois concernant les champs. Le premier est la réponse à un champ et ceci donne les équations du mouvement. Par exemple, la loi de la réponse d’une masse à un champ gravitationnel est que la force est égale à la masse que multiplie le champ gravitationnel ; ou, s’il y a également une charge sur le corps, la réponse de la charge au champ électrique est égale à la charge que multiplie le champ électrique. La deuxième partie de l’analyse de la nature, dans ces situations, est de formuler les lois donnant l’intensité du champ et comment il est produit. Ces lois sont quelquefois appelées des « équations du champ ». (…)

D’abord, le fait le plus remarquable de tous, qui est tout à fait exact et qui peut être facilement compris, est que le champ électrique total produit par un certain nombre de sources est la somme vectorielle des champs électriques produits par la première source, la deuxième source, etc… Il nous faut simplement additionner les vecteurs pour obtenir le champ total. (…)

Les mêmes méthodes peuvent-elles être appliquées à la gravitation ? La force entre deux masses m et m’ fut exprimée par Newton comme F = - G m m’ vecteur r divisé par r puissance 3

Mais d’après le concept de champ, nous pouvons dire que m crée un champ C dans tout l’espace environnant, de telle sorte que la force sur m’ est donnée par

F = m’ fois le champ C

Par une analogie complète avec le cas électrique :

C = - G m’ vecteur r divisé par r puissance 3

Et le champ gravitationnel produit par plusieurs masses est la somme des champs gravitationnels produits par chacune d’elles. (…)

Etroitement reliée à la force électrique, on trouve un autre type de force appelé force magnétique, qui peut être également analysée à l’aide d’un champ. Certaines relations qualitatives entre les forces électriques et magnétiques peuvent être utilisées par une expérience avec un tube à rayons cathodiques.

A l’une des extrémités de ce tube se trouve une source qui émet un jet d’électrons. A l’intérieur du tube, il y a des dispositifs pour accélérer les électrons à une grande vitesse et en envoyer certains d’entre eux dans un faisceau étroit vers un écran fluorescent à l’autre extrémité du tube. Une tache de lumière apparaît au centre de l’écran, à l’endroit où les électrons viennent frapper, et ceci nous permet de suivre la trajectoire électronique. Sur le chemin vers l’écran le faisceau électronique traverse un espace étroit entre une paire de plaques métalliques parallèles, qui sont disposées par exemple horizontalement. Une tension peut être appliquée entre les plaques de telle sorte que l’une ou l’autre des plaques peut être à volonté rendue négative. Lorsqu’une tension se présente, il existe un champ électrique entre les plaques.

La première partie de l’expérience consiste à appliquer une tension négative à la plaque la plus basse, ce qui signifie que des électrons en excès ont été placés sur cette plaque. Comme des charges identiques se repoussent, la tache lumineuse sur l’écran se déplace immédiatement vers le haut.

Nous pouvons dire cela d’une autre manière – que les électrons « sentent » le champ, et répondent par une déviation vers le haut.

Nous inversons ensuite la tension, rendant la plaque supérieure négative. La tache de lumière sur l’écran se déplace maintenant en dessous, montrant que les électrons dans le faisceau sont repoussés par ceux qui se trouvent sur la plaque au-dessus d’eux.

Ou nous pouvons dire également que les électrons ont « répondu » au champ, qui est maintenant dans la direction opposée.

La deuxième partie de l’expérience consiste à déconnecter la tension des plaques et à essayer l’effet d’un champ magnétique sur le faisceau d’électrons. Ceci est réalisé par l’intermédiaire d’un aimant en forme de fer à cheval, dont les pôles sont suffisamment éloignés pour entourer plus ou moins le tube.

Supposons que nous tenions l’aimant sous le tube dans la même orientation que la lettre U, avec les pôles en l’air et une partie du tube entre eux. Nous remarquons que la tache de lumière est déviée, disons, vers le haut, lorsque l’aimant approche le tube venant du bas.

Ainsi, il apparaît que l’aimant repousse le faisceau électronique. Cependant, ce n’est pas aussi simple, car si nous inversons l’aimant sans retourner les pôles, et que nous approchons maintenant le tube du haut, la tache se déplace toujours vers le haut, ce qui fait que le faisceau électronique n’est pas repoussé ; il semble au contraire être attiré.

Nous recommençons en ramenant l’aimant à sa position initiale en U en le maintenant sous le tube comme précédemment. Oui, la tache est encore déviée vers le haut ; mais tournons l’aimant de 180 degrés autour d’un axe vertical, de telle sorte qu’il soit toujours dans la position U, mais que les pôles soient interchangés. Regardez ! la tache saute alors vers le bas, et y reste, même si nous inversons l’aimant et que nous l’approchions venant du haut comme auparavant.

Pour comprendre ce comportement particulier, il nous faut une nouvelle combinaison des forces.

Nous l’expliquons ainsi : au travers de l’aimant d’un pôle vers l’autre, il y a un « champ magnétique ». Ce champ a une direction qui va toujours d’un certain pôle (que nous pouvons marquer) vers l’autre.

Inverser l’aimant ne change pas la direction du champ, mais inverser les pôles modifie sa direction. Si, par exemple, la vitesse de l’électron est horizontale dans la direction x et le champ magnétique est également horizontal dans la direction y, la force magnétique sur les électrons en mouvement serait dans la direction z, c’est-à-dire vers le haut ou vers le bas, selon que le champ est dans une direction y positive ou négative. (…)

Le type suivant de force que nous allons discuter peut être appelé une « pseudo-force ». Il s’agit de situations créées dans des systèmes de coordonnées différents. (…) Si ces deux systèmes se déplacent l’un par rapport à l’autre en ligne droite avec une vitesse uniforme, les lois de la physique nous apparaîtront les mêmes dans les deux systèmes. (…) Par contre, si les systèmes sont accélérés l’un par rapport à l’autre, avec une accélération a, la force ne s’écrira pas de la même manière dans les deux systèmes de coordonnées.

Si la force s’écrit F = m fois la dérivée seconde de x dans le premier système, elle s’écrit F – m fois l’accélération a dans le deuxième. (…)

En d’autres termes, une force apparente nouvelle et mystérieuse, d’origine inconnue, se manifeste parce qu’on a changé de système de coordonnées.

La nouvelle force m fois a (une masse par une accélération est bien identique à une force) est une pseudo-force. (…)

Nous concluons ce chapitre par une brève discussion des seules autres forces connues qui sont appelées les « forces nucléaires ». Ces forces existent à l’intérieur des noyaux des atomes, et bien qu’elles suscitent de nombreuses discussions, personne n’a encore calculé la force entre deux noyaux, et en fait, à l’heure actuelle, on ne connaît pas les lois des forces nucléaires… Toute formule qui peut être écrite pour les forces nucléaires est une approximation assez grossière qui ne tient pas compte de nombreuses complications ; l’une d’entre elles peut être quelque chose de ce genre : les forces à l’intérieur d’un noyau ne varient pas inversement comme le carré de la distance, mais diminuent exponentiellement sur une certaine distance r, selon F = 1/r² multiplié par e puissance moins r divisé par un indice zéro, où r indice zéro est de l’ordre de dix puissance moins treize centimètres. En d’autres termes, la force disparaît dès que les particules sont séparées d’une distance plus grande, bien qu’elles soient très fortes dans le domaine de dix puissance moins 13 centimètres. »

(Feynman écrivait cela en 1963. On en était encore à l’interprétation à l’interprétation de l’interaction entre charges électriques par échanges de photons. Tomonaga, Schwinger et Feynman ont reçu en 1965 le prix Nobel de physique pour leur contribution à la théorie de l’ « électrodynamique quantique », première théorie quantique des champs, en particulier par la mise au point du calcul des quantités observables en utilisant la covariance et l’invariance de jauge. L’interaction nucléon-nucléon a été étudiée en 1976 par Brown et Jackson. L’interaction nucléaire forte a été étudiée – théorie dite de la « chromodynamique quantique » - en 1973 par H. David Politzer, Frank Wilczek et David Gross. L’interaction nculéaire faible a été unifiée à l’interaction électromagnétique – sous le terme d’ « interaction électrofaible » – en 1968 par Abdus Salam, Sheldon Glashow and Steven Weinberg.)

Conférences sur les forces :

Les quatre forces fondamentales

La force de gravitation

La force électromagnétique

La force nucléaire forte

La force nucléaire faible

Les interactions fondamentales

Les forces fondamentales de la physique

L’unification des forces

La force magnétique

Les forces d’inertie

Les forces de frottement

Les forces capillaires

Les forces de tension superficielle

Les forces d’interaction entre les particules

La force centrifuge

La force de Coriolis

La force de liaison chimique

La force d’interaction chimique

La force intermoléculaire de Van der Waals

La force d’inertie

La force de liaion covalente

Les forces de pression

Les forces de tension

Les forces de frottement

Les forces de l’ordre du piconewton

Les forces moléculaires

Les forces nucléaires

La force de Coriolis

La force du cyclone

Question 1 : Quelle force fait tourner la lune autour de la terre ?

Réponse : C’est la force de gravitation qui attire la lune et l’inertie produit un mouvement de rotation.

Question 2 : Quelle force fait tourner la Terre sur elle-même ?

Réponse : C’est la gravitation qui a entraîné l’accrétion de petites roches lors de la formation de la Terre et.qui a entraïné, en conséquence, ce mouvement de rotation C’est la force d’inertie qui maintient cette rotation.

Question 3 : Quelle force pousse la boule ?

Réponse : Les chocs du pendule de Newton (collision élastique sans dispersion) sont décrits par la conservation de l’énergie cinétique et de la quantité de mouvement.

Question 4 : Quelle force provoque le volcanisme, les tremblements de terre et la tectonique des plaques qui les met en mouvement ?

Réponse : L’origine est dans les décompositions nucléaires d’éléments radioactifs du noyau de la Terre, donc dans la force nucléaire forte ou faible.

Question 5 : Quelle force pousse violemment la lave du volcan vers l’extérieur ?

Réponse : Le volcanisme, c’est la chaleur du noyau qui tente de se frayer un chemin du noyau vers la surface de la Terre.

Question 6 : Quelle force agit dans la bombe atomique ?

Réponse : Le fonctionnement d’un réacteur est fondé sur l’interaction nucléaire forte

Question 7 : Quelle force n’agit plus en apesanteur ?

Réponse : C’est la pesanteur, c’est-à-dire la force de gravitation qui s’annule lorsqu’on est dans l’espace à grande distance d’une masse importante.

Question 8 : Quelle force agit au sein du Soleil ?

Réponse : C’est la force nucléaire faible qui fonde la nucléosynthèse dans les étoiles, notamment le soleil, c’est-à-dire la fusion de noyaux légers en noyaux lourds, fréquemment de noyaux d’hydrogène en noyaux d’hélium, fondée sur la désintégration β d’un neutron en un proton, un électron et un anti-neutrino électronique, via un boson W-.

Question 9 : Quelle force agit au sein des centrales nucléaires ?

Réponse : C’est la force nucléaire forte qui est à l’origine de la fission nucléaire qui produit la chaleur. La plupart des éléments qui sont ainsi produits sont eux-mêmes radioactifs suivant la force nucléaire faible.

Question 10 : Quelle force agit dans la lumière ?

Réponse : La lumière c’est de l’électromagnétisme. C’est donc la force électromagnétique.

Question 11 : Quelle force agit dans l’aimant ?

Réponse : C’est la force magnétique qui fait partie de l’ensemble des forces électromagnétiques.

2 Messages de forum

  • Qu’est-ce qu’une force en Physique ? 3 octobre 08:50, par alain

    Il me semble que tout ne se ramène pas aux quatre forces fondamentales de la Physique puisque certains sites de physique notent d’autres types de forces comme les « forces de contact » (frottement, forces de pression, chocs, vibrations, forces inter-moléculaires, chaleur, etc.), la pression qu’exerce la lumière sur la matière, ou encore les forces centrifuges et centripètes, et la force de Coriolis notamment…

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  • Qu’est-ce qu’une force en Physique ? 3 octobre 08:51, par Robert Paris

    C’est vrai que cela est parfois présenté ainsi, mais c’est à tort. Les quatre forces fondamentales sont, dans l’état actuel de nos connaissances, les seules forces de l’univers matériel et lumineux. Ce que l’on appelle des « forces de contact » sont des dérivés plus ou moins complexes des interactions électromagnétiques. La chaleur, par exemple, a encore comme origine et comme moyen de propagation les forces électromagnétiques qui agitent l’ordre des structures matérielles. La pression de la lumière est également d’origine électromagnétique. Quant aux forces centrifuge et centripète ou encore la force de Coriolis, ce ne sont que des artifices mathématiques commodes appelés « pseudo-forces » servant à représenter des projections de l’accélération et à effectuer les calculs mais qui n’ont pas de réalité physique. Ces pseudo-forces ne sont pas des origines du mouvement mais seulement des images pratiques de celui-ci.

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