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Le Soleil, existant entre autres grâce à l’interaction faible
Si on considère la physique actuelle, elle se décrit intégralement par le biais de quatre interactions fondamentales. Cela signifie que tout phénomène peut être décrit par une fonction de ces quatre forces.
On dispose ainsi de :

  • l’interaction gravitationnelle, qu’on observe facilement en constatant que l’on est attiré par la Terre ;
  • l’interaction électromagnétique, qu’on observe avec un aimant (pour la partie magnétique) ou en se prenant un décharge électrostatique (pour la partie électrique), ou même la lumière (qui est en réalité un mix des deux) ;
  • l’interaction nucléaire forte, qui est responsable de la cohésion des noyaux atomiques (les particules du noyau se repousseraient à cause de l’interaction électromagnétique sans cette force nucléaire forte)
  • l’interaction nucléaire faible.

Parmi ces quatre interactions, les trois premières sont assez simples à se visualiser. La dernière, au contraire, a toujours été un peu plus difficile à expliquer et à comprendre :

xkcd fundamental forces
Les 4 forces fondamentales, vues par XKCD (source), où l’interaction faible pose toujours ce même problème de compréhension…

L‘interaction faible n’est pourtant pas tellement différente des autres sur son principe de fonctionnement. C’est simplement que, plus spécialement pour elle, il convient de bien parler d’interaction et non pas de force.

En soit, les interactions fondamentales se manifestent par l’échange d’une particule « messagère », un boson, entre deux autres particules qui subissent l’effet de l’interaction. Dans le cas de la force électromagnétique, le boson est un photon et elle agit sur les particules chargées (proton, électron…).

L’interaction faible n’échappe pas à cette règle : la particule vectrice de la force est un boson Z ou W et son action se fait sur les fermions, qui regroupe les quarks (constituants des protons et des neutrons) et les leptons (incluant l’électron).

Pour continuer le parallèle, tout comme la force électromagnétique permet à deux particules chargées d’échanger de l’énergie grâce à un photon, l’interaction faible permet à deux fermions d’échanger de l’énergie (ou de masse) ou de la charge.
À cause de cette particularité de pouvoir changer la masse ou la charge, ’interaction faible a pour conséquence de modifier la nature de certaines particules, donc de transformer une particule en une autre.

Le qualificatif de « faible » provient quant à lui de la petitesse du rayon d’action de cette force. Ainsi, la gravité opère sur une distance infinie, mais l’interaction faible n’agit que sur une distance n’excédant pas un millième de la taille d’un proton ! Deux fermions doivent donc être très très proches pour interagir. Ceci n’arrive pas toujours, même au sein d’un noyau atomique.
Quand cela se produit en revanche, l’interaction faible peut entrer en jeu, provoquer un échange d’un boson, et certaines particules vont alors être modifiées.

Ceci est ce qui se produit au cours de la radioactivité bêta, qui est une conséquence de l’existence de l’interaction faible : dans le carbone 14 (qui est radioactif), le noyau est structuré de sorte que les neutrons et les protons sont plus proches les uns des autres, et l’interaction faible peut opérer : un des quarks d’un des neutrons émet un boson W⁻ qui va être capté par un des quarks d’un des protons. Le neutron se transforme alors en un proton.
La différence de charge est alors émise sous la forme d’un électron et un neutrino est également émis. L’atome tout entier, ayant gagné de cette façon un proton et un électron, devient donc de l’azote 14 (non-radioactif).

La transformation du neutron en proton se fait spontanément, grâce à l’interaction faible et l’échange d’un boson W− :

désintégration beta
Ce qu’il faut comprendre ici (le diagramme se lit de bas en haut), c’est qu’un des quark « d » devient un quark « u ». Le neutron (combinaison « u, d, d » ) devient alors un proton (combinaison « u, d, u »). L’ensemble s’accompagne de l’émission d’un boson W⁻. Ce dernier, lui-même instable, va se désintégrer en un électron et un anti-neutrino électronique.

Ce processus de création d’un proton et d’un électron (et d’un anti-neutrino) à partir d’un neutron, c’est la désintégration radioactive β, qui dans le cas du carbone 14 est mise à profit dans la méthode de datation au carbone 14.

Un autre exemple « d’application » de l’interaction faible sont les étoiles. Les réactions qui ont lieu au cœur des étoiles font intervenir des émissions et des absorptions de neutrinos (un lepton), dont le passage près des atomes provoque des transformations au niveau des quark et donc des noyaux. Ici, c’est le passage du neutrino très près du noyau qui provoque l’échange d’un boson et la mutation d’un quark down en up, puis émission d’un électron et d’un neutrino.
L’ensemble est ensuite responsable des mécanismes de fusion nucléaire, dont l’énergie libérée nous profite sur Terre.

Si l’interaction forte maintient l’existence des atomes, et que la gravité et l’électromagnétisme permettent respectivement le mouvement des astres et des aimants, l’interaction faible permet aux étoiles d’exister et évite que ces amas de gaz ne s’effondrent directement en trou noir sous la force de gravité. Dans l’observation et notre compréhension actuelle de l’univers, elle a donc pleinement sa place et mérite d’être expliquée et comprise.

Ressources

image d’en-tête de la Nasa

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des miroirs
L’effet Casimir (du nom de Hendrick Casimir, pas du dinosaure) est une mystérieuse force produite par le vide entre deux plaques parallèles.
Le travail de cette force est parfois décrite comme l’énergie du vide. Cette dénomination n’est totalement fausse, mais il ne semble pas possible de pouvoir en faire une source d’énergie pour autant.

Pour comprendre l’effet Casimir, il faut visualiser le vide.
Comme je l’expliquais dans mon article sur « Rien », même dans un vide dénué de tout atomes, il reste des fluctuations dans le champ électromagnétique (et tous les autres champs quantiques). Ces fluctuations, présentes dans le vide, prennent la forme de photons. Ces photons sont caractérisés par leur longueur d’onde.

Maintenant, plaçons nous dans le vide prenons deux plaques parallèles (des miroirs) que l’on sépare d’une distance $l$ très faible, de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde des photons .

Entre les deux plaques, seuls les photons de longueur d’onde égale à un multiple entier de $l$ peuvent exister (comme la corde d’une guitare, qui ne peut vibrer qu’à une fréquence égale à un multiple entier de la fréquence fondamentale). L’intérieur des plaques ne voit donc apparaître que certains photons spécifiques.

À l’extérieur des plaques, par contre, il n’y a pas de contrainte : si les plaques sont dans un espace supposé infiniment grand (au moins devant la distance $l$), des photons de toute longueur d’onde peuvent exister :

l’effet casimir
↑ l’Effet casimir (source : Zero, The Biography of a Dangerous Idea, Charles Seife, ISBN 0-965-001-001424)

Si l’on considère maintenant la pression radiative (pression des photons) exercée sur les plaques, on voit que la somme totale de la pression à l’extérieur des plaques est plus importante que celle produite dans l’espace entre les deux plaques, tout simplement par ce qu’il y a plus de photons à l’extérieur.

L’effet Casimir se manifeste alors : sous l’effet de la différence de pression, les deux plaques vont se rapprocher.

Vous avez bien lu : le vide peut déplacer des choses. Si maintenant on arrive à capter l’énergie produite lors du déplacement de ces plaques, on peut capter un peu d’énergie du vide.
Cette force de Casimir entre deux plaques parallèles placées dans le vide a depuis été mesurée expérimentalement à plusieurs reprises.

Mais le vide n’est pas le seul endroit où l’on peut rencontrer ce phénomène.
Si on place deux plaques dans l’eau, des vagues (ondes) arrivent également de tous les côtés. Là aussi, toutes les ondes ne sont admises entre les deux plaques et l’on observe une différence de pression et donc une force qui finit par coller les deux plaques entre elles.

Ce phénomène avait déjà été observé en 1836 par P. C. Caussée, dans son livre l'Album du Marin : deux bateaux voguant de façon parallèle finissent par se rapprocher, à cause de l’absence de certaines vagues dans l’espace entre les deux navires. Ce phénomène a été expliqué en 1996 seulement, et constitue un effet analogue à l’effet Casimir hors du cadre de la physique quantique.

Image d’en-tête de Trixi Skywalker

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hyperspace
C’est à partir de la discussion sur SCMB que j’avais envie de faire un petit article ici, à propos des objets en dimension 4.

C’est quoi une dimension au sens mathématique ?

La dimension d’un espace c’est le nombre de coordonnées qu’il faut pour repérer un point dans cet espace.
Ainsi, en dimension 1 (une demi droite donc) il suffit d’une seule coordonnée pour repérer un point de cette demi-droite par rapport à l’origine.

Dans un plan, un point est repéré par deux coordonnées X et Y :

un plan cartésien XY
Un plan cartésien en XY (image)

Dans un espace en 3D, comme le monde dans lequel on vit, il faut 3 coordonnées pour se repérer : X, Y et Z généralement.
Dans un espace en 4D, il faut donc en toute logique 4 coordonnées, que je prendrais à W, X, Y, Z.

La dimension 4

Déjà, je vous dis que ce dont je parle n’est pas le temps.
Oui, en physique le temps est une dimension mais ce n’est pas pour cela que c’est le quatrième. Dans certaines théories des cordes, on utilise un espace-temps à onze dimensions, il y en aurait une de temps et dix d’espace.
Ce dont je parle ici, c’est réellement un espace à quatre dimensions spatiales, où chaque point est repéré par quatre coordonnées, et où le temps vient s’ajouter à tout ça.

Ceci étant posé, la quatrième dimension, c’est quoi ? Comment le dessiner ? Le voir ?

Notre espace étant en 3D, il n’est pas possible de faire une représentation rigoureuse d’un espace en 4D.
Il n’est pas possible de le dessiner, car un tel espace ne fait pas parti de notre monde. Pour autant, ce n’est pas pour ça qu’on ne peut pas faire des calculs avec. En mathématiques, on peut faire des calculs avec des objets ayant autant de dimensions que l’on veut. C’est difficile voire impossible à se représenter, mais les calculs, soient-ils abstraits, restent possibles.

Pour essayer de s’imaginer ce qu’est la dimension 4, on peut partir de la dimension 2.
Prenons un papier avec un plan XY. On repère un point sur ce papier avec ses coordonnées X et Y. Maintenant, prenons plusieurs feuilles munies de repères et faisons un livre : le numéro de la page correspond alors à une nouvelle coordonnée Z.

Un ver qui se trouve sur la première page et qui traverse le livre passe alors d’un plan à un autre. Pour le plan sur la première page, le ver possède une coordonnée au début, mais comme il traverse le livre, le ver finit par ne plus avoir de coordonnées sur le premier plan. Dit autrement, en dimension 2 sur la feuille, le ver est là à un moment (matérialisé par X et Y) puis il disparaît (il n’a plus de coordonnées du tout).

Nous, qui observons le ver, voyons le ver passer d’un plan à un autre. Sa coordonnée Z évolue.

Maintenant prenons plusieurs livres éparpillées sur une table. Chacun étant un empilement de plusieurs feuilles. Pour repérer le ver, il faut donc un X, un Y, ainsi qu’un Z, mais aussi une nouvelle coordonnée — W — qui renseigne sur l’identité du livre.

Le ver ne peut évoluer que dans des livres, il ne peut donc pas passer sur la table et rejoindre un autre livre. Il est, comme nous, prisonnier des trois dimensions de l’espace. S’il pouvait évoluer dans la dimension 4, alors il disparaîtrait d’un livre pour se retrouver au milieu d’un autre.

Tout comme il disparaissait d’un plan XY quand il évoluait selon l’axe Z, ici, il disparaît d’un espace XYZ quand il évolue dans la quatrième dimension W.
En gros, pour nous, un être de dimension 4 est capable de se téléporter d’un endroit à un autre : il disparaît un moment de notre espace puis revient ailleurs et un peu plus tard, sans qu’on puisse le voir se déplacer.

Ce n’est pas de la science fiction, c’est simplement que nous, humains, sommes dans un espace à 3 dimensions et incapables de changer ça.
Selon certaines hypothèses et théories (dont les théories des cordes), étant données que la matière (atomes…) évolue dans nos 3 dimensions, s’il en existe d’autres, alors elles sont plus fines que la dimension des atomes, empêchant la matière de passer d’un endroit à un autre de l’espace par téléportation.

On ne sait pas si d’autres dimensions existent, ni à quelles échelles. De grandes théories existent, mais il est difficile, et peut-être même impossible de les prouver… pour le moment.

Segment, carré, cube, hypercube !

Le segment, est la base en dimension 1.
Le carrée est la figure la plus régulière en base 2 : il est obtenu par duplication du segment puis en les reliant.
Le cube est la figure de base de la dimension 3 : on prend deux carrés parallèles qu’on relie point à point.

L’hypercube ? Facile : on prend deux cubes et on les relie, sommet à sommet aussi.

Comment s’imaginer ça ?

Si on regarde un carré depuis un côté, alors un voit une simple arête : un segment.
En regardant un cube depuis un côté, on voit un carré.

Maintenant, il faut imaginer qu’un cube c’est simplement un « côté » d’un hypercube. En faisant tourner (en dimension 4) l’hypercube, on peut voir un autre côté, donc un autre cube. Aussi, tout comme le cube est un assemblage de 6 carrés, l’hypercube est l’assemblage de 8 cubes :

le patron du tesseract
↑ Un hypercube déplié en 8 cubes (image)

Cependant… Ce que vous voyez là sur l’image, c’est bien un segment, c’est bien un carré mais ce n’est pas un cube et encore moins un hypercube.

On voit une représentation en 2D (à plat) d’un cube.
Pourquoi est-ce différent ? Parce que par définition, le cube a ses faces de même forme et de même surface. Ce n’est pas le cas sur ce dessin. La perspective permet de mieux se représenter un objet d'une dimension supérieure dans une dimension inférieure, mais cette représentation n’est pas l’objet en lui-même.
Pour obtenir un vrai cube, il faut le sculpter et non plus le dessiner.

L’hypercube ici, c’est encore pire : c’est un objet en 4D dessiné dans un plan en 2D. Si on essaye de faire une représentation en 3D, on obtient quelque chose comme l’Arche de la Défense, à Paris.
Mais cela reste encore une simple représentation : l’hypercube réel n’est pas comme ça : si on arrivait à voir en 4D, tous les cotés, faces, cubes seront de même longueur, surface, volume.

Cet hypercube n’est qu’une représentation en 3D du véritable hypercube.
Tout comme on pourrait imaginer l’ombre d’un cube sur un plan (on verrait alors quelque chose comme le cube sur l’image ci-dessus), on peut voir l’Arche de la Défense comme la forme 3D représentant une ombre tridimensionnelle d’un hypercube.

Comment voir en 4D ?

Il n’est pas impossible de s’imaginer des choses en 4D voire en 5D, 6D… Je pense que la puissance de l'imagination est infinie de ce côté là. L’évolution ne nous a juste pas doté d’un besoin de voir en 4D, et donc rien de la 4D n’est intuitif. Ceci dit, il y a bien des choses qui ne soient pas innées et qu’on arrive à faire. Voir en 4D n’en est donc qu’une de plus.

Si vous voulez vous y tenter, je vous propose le film réalisé par l’ENS de Lyon : Dimensions. C’est un film en licence CC et téléchargeable gratuitement. Il est aussi possible de commander un DVD.

Vous pouvez aussi lire le livre Flatland, d’Abbott : il trace la vie d’un personnage vivant dans un plan 2D et qui est amené à passer quelques temps en 3D. L’auteur y invite finalement le lecteur, habitant d’un monde en 3D, de s’imaginer un univers en 4D.
Le livre date de 1884 et est donc tombé dans le domaine public depuis longtemps. Je vous en partage une édition ici : abbot_flatland.pdf. Je vous préviens quand même que le livre peut aussi être vu comme une critique de la société Victorienne (ce n’est donc pas juste un manuel de math).

Flatland a aussi été adapté en deux films : Flatland et Flatland the film, ce dernier est en ligne sur Youtube.

Je n’ai pas de méthode directe pour apprendre à imaginer un 4D, mais les deux méthodes décrites ici (dans Flatland et dans Dimensions) sont similaires : se mettre à la place de créatures en 2D voulant apprendre la 3D, puis transposer tout ça à nous : se mettre en 3D et voulant apprendre la 4D.

Voilà d’autres explications (en anglais et en vidéo) :

image de Procsilas Moscas


(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici, avec ses commentaires)

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bechers en chimie
Ils sont instables, explosifs, corrosifs ou oxydants : certains produits chimiques sont tellement puissants qu’ils nécessitent d’importantes précautions d’emploi, même pour les professionnels.

L’hydrogène

Composant des 3/4 de l’univers connu, l’hydrogène est sur Terre un gaz explosif, détonant et très combustible. Il s’associe avec l’oxygène de l’air pour former de l’eau et libérer une importante quantité d’énergie (mise à profit dans les boosters des fusées).
Dans la bombe à hydrogène (bombe H), la plus puissante bombe créée par l’homme, ce n’est pas sa réactivité chimique qui est utilisée, mais un mécanisme de fusion thermonucléaire.

La nitroglycérine

la nitroglycérine
Classique : ce composé liquide de formule $C_{3}H_{5}(NO_{3})_{3}$ explose en formant plusieurs gaz, dont le dioxyde de carbone, le diazote, du dioxygène et l’eau. Si son explosion est si importante c’est en partie à cause de la grande quantité de gaz produits : plus de 1000 fois le volume de gaz par rapport au volume liquide.
La nitro est également très instable mécaniquement : un choc peut détruire la fragile molécule et libérer de la chaleur pour produire une réaction en chaîne. En revanche, des bâtons de sable ou du carton imbibé de nitro sont stables : sous cette forme, c’est de la dynamite. Il peut alors être transporté et même jeté au feu sans que ça n’explose. Pour le faire péter, il faut une onde de choc, telle qu’une étincelle. Ce procédé, breveté par Alfred Nobel, à la fin du 19e siècle, lui permis d’acquérir une immense fortune, dont les seuls intérêts suffisent encore aujourd’hui à distribuer les fameux prix Nobels.

L’oxygène liquide

L’oxygène est un comburant : il permet une combustion. Sa forme gazeuse pure est déjà suffisamment concentrée pour réactiver instantanément la flamme d’une allumette simplement incandescente. L’oxygène liquide est chimiquement 1 485 fois plus concentré et a donc un pouvoir oxydant plus important. Certains produits explosent à son contact, comme ce coton imbibé d’où l’on approche une flamme.
L’ozone, ou tri-oxygène, est encore plus corrosif que le dioxygène normal.

Le tri-iodure d’azote

trinitrure d’azote
Ce produit, sous sa forme solide, est des plus instables : un simple effleurement par une plume suffit à produire sa détonation. Sous sa forme dissoute dans l’eau il ne pose pas de problèmes, mais l’endroit où il sèche sera forcément l’endroit où il va exploser. Il est impossible de le transporter, car le moindre choc provoque son explosion : même une particule cosmique ou un bruit un peu fort peuvent déclencher l’explosion.

Le difluore

La plupart des produits chimiques sont conservés dans du verre car ce dernier est assez peu oxydable. Le difluor est un des gaz si corrosifs qu’il attaque le verre. Le fluor est ce qu’on appelle « électronégatif » ce qui signifie qu’il est en manque d’électron. Attaquer un matériau pour lui prendre un électron est sa façon de se stabiliser.

Le fluor attaque l’intégralité du tableau périodique à la seule exception des deux éléments les plus stables : l’hélium et le néon. Même le platine ou l’or ne sont épargnés.
Une des façons de le stocker est d’utiliser un récipient en nickel oxydé : la couche d’oxydation arrive à stopper la corrosion par le fluor.
N’importe quel matériau s’enflamme instantanément au contact de ce gaz : papier, coton, bois, acier.

On trouve du fluor dans le dentifrice ou le sel de table, mais il n’est pas pur. Car une fois que le fluor a trouvé un électron, il est stable et ne présente aucun danger. Dans le dentifrice, il oxyde les dents pour se fixer dessus, empêchant les bactéries de le faire et protégeant ainsi la dent.

L’eau régale

L’eau régale est le seul acide (sauf les superacides) capable de dissoudre l’or. C’est un mélange d’acide chlorhydrique de d’acide nitrique concentré. L’acide nitrique arrive à retirer un atome d’or, et l’acide chlorhydrique arrive à le prendre à l’acide nitrique, pour qu’il en retire un autre, et ainsi de suite.
Les deux acides pris de manière séparée n’arrivent pas à dissoudre l’or, ce qui est d’autant plus intéressant d’un point de vu chimique.

L’acide fluoroantimonique

l’acide fluoroantimonique
(source)

C’est le superacide le plus fort connu à ce jour. Il est dix mille million de milliard de fois plus puissant que l’acide sulfurique à 100 % ! L’étudier est assez difficile en raison de ça, vu qu’il dissout tout ce qui entre en contact avec lui. Il est par ailleurs très difficilement conservable, et seul le téflon peut s’en charger.

La thermite et la thermate

La thermite est un mélange d’aluminium et d’oxyde de fer tous les deux en poudre. Sa particularité est de générer une chaleur plus qu’intense atteignant les 2500°C. Cette vidéo le montre à l’œuvre en train de fondre à travers un bloc moteur, en quelques secondes. La thermate contient en plus du souffre par rapport à la thermite, qui augmente encore plus ses effets.

Le potassium solide

Le potassium, comme le sodium ou le césium et tous les éléments solides de la première colonne du tableau périodique réagissent violemment au contact de l’eau : ils s’enflamment et explosent, libérant de l’hydrogène qui va lui aussi exploser. Le produit qui reste est, dans ce cas, une solution d’hydroxyde de potassium : un agent très corrosif.

L’octonitrocubane

l’octanitrocubane
C’est une belle molécule en forme de cube avec à chaque coin un groupe nitro $NO_2$. Il s’agit de l’explosif non-nucléaire le plus puissant au monde, mais qui malgré cela est extrêmement résistante et stable : il peut être chauffé à 200 °C et percuté avec un marteau sans qu’elle explose. Sa synthèse est cependant difficile, et la production à grande échelle n’est pas encore possible.

Le trifluorure de chlore

Ce produit est corrosif, toxique (il dissout la chair et les os), explose au contact de l’eau, entre en ébullition exposé à l’air et brûle à plus de 2 400 °C. Il a été mis au point par les Nazis avant la seconde guerre mondiale, mais fut rapidement abandonné car trop dangereux et délicat à manipuler.
Il est tellement instable qu’il dissout le béton et réagit vivement si le récipient qui le contient n’est pas propre.

Le diazide de (5-azido-1H-tétrazol-1-yl)-carbamimidoyle

azoazide azide
Souvent, une molécule carbonée qui contient beaucoup d’atome d’azote est aussi un puissant explosif. C’est le cas de la nitroglycérine, ou de l’octonitrocubane vu ci-dessus. La présente molécule (azidoazide azide en anglais, et dont j’ai dû recréer le nom français avec un peu d’aide) contient quatorze atomes d’azote pour deux atomes de carbone, ce qui en fait l’un des explosifs les plus puissants au monde, mais contrairement à l’octonitrocubane et à l’instar du tri-iodure d’azote, il est très instable ! Il explose au chocs, au bruit, quand on allume la lumière, le place en solution et même… sans aucune raison particulière.

Le tétraazidométhane

tetraazidomethane
Prenez un atome de carbone et collez-lui 4 groupes d’azoture instable $\text{N}_3$ : vous avez formé du tétraazidométhane, la molécule organique avec la plus haute concentration en azote, et l’une des plus denses en énergie !
Il est dit qu’une seule goutte de ce produit peut faire péter le récipient qui le contient, en plus de la hotte de protection sous laquelle on le manipule.

Lien :

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici, avec ses commentaires)

image de Kingway School

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