Théorie du Tout

Théorie du tout

Théorie du tout
Le nom de théorie du tout désigne une théorie physique susceptible de décrire de manière cohérente et unifiée l'ensemble des interactions fondamentales. Une telle théorie n'a pas été découverte à l'heure actuelle, principalement en raison de l'impossibilité de trouver une description de la gravitation qui soit compatible avec la mécanique quantique, qui est le cadre théorique utilisé pour la description des trois autres interactions connues (électromagnétisme, interaction faible et interaction forte).

L'unification théorique des quatre forces fondamentales régissant la physique dans son ensemble porte aussi le nom de superforce.

 

CMS Higgs-eventUn évènement simulé dans le détecteur de particule du LHC du CERN

 

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L'interaction électromagnétique

Dans la deuxième moitié du xixe siècle, James Clerk Maxwell aborda et proposa finalement en 1873 le cadre unifié permettant de décrire les phénomènes électriques et magnétiques : l'électromagnétisme. Il s'agit d'une synthèse des travaux d'optique ondulatoire de Fresnel (1821) et d'Œrsted, Ampère et Faraday (1820) découlant de la théorie de Coulomb (1785)2. En 1931, Dirac prédit l'existence de monopôles magnétiques sans lesquels la symétrie entre le magnétisme et l'électricité est incomplète.

L'interaction électrofaible

Au début du xxe siècle, la découverte de la mécanique quantique permit de proposer une description microscopique cohérente d'à peu près tous les phénomènes décrits par la physique statistique. Après la découverte de l'interaction faible et de l'interaction forte, de nombreuses tentatives furent faites pour en proposer une description unifiée avec la version quantique de l'électromagnétisme, l'électrodynamique quantique. Partant de la théorie de Weinberg, Salam et Glashow décrite en 1967, le projet fut partiellement achevé en 1974 par Howard Georgi avec la découverte de l'interaction électrofaible, unifiant électrodynamique quantique et interaction faible.

La convergence de l'interaction faible et électromagnétique est estimée à des énergies proches de 103 GeV et une température de 1016 kelvins6. Le consensus actuel est que la théorie électrofaible a été testée avec succès. Néanmoins, la mise en évidence expérimentale du boson de Higgs, de masse estimée à 150 GeV/c2, demeure essentielle pour le valider. Or, le boson de Higgs a été probablement découvert en juillet 2012 autour d'une masse de 126 GeV/c2 grâce au Large Hadron Collider7.

En 2007, Antony Garrett Lisi publie une Théorie du tout exceptionnellement simple en réunissant l'interaction électrofaible et la gravité pour formuler une force électronucléaire.

L'interaction forte
Traditionnellement, on parle de théorie de Grande Unification pour synthétiser l'interaction électrofaible et forte. Les constantes de couplage des interactions électrofaible et nucléaire forte semblent converger vers la même valeur à des énergies voisines de 1015 GeV et une température de 1028 kelvins. La théorie de la grande unification (GUT, pour Grand Unified Theory) prédit qu'un proton a une durée de vie limitée : sa probabilité de se désintégrer pendant une année d'observation est estimée à 10-329.

Dans la gravité quantique qui s'exerce au niveau des atomes, la force gravitationnelle entre un électron et un proton est 1040 fois plus faible que la force électromagnétique qui s'exerce entre deux particules : une particule atteignant la masse de Planck d'environ 20 microgrammes10 avec un rayon ayant la longueur de Planck de 10-33 cm serait ainsi la plus petite longueur ayant un sens physique.

Supergravité
Les théoriciens de la théorie du tout estiment que les intensités caractéristiques des quatre interactions fondamentales doivent se rejoindre à une énergie voisine de 1019 GeV, ce qui correspond à des distances de l'ordre de 10-23 cm et une température de 1032 kelvins12. Cette superforce gravitationnelle serait liée aux particules élémentaires telles que le graviton et le tachyon.

En 1997, Juan Maldacena a démontré qu'une théorie particulière de la gravitation contient la même information qu'une théorie qui prenait en compte les autres types de forces mais sans la gravitation.

 

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Problématique
Le problème principal est l'unification de la mécanique quantique et la théorie de la relativité générale, qui décrivent respectivement les phénomènes au niveau microscopique et au niveau macroscopique. Le terme gravité quantique décrit les théories qui réunissent ces deux théories. Mais pour être une théorie complète, la théorie du tout doit, en plus, inclure la description complète des quatre autres interactions élémentaires.

Deux propriétés fondamentales n'ont toujours pas été démontrées mathématiquement dans le cas des interactions fortes:

d'une part l’existence d'une théorie quantique des champs cohérente (chromodynamique quantique, fondée sur une théorie de Yang-Mills de la couleur) ;
d'autre part l'existence d'un gap de masse qui ne permet l'observation des gluons, particules élémentaires de la théorie quantique associée à la théorie de Yang-Mills, que sous forme de combinaisons massives appelées boule de glu (glueball en anglais). Ce problème non résolu est intimement lié à celui du confinement de couleur qui affirme que seuls sont observables les états quantiques de charge de couleur nulle. La difficulté principale de ces deux problèmes est liée au caractère hautement non linéaire de la théorie.
La résolution de ces deux points constitue l'un des problèmes du prix du millénaire.

La théorie de la gravitation quantique à boucles est une théorie candidate concernant la gravité quantique mais elle n'est pas une théorie du tout car elle ne prend pas en compte les autres interactions. La théorie des cordes est une autre candidate, car elle décrit, avec les mêmes équations, les quatre interactions élémentaires, mais elle réunit assez mal les théories de la mécanique quantique et la relativité générale et n'est donc pas une théorie du tout.

Le modèle standard décrit correctement la physique microscopique observée en laboratoire mais n'incorpore pas la gravitation d'une part et, par ailleurs, dans la mesure où son existence serait confirmée, on sait qu'il ne serait pas complet même au niveau microscopique car il ne dévoilerait pas la matière sombre qui constituerait une majorité de la matière présente dans l'univers.

La principale tentative de théorie du tout actuellement développée est la théorie des supercordes.

Le premier pas vers une théorie du tout a été effectuée par l'astrophysicien anglais Stephen Hawking qui a montré qu'au niveau quantique, une particule peut s'échapper par effet tunnel d'un trou noir (singularité de distorsion de l'espace-temps, prédite par la théorie de la relativité générale).

Entreprise dès la fin des années 1970, la recherche des hypothétiques sparticules est une préoccupation majeure de la physique des particules. Les physiciens comptent sur le collisionneur LHC du CERN qui peut explorer l'échelle d'énergie du téraélectrovolt (1000 GeV).

 

Controverses et critique du nom
Stanislas Lem inventa l'expression « théorie du tout » pour se moquer des théories d'un savant farfelu apparaissant dans plusieurs de ses romans4. À l'origine, l'expression « théorie du tout » est donc ironique, désignant une théorie qui semble exagérément généralisée. À cet égard, l'emploi de la majuscule (même s'il vient de l'anglais, langue employant généreusement les majuscules) est une manière d'insister encore sur cet effet. Dans sa parodie d'article de philosophie des sciences, Alan Sokal fustige l'orgueil des physiciens qui disent écrire une théorie du tout. Ironie du second ordre, puisque Sokal sait que le nom n'est pas celui donné par les découvreurs de la théorie mais une moquerie à leur égard, comme le fut l'expression « Big Bang ».

Le nom de théorie du tout est quelque peu trompeur, car la connaissance d'une telle théorie (si elle existe) a peu de chances d'être susceptible d'apporter des éclairages nouveaux sur un problème de physique à partir du moment où celui-ci n'est pas directement lié à la structure des interactions fondamentales. Néanmoins, il est possible d'extrapoler le fait qu'elle est à la base de toutes les interactions énergétiques entre les atomes et qu'elle peut, jusqu'à un certain point, représenter, d'une manière probablement très complexe, une grande majorité d'interactions à un niveau d'énergie beaucoup plus faible que celui prédit par la théorie. En considérant que la théorie du tout serait une extrapolation de l'unification des forces électromagnétique et faible, et que l'électromagnétisme est la force qui gouverne le monde électronique, c'est-à-dire, la grande majorité des interactions moléculaires.

John Ellis fut le premier à introduire l'appellation Théorie du tout dans la littérature technique en 1986 dans la revue scientifique Nature.

Date de dernière mise à jour : 07/08/2015

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