La théorie des champs unifiés : Tout relier

Pendant des siècles, les chercheurs ont tenté de décrire toutes les forces fondamentales de la nature et leur interaction dans une théorie unique. Cette théorie des champs unifiés a laissé perplexe Albert Einstein, qui a travaillé sur cette théorie pendant de nombreuses années.

En physique, un champ est une zone sous l’influence d’une certaine force, comme la gravité ou l’électromagnétisme. Une théorie des champs se réfère généralement à la raison pour laquelle les phénomènes physiques se produisent, et comment ces phénomènes interagissent avec la nature.

Les quatre forces fondamentales sont :

• Interaction électromagnétique : L’électromagnétisme fait référence aux interactions qui affectent les particules chargées électriquement, notamment pour les types de lumière. La particule de cette force est appelée le photon.
• Interaction forte : C’est la force qui lie les neutrons (particules chargées neutres) et les protons (particules chargées positivement) en un noyau à l’intérieur de l’atome, qui est l’unité de base d’un élément chimique. La particule de cette force est le gluon.
• Interaction faible : Cette force est à l’origine de certains types de radioactivité, et est active sur les petites particules telles que les électrons, les quarks et les neutrinos. Les particules de cette force sont les bosons W et Z.
• Interaction gravitationnelle : La gravité est l’interaction attractive qui affecte tous les morceaux de l’univers, qu’ils soient grands ou petits. Bien qu’elle ne soit pas encore découverte, la particule théorique de cette force serait le graviton.

Les travaux d’Einstein

Le physicien écossais James Clerk Maxwell a créé la première théorie des champs au milieu du XIXe siècle, concernant l’électromagnétisme. Puis, au début des années 1900, Einstein a postulé sa théorie de la relativité générale, qui a trait à la théorie des champs de la gravitation.

Einstein a tenté de développer une théorie des champs unifiée dans les années 1920, mais il a été gêné parce que seules certaines des forces étaient connues à l’époque. Si l’électromagnétisme et la gravité étaient bien reconnus, les études sur l’atome n’en étaient qu’à leurs débuts ; à l’époque, l’électron et le proton étaient les seules particules subatomiques connues, selon l’American Physical Society.

Einstein (collaborant d’abord avec Jacob Grommer) s’est appuyé sur les travaux d’autres scientifiques, qui tentaient de rendre l’espace-temps en cinq dimensions. Plus précisément, les travaux d’Einstein sur l’espace-temps occuperaient quatre dimensions, et un ensemble supplémentaire d’équations (représentant les équations de Maxwell pour l’électromagnétisme) constituerait la cinquième. Les scientifiques qui ont travaillé sur ce problème comprennent Hermann Weyl, Theodor Kaluza et Oskar Klein.

Le premier article d’Einstein sur la théorie date de 1922, faisant écho à des travaux publiés par Kaluza en 1921. Plus tard dans sa carrière, selon l’APS, Einstein a également essayé une théorie unificatrice qui généraliserait le tenseur métrique (qui mesure la courbure de l’espace et du temps). Einstein a essayé les deux méthodes pendant les trois dernières décennies de sa vie, sans succès. Il a même demandé à ce que ses notes lui soient apportées la veille de sa mort, a indiqué l’APS.

Des approches plus récentes

Une des limites du travail d’Einstein a d’abord été son rejet, puis son ignorance de la théorie quantique (qu’il a reconnue au fil des années.) Mais même aujourd’hui, les scientifiques qui connaissent la théorie quantique ont également des difficultés à trouver une théorie unifiée.

Il existe de nombreuses approches envisagées, mais la plus prometteuse, selon l’APS, implique la théorie des cordes. Cette théorie « décrit toutes les particules élémentaires comme des cordes vibrantes, les différents modes de vibration produisant différentes particules. »

Dans les années 1980, des physiciens (dirigés par John Schwarz et Michael Green) ont conclu que la théorie des cordes pouvait fonctionner grâce à ses vibrations. De la même manière qu’un violon joue différentes notes, selon la théorie, les différentes vibrations des cordes de la nature créeraient différentes particules. Au milieu des années 1990, Edward Witten a proposé des théories plus exactes de la théorie des cordes, désormais appelées M-théorie. Son travail a étendu les dimensions de la théorie des cordes de six à sept, et montrant de nouveaux ingrédients de la théorie (y compris les branes, ou objets ressemblant à des membranes dans diverses dimensions.)

Les travaux dans ce domaine sont très émergents, mais les chercheurs tentent d’apprendre plus de propriétés physiques de la corde en étudiant les particules subatomiques produites dans les accélérateurs de particules, comme le Large Hadron Collider. Entre autres directions, les expériences du LHC visent à rechercher la supersymétrie, ou une propriété mathématique supposée où chaque espèce de particule aurait une espèce de particule partenaire.

Les physiciens préviennent qu’une faiblesse de la théorie des cordes est qu’elle n’a pas encore été confirmée par des données. Il existe également d’autres approches de la théorie unifiée des champs, comme la gravité quantique, qui tente de décrire la gravité dans les termes des mathématiques quantiques.