Physique existentielle.

 

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L'unification de la physique

 

Le but suprême de la physique est de trouver une théorie unique qui décrive l'univers dans son ensemble, c'est à dire qui unisse toutes les théories physiques.
Il faut savoir qu'il existe 4 forces et interactions fondamentales dans l'univers:

  1. La gravitation
  2. L'interaction faible (régissent certains processus intranucléaires comme la désintégration beta)
  3. L'interaction forte (cohésion des protons et des neutrons au sein du noyau atomique)
  4. L'électromagnétisme (est à l'origine des liaisons entre le noyau et les électrons)


Les trois dernières forces sont unies en mécanique quantique et la gravitation est utilisée par la relativité générale...en d'autres termes, une théorie qui unifie la physique serait une théorie qui unifie la mécanique quantique et la relativité générale...le seul problème est que la relativité est une théorie "classique" ,c'est à dire qu'elle ne contient pas le principe d'incertitude qui existe en mécanique quantique. Pour unir la relativité générale et la mécanique quantique, il faudrait d'abord unir la relativité générale et le principe d'incertitude.

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. Aujourd'hui, les scientifiques tentent de combiner les quatre types d'interactions à l'aide de théories dites de supersymétrie. Mais le problème s'avère très ardu, les physiciens ne parvenant pas à englober l'interaction gravitationnelle dans leur théorie unificatrice.
Cependant, une nouvelle théorie semblerait être capable de résoudre ces problèmes...il s'agit de la théorie des cordes...

La théorie des cordes

 


Il existe un grand nombre de théories des cordes. Elles reposent toutes sur l'idée de ne pas considérer les entités élémentaires de la physique comme des particules ponctuelles (de dimension 0) mais des cordes qui formeraient des boucles d'une taille finie, de l'ordre de la longueur de Planck.Ces cordes vibreraient comme des cordes de violon, et des différents modes de vibration donneraient naissance aus spins 0,h/(2Pi),2h/(2Pi),... et aussi dans les versions supersymétriques aux spins 0, h/(4Pi),3h/(4Pi),...La physique changerait de nouveau son paradigme, avec des entités élémentaires qui ne seraient plus des particules ponctuelles mais des cordes minuscules. La théorie mathématique utilisée est la théorie des surfaces de Riemann à deux dimensions, les quatre dimensions de l'espace et du temps n'émergeant que comme concepts secondaires. Une théorie des cordes devrait satisfaire un certain nombre de conditions physiques:
  • Tous les objets du modèle standard, aussi bien les particules sources (les quarks et les leptons) que les messagers (comme les gluons, les photons, les W+ - et Z^0 (bosons)), ou que les Higgs devraient rentrer dans ce cadre.
  • Ce devrait être une théorie géométrique, puisqu'il lui faut englober la théorie d'Einstein de la gravitation.
  • Elle devrait décrire la gravité sans aucun infini.
Remplir ces trois conditions tiendrait du miracle, mais ce miracle semble bien être en train de se produire, tout au moins dans un espace-temps à dix dimensions où une théorie unique des supercordes semble s'être fait jour, à la suite des travaux de Green et Scwartz, en automne 1984.
L'espace-temps qui émerge de cette théorie des cordes unique a,comme nous l'avons dit, dix dimensions. Il faudrait une "compactification" de six dimensions pour retomber dans un espace-temps réaliste. Et il restera encore à descendre de la masse de Planck jusqu'aux particules W et Z, soit environ 10² fois la masse du proton. Malheureusement, l'unicité qui rendait la théorie des cordes si attachante à dix dimensions ne semble pas survivre au retour à quatre dimensions:un million de théories au moins semblent aussi viables les unes que les autres. C'est un obstacle théorique que les cordes doivent maintenant affronter (sans parler du problème expérimental que pose la construction d'un accélérateur particulaire capable d'atteindre l'énergie de Planck (il devrait être long de dix années lumières). Les cordes pourraient-elles fournir la Théorie du Tout (TDT) qui engloberait toutes les particules sources connues, les quarks, les leptons, les messagers connus et les Higgs plus toutes leurs intéractions mutuelles?
Deux types de cordes sont envisageables: ouvertes ou fermées.



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Essayons d'approcher cette théorie par un exemple simple:

 

Imaginez une corde de guitare qui a été accordée en augmentant la tension de la corde. Selon la façon dont on pince la corde et selon la tension de celle-ci, des notes différentes seront crées par la corde. On pourrait dire que ces notes sont des modes d'excitation de la corde de guitare...
D'une façon similaire, dans la théorie des cordes, les particules élémentaires que nous observons dans les accélérateurs particulaires peuvent être comparées à des "notes de musique" ou à des modes d'excitation de cordes élémentaires.
Dans la théorie des cordes ,comme pour la pratique de la guitare, la corde doit être étirée pour qu'elle devienne ensuite excitée. Cependant, les cordes dans la théorie des cordes flottent dans l'espace-temps ,et ne sont pas attachées à une guitare. Mais elles ont tout de même une tension. La tension d'une corde dans la théorie des cordes est donnée par la quantitée 1/(2 p a'),où a représente le carré de la longueur de la corde.

 


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 bidimensionelle (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.

Les physiciens mathématiciens sont cependant 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 supercordres constituent donc le meilleur espoir de pouvoir développer un jour une "théorie du tout" fondamentale.

 


Physicien et mathématicien né en 1951 et enseignant à l'université de Princeton, Edward Witten est considéré comme un des plus éminents spécialistes de la physique théorique. En 1990, il a reçu la médaille Fields, l'équivalent du prix Nobel pour les mathématiques, pour ses modélisations de la théorie des cordes

Sa théorie représente les particules élémentaires de la physique par des cordes extrêmement petites (100 milliards de milliards de fois plus petites qu'un noyau d'hydrogène) évoluant dans un espace étrange à 10 ou 26 dimensions, pouvant vibrer à différentes fréquences ou "résonances". Pour décrire les mouvements vibratoires d'une corde, il faut représenter un espace avec un grand nombre de dimensions. La topologie (science de l'"étude des lieux" et qui est une sorte de "géométrie de situation") joue ici un rôle majeur car elle permet d'imaginer comment, à l'intérieur de ces cordes, on peut voyager dans des mondes aux dimensions différentes.

L'intérêt de la théorie des cordes pour les théoriciens de la physique est qu'elle surmonte et par là même unifie les deux grandes théories de la physique moderne, celle de la relativité générale et celle de la mécanique quantique. Elle modifie notre compréhension de l'espace-temps et notamment envisage ses autres aménagements possibles.

 

Peut-il y avoir réellement une théorie unique?

En fait, il semble qu'il y ait 3 possibilités:
  • 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.
  • 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 tous laisse penser qu'une théorie universelle existe.
  • 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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