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Unification de la physique

bullet Introduction
bullet Tentatives d'unification
bullet La théorie des cordes
bullet Peut-il y avoir une théorie unifiée?
bullet Paradoxe fondamental


Introduction
L'ultime but de la science est de fournir une théorie unique qui décrive l'univers dans son ensemble. Cette théorie serait l'aboutissement de l'unification de la mécanique quantique (décrivant des phénomènes à une échelles extrêmement réduite) et la relativité générale (décrivant la force de gravité et la structure à grande échelle de l'univers).
A ce jour, les scientifiques décrivent l'univers grâce à ces 2 théories partielles de base. Ces théories sont suffisantes pour faire des prédictions exactes dans toutes les situations mais pas dans les cas les plus extrêmes.

Il est clair qu'Einstein à fait connaître à la physique moderne un bond énorme. La théorie de la relativité générale a supplanté la théorie de Newtonienne de la gravitation et passé avec succès tous les test expérimentaux et observationnels.
Pourtant, cette théorie reste apparemment inconciliable avec la physique quantique (à savoir un ensemble de lois découvertes il y a 70 ans et auxquelles la nature obéit elle aussi rigoureusement.

L'intérêt certain que portent les scientifiques au trous noir n'est pas dénué de sens. En effet, ces objets extrêmement massifs (obéissant à priori à la théorie de la relativité) sont confinés dans des espaces infiniment petits (obéissant à la mécanique quantique). On retrouve donc dans l'étude des trous noir le probable chaînon manquant de la physique moderne.

Rappelons les 4 forces/interactions fondamentales:
bulletl'électromagnétisme  (s'exerce entre particules chargées)
bulletl'interaction faible     (responsable de certaines désintégration nucléaire)
bulletl'interaction forte      (permet la cohésion des particules à l'intérieur des noyaux atomiques)
bulletla gravitation             (attraction mutuelle entre les corps matériels)

Les 3 premières forces peuvent être combiné dans ce que l'on appelle les théories de la grande unification.
Il n'existe pas de "version quantique" de la gravitation. Cette dernière contient un certain nombre de quantités, comme les masses relatives de différentes particules, qui ne peuvent être prédites par la théories mais qui doivent être choisies pour cadrer avec les observations.
La principale difficulté pour trouver une théorie unifiant la gravitation et les autres forces est que la relativité générale est une théorie "classique", c'est à dire qu'elle ne contient pas de principe d'incertitude comparable à celui existant en mécanique quantique. Le premier objectif conduisant à une unification de la physique sera donc de combiner la relativité générale avec le principe d'incertitude. Celui ci énonce que, plus l'échelle d'observation est petite, plus les fluctuations des champs, y compris le champs de gravitation, sont grandes. Ainsi, aux échelle microscopiques, la violence des fluctuations du monde quantique invalide l'hypothèse de la relativité puisque la géométrie de l'espace n'est plus conforme à une courbure douce!

Tentatives d'unification
Albert Einstein fut le premier physicien à tenter d'élaborer une théorie unificatrice dans les années 1910. Ses travaux sur la relativité lui faisant présumer l'existence d'une théorie commune pour les forces électromagnétiques et gravitationnelles, il essaya en vain, durant les trente dernières années de sa vie, de concevoir un modèle où forces et particules seraient représentées uniquement par des champs, les particules n'étant rien d'autre que des zones du champ où les valeurs d'intensité seraient particulièrement élevées. Mais l'avènement de la théorie quantique et la découverte de nouvelles particules sonnèrent l'échec d'Einstein, qui ne pouvait réussir dans sa tâche en s'aidant uniquement des lois de la relativité et de la physique classique.
Cette quête fut relancée dans les années 1960 sous l'impulsion des physiciens américains Steven Weinberg et Sheldon Glashow, et du physicien pakistanais Abdus Salam. Ces trois chercheurs parvinrent à unifier l'interaction nucléaire faible et l'interaction électromagnétique en faisant appel à des symétries internes, symétries portant sur les propriétés intrinsèques des particules (charge, spin, etc.) et non sur leurs positions spatio-temporelles. Selon cette théorie connue sous le nom de théorie électrofaible, les photons, responsables des interactions électromagnétiques, appartiendraient à la même famille que les bosons intermédiaires W et Z, qui gouvernent les interactions faibles.
En 1976, apparut le nom de supergravité. Elle se base sur la supersymétrie (1974) associant à chaque particule de matières (fermions: spin 1/2 et 3/2), une particule support de forces (bosons: spin entier: 0,1 et 2) et réciproquement. La supergravité combine une particule de masse nulle et de spin 2, le graviton à d'autres particules de spins 3/2, 1, 1/2 et 0. Toutes ces particules pouvant être considérées comme faisant partie d'une "superparticule".
Aujourd'hui, les scientifiques tentent de combiner les quatre types d'interactions à l'aide de théories de supersymétrie et de supergravité mais le problème s'avère très ardu, les physiciens ne parvenant pas à englober l'interaction gravitationnelle dans leur théorie unificatrice. Pourtant, après des décennies d'échecs, la théorie des cordes semble ouvrir de nouveaux horizons...  

Théorie des cordes
Il plusieurs théories des cordes, dont 5 sortent du lot. Elles reposent toutes sur l'idée de ne pas considérer les objets fondamentaux de la physique comme des particules ponctuelles (de dimension 0) mais des entités de dimension 1, dotées d'une longueur très petite. Les différentes particules que nous connaissons apparaîtraient alors comme différents modes de vibration d'une corde (de la même façon que chaque mode vibration d'une corde de guitare correspond à une note). La multiplicité des théories pose la question : une des théorie est elle plus exacte que les autres? La réponse fut apporté grâce au travaux de plusieurs équipes dont notamment de E. Witten. En fait chacune des théories est un cas particulier d'une théorie plus générale utilisant la supersymétrie.

Les théories des cordes semblent cependant n'être valables que si l'espace temps possède 10 ou 26 dimensions au lieu de nos 4 habituelles! Si elles existent pourquoi n'en voyons nous que 3 d'espaces et une de temps? En fait, on suppose que les autres dimensions sont courbes dans un espace de très petite taille.
On imagine alors que dans un univers primitif toutes les dimensions étaient sous cette forme et que certaines dimensions (celles que nous connaissons) se sont ouvertes.
L'idée d'un nombre de dimensions supérieur à 4 n'est pas nouvelle et prend sa source dans l'hypothèse émise par un mathématicien germano-polonais en 1919, Théodor Kaluza. Ce dernier énonçait une théorie qui, à première vue, unifiait avec élégance l'électromagnétisme et la gravitation, en considérant notre univers comme ayant 5 dimensions. Cette théorie fut améliorée par Oskar Klein, un physicien suédois, en 1926, il estima notamment la taille de la 5e dimension comme étant de l'ordre de 10e-35m. Vers 1930, la théorie Kaluza-Klein tomba dans l'oubli ou plutôt s'effaça devant la déferlante de la mécanique quantique.

Deux types de cordes sont envisageables: ouvertes et fermées. Une corde typique serait si petite qu'il faudrait en mettre 10e20 bout à bout pour atteindre le diamètre d'un simple proton. Il n'existe sur Terre aucun moyen de tester en laboratoire de façon expérimentale la structure de la matière à cette échelle, il faudrait pour cela un accélérateur de particules plus grand que la Terre elle-même.
Alors que le chemin d'une particule normale dans l'espace temps est une ligne (ligne d'univers), le chemin d'une corde sera une surface bi-dimensionelle (feuille d'univers), une bande ou un cylindre selon le type de corde.
Deux morceaux de cordes peuvent s'ajouter pour former une seule corde. De même, un morceau de corde peut se diviser en 2 cordes. Ainsi, l'émission ou l'absorption d'une particule par une autre peut se traduire en terme de "cordes" par la division ou la jonction de cordes.
Ainsi, dans un modèle proposé en 1988, la lumière, décrite par des cordes ouvertes, peut se propager dans les trois dimensions qui nous sont familières, alors que la gravitation, représentée par des cordes fermées, peut se propager dans les dimensions parallèles envisagées par la théorie des cordes.

Les physiciens mathématiciens sont très intéressés par les implications de la théorie des cordes : tout en fournissant une explication du comportement connu de particules comme les électrons et les protons, elle donne une description de la gravitation en termes de comportement de cordes vibrantes ayant la forme de boucles. De nombreux physiciens estiment que les supercordes constituent donc le meilleur espoir de pouvoir développer un jour une "théorie du tout" fondamentale.
 

Peut-il y avoir réellement une théorie unique?
En fait, il semble qu'il y ait 3 possibilités:

1- Il n'y a pas de théorie de l'univers, les événements ne peuvent être prédits au delà d'un certain point et arrivent au hasard et de manière arbitraire.
Cette version est  défendue par certains affirmant que si  un ensemble de lois décrivaient le fonctionnement de l'univers, cela enfreindrait la liberté de Dieu, fut effacé en redéfinissant le but de la physique c'est à dire: de formuler un ensemble de lois capables de prédire les événements seulement dans les limites du principe d'incertitude.
2- Il n'y a pas de théorie ultime de l'univers, juste une suite infinies de théories partielles qui décrivent l'univers plus ou moins précisément.
Cependant il semble vraiment que la séquence de théories de plus en plus raffinées doivent connaître quelques limites dans le futur. En effet, la gravité parait fournir une limites à cette séquence de "poupées russes". Si l'on avait une particule avec une énergie supérieure à l'énergie de Planck (10e10 GeV), sa masse se retrancherait elle même du reste de l'univers et formerait un trou noir. Bien sur, l'énergie de Planck représente un long chemin à partir des énergies obtenues actuellement avec nos accélérateurs (~100 GeV), mais tout laisse penser qu'une théorie universelle existe.
3- Il y a bien une théorie unifiée.
 
Paradoxe fondamental de la théorie de l'unification
Les notions relatives aux théories scientifiques supposent que nous sommes des êtres rationnels, libre d'observer l'univers comme nous le voulons et de tirer des conclusions logiques à partir de ce que nous voyons. Donc, si une théorie complètement unifiée existe elle est vraisemblablement capable de déterminer nos actions. Ainsi, la théorie elle même devrait déterminer l'aboutissement de notre recherche la concernant!
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