Au fil des ans, les penseurs, d'Isaak Newton à Albert Einstein et maintenant de Stephen Hawking à Ervin Laszlo, ont passé la majeure partie de leur vie à tenter de découvrir le fonctionnement de l'univers et ils ont tous proposé des théories fascinantes que ce soit à travers le macrocosme ou l'infiniment petit.
Nous avons vu dans l'article sur la physique quantique que l'Univers scientifique était scindé en 2 avec d'un côté les lois régissant le macroscopique avec la physique traditionnelle et d'un autre côté les lois régissant le microscopique issues de la physique Quantique. Le Saint Graal de la physique contemporaine est d'unifier ces deux physiques vers une théorie du Tout qui pourrait expliquer l'ensemble des phénomènes de notre Univers. Cette théorie de grande unification passerait par une réduction du nombre de particules et une réduction du nombre d'interaction à l'unité.
Les découvertes scientifiques actuelles ont permis de mettre en évidence que tous les phénomènes physiques et observables de l'Univers sont régis par 4 forces fondamentales : la Gravitation, l'Electromagnétisme, l'Interaction Faible et l'Interaction Forte.
L'hypothèse de base est qu'aux premiers instants de l'Univers, ces quatre forces n'en faisaient qu'une. Suite au Bigbang, l'Univers a vu toute son énergie se déployer en subissant un refroidissement global, et sa force première s'est brisée en quatre.
4 Forces qui ne seraient donc que les facettes d'une seule et même Superforce.
Cette "théorie du Tout" répondrait alors à ce grand rêve de physiciens qui est d'englober un jour toutes les lois connues de l'Univers.
Je vous propose de découvrir les différentes étapes de cette unification des forces, pour voir se dessiner avec émerveillement la naissance de notre Univers avec le Big Bang...
1- Le Big Bang
2- Les particules subatomiques
1- La force de gravitation
2- La force électromagnétique
3- La force nucléaire forte
4- La force nucléaire faible
C- Théorie de l'unification des forces
1- L'interaction électrofaible
2- La grande unification
3- La théorie du Tout
a- La supersymétrie
b- La théorie des supercordes
c- Un univers multidimensionnel
d- La théorie M
e- D'autres théories
Avant toute chose je tenais à rappeler ou préciser un point important... le Big Bang.
La notion de Big Bang est encore une théorie non démontrée, dire alors que l'Univers a été créé par Dieu ou par le Big Bang est tout aussi crédible puisqu'en fin de compte nous n'en avons aucune idée, ce n'est qu'une question de vocabulaire.
Mais restons dans un cadre scientifique... qu'est-ce que le Big Bang ?
On a tendance à décrire le Big Bang comme une explosion à partir d'un point précis... ce qui signifierait qu'il y aurait un centre à notre Univers, le point de départ de toute création.... seulement voilà, ce n'est vraisemblablement pas ce qui s'est passé.
Lorsque notre Univers s'est formé il y a 13,8 milliards d'années il n'était constitué que de rayonnement dans un état dense et chaud. On sait aujourd'hui décrire l'histoire cosmique en commençant environ à 10-35 secondes après son commencement, un intervalle si court qu'il est difficilement concevable.
Avant cet état, on ne sait rien, on ne sait pas remonter plus loin faute de lumière. On ne peut pas se poser la question de Qui l'a causé puisqu'à priori le Temps apparaît avec le Big Bang, la notion classique de Cause à Effet ne s'applique donc pas. On ne peut pas non plus préjuger de l'existence d'un « instant initial » ou d'un commencement du Tout, il s'agirait là de spéculations sans fondement.
Mais s'il existe effectivement une interaction unique, une Superforce à très haute énergie, synthèse des 4 forces observées à notre niveau d'énergie, alors cela signifie que cette interaction était celle qui existait au moment du Big-Bang... et dans ce cas-là, on pourrait apporter des éléments de réponse à une des questions les plus mystérieuses : "D'où vient notre Univers et qu'est-ce qu'il y avait avant ?".
Le modèle cosmologique du Big Bang a été initialement proposé en 1927 par Georges Lemaître pour décrire l'origine et l'évolution de l'Univers. Il a été mis en évidence en 1929 par Edwin Hubble (qui a donné son nom en 1990 au télescope spatial en charge d'observer l'expansion de l'univers, les trous noirs, la matière noire et l'énergie sombre). A cette époque les physiciens comprirent que, la gravité étant toujours attractive et sa portée infinie, le cosmos ne peut donc pas être statique (il semble que Newton lui-même était conscient de ce "problème" qui fut "oublié" ensuite pendant près de 350 ans). Hubble constata que les galaxies nous fuient d'autant plus vite qu'elles sont lointaines (la vitesse de fuite est donnée par la formule : v=Hd ou d est la distance et H la constante de Hubble de 23km/s par million d'année-lumière). La particularité de cette observation c'est qu'un observateur posté sur n'importe quelle galaxie a toujours l'impression que les autres le fuient, chaque galaxie s'éloigne de toutes les autres.
J'aime bien la métaphore du gâteau aux raisins pour illustrer l'expansion de l'Univers :
Imaginez ce qui se passe pendant la cuisson d'un gâteau aux raisins : pendant qu'il gonfle dans le four, la distance entre deux raisins quelconques augmente. Si nous considérons un raisin donné nous voyons que tous les autres s'éloignent de lui, d'autant plus vite qu'ils en sont éloignés. Le raisin choisi n'a rien de spécial : on trouverait le même résultat en considérant n'importe lequel, puisque tous les raisins s'éloignent les uns des autres. De la même façon, l'Univers est en expansion, emportant avec lui les galaxies qu'il contient. Si nous remontons le cours du temps, nous voyons les galaxies se rapprocher les unes des autres et le cosmos devenir de plus en plus dense et plus chaud.
L'une des lois cosmiques est "tout ce qui est en haut est comme ce qui est en bas". On retrouve l'expansion de l'Univers dans un simple gâteau aux raisins, c'est magnifique non ? ... ;-)
Le terme Big Bang signifie "Grand Boum". Il s'agit d'une expression inventée par Fred Hoyle pour se moquer de cette théorie à laquelle il ne croyait pas car fervent défenseur de la théorie de l'Univers stationnaire... il ne se doutait sans doute pas à l'époque que ce nom aurait autant de succès. C'est aussi ce qui a induit des erreurs de vulgarisation car un Grand Boum fait forcément penser à une explosion. Seulement voilà, pour qu'il y ait explosion il faudrait que cela soit causé par un gradient de pression avec un point de départ dans un espace défini, les constituants se répandraient alors dans cet espace grâce à la vitesse communiquée par l'explosion ; le Big Bang ce n'est pas ça, c'est un espace totalement rempli à la base (il n'y a pas un "autour" vide) qui s'étire et écarte ainsi les différents composants qu'il contient. Il s'agit donc d'une expansion, une dilatation rapide, non localisée.
Il est inutile de chercher le point d'origine de l'Univers, celui-ci n'a pas grandi autour de ce point, mais c'est le point lui-même qui s'est dilaté et qui englobe aujourd'hui tout l'espace, le temps et la matière. C'est ce qu'on appelle aussi une singularité. Il faut donc comprendre que le Big Bang ne s'est pas fait en un point précis de l'espace, mais partout à la fois. Pour aller un peu plus loin on peut considérer que n'importe quel point de l'univers est fixe, et que c'est le reste de l'univers qui se déplace par rapport à lui. La relativité restreinte nous dit que nous sommes tous au centre de l'Univers. Dans ce cas, n'importe qui peut considérer qu'il se trouve fixe par rapport à la singularité initiale, et que l'Univers se meut par rapport à lui.
Remontons donc l'histoire du temps à travers les 4 forces fondamentales.
2- Les particules subatomiques
Une particule subatomique est un composant de la matière de taille inférieure à un atome. Nous avons vu précédemment qu'un atome était constitué d'électrons ainsi que de protons et de neutrons constituées elles-mêmes de quarks. Mais il ne s'agit pas des seules particules connues...
Pour faire simple on classe les particules élémentaires en deux grandes familles : les fermions et les bosons. Les fermions sont les particules à spin entier, composants de la matière : électron, muon, neutrinos, quarks, tauon.
Les bosons, quant à elles, représentent une classe de particules qui possède des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de particule.
Il existe actuellement, selon le modèle standard 12 particules élémentaires répertoriées composant la matière qui font partie des fermions. Chaque particule de la nature possédant une antiparticule de masse identique et de charge électrique opposée, cela porte en tout à 24 le nombre réel de particules élémentaires de matière.
Les bosons sont les messagères des interactions des 4 forces fondamentales :
- le photon est le vecteur de l'interaction électromagnétique
- les huit gluons de l'interaction forte
- les bosons Z0, W- et W+ de l'interaction faible
Dans ce cadre quantique, la gravitation doit être transportée elle aussi par des quanta associés au champ gravitationnel, de la même manière que les ondes électromagnétiques sont associées aux photons. Ces quanta ont été baptisés gravitons mais restent à l'heure actuelle hypothétiques... il y a certainement ici un prix Nobel à la clé.
L'important est de constater qu'il existe une symétrie, entre les membres de la famille quarks et leurs cousins leptons. Ils se divisent chacun en trois générations successives de manière profonde qui se correspondent depuis les débuts de l'Univers.
Les quarks "haut" (ou u pour "up") et "bas" (ou d pour "down") communiquent avec l'électron et son neutrino et expliquent toute la matière ordinaire, les 92 "corps purs" des chimistes et même les éléments radioactifs qui sont pourtant instables.
La théorie d'unification consiste aussi à simplifier le nombre de ces particules, de là est apparu le boson de Higgs, la supersymétrie ainsi que la théorie des cordes et des supercordes que nous verrons par la suite.
Avec les douze particules de base et leurs antiparticules, la description de l'Univers est complète. Cependant, il reste à définir les quatre forces d'interactions fondamentales qui agissent dans la nature : c'est par elles que la matière peut se transformer et évoluer sous nos yeux.
Lorsque j'étais enfant on m'a appris que la Terre était ronde et qu'elle tournait dans le vide... ce qui m'a paru illogique car cela signifierait qu'inéluctablement nous devrions tomber dans le vide, comme les Chinois, qui sont de l'autre côté, ils devraient tomber "en-bas"... ce n'était pas le cas à priori !
Nous sommes tellement habitués à identifier le bas comme étant "là où les objets tombent" qu'on en oublie qu'il ne s'agit que d'un référentiel, d'une convention. A l'échelle de l'Univers il n'y a pas de haut ou de bas, de droite ou de gauche (de bien ou de mal... mais là j'extrapole un peu lol).
Il y a donc une force invisible qui nous plaque les pieds sur le sol, cette force s'appelle la gravitation. C'est la même force qui fait tourner la Lune autour de la Terre, la Terre autour du Soleil, le Soleil autour du centre de notre galaxie, notre galaxie... ... tout est en mouvement je ne le répèterais jamais assez.
Découverte au XVIIème siècle par Isaac Newton, cette force attractive est la première des quatre forces à avoir été découverte, elle agit sur toutes les masses. C'est en fait la plus faible des quatre forces mais c'est aussi celle qui a la plus grande portée puisqu'elle agit sur l'ensemble de l'Univers, et est considérée comme la colle du cosmos. Elle contrôle un vaste panel de phénomènes, de la chute d'une feuille au mouvement des marées, en passant par l'expansion de l'Univers.
L'intensité de cette force va dépendre de la masse des objets en interaction et varie comme l'inverse du carré de la distance. Ces objets peuvent être deux astres ou le couple pomme / Terre. Evidemment, dans ce dernier cas, la Terre attirera beaucoup plus fortement la pomme que l'inverse, mais en réalité, la pomme attire également la Terre. Cette énorme différence de masse rend bien sûr négligeable (mais non nul) l'action de la pomme sur la Terre.
A l'échelle atomique, l'influence de la gravitation est négligeable car les particules sont très peu massives. En fait, cette force est cumulative, c'est-à-dire que c'est la somme gigantesque de la gravitation de toutes les particules qui va engendrer la force gravitationnelle sensible à notre échelle. Cela n'est possible que parce que la gravitation ne marche que dans un sens, elle attire et ne repousse pas, cette force ne peut donc que s'additionner contrairement à l'interaction électromagnétique.
Tout se passe comme si la masse des objets était concentrée en leur point central, appelé le centre de gravité, mais la théorie de Newton n'explique pas pourquoi la gravitation existe. La théorie d'Einstein de la relativité générale ne considère pas la gravitation comme une force mais comme la manifestation de la déformation de la géométrie de l'espace-temps sous l'influence des objets qui l'occupent. Einstein confère ainsi à la gravitation une place particulière dans le monde de la physique.
Quoiqu'il en soit, la théorie quantique imagine que toute interaction doit se faire par l'intermédiaire d'un boson ou particule médiatrice associée à une onde gravitationnelle de très faible fréquence. Bien que ces ondes gravitationnelles ont pu être détectées en mars 2014 par l'équipe de l'expérience américaine BICEP2, cette particule boson fantôme joue encore à cache chache avec les scientifiques qui l'on quand même baptisé : le graviton.
Les physiciens prient pour qu'il existe... dans le cas contraire, cela signifierait que la physique quantique et la relativité générale sont des théories insuffisantes.
Un corps de masse importante, comme une planète de plus de 300 km de diamètre, est dominé par la gravitation qui lui impose une forme globale sphérique. Cette forme parfaite est spontanément adoptée par tous les astres, planètes ou étoiles. Par contre, un objet de masse faible est dominé par la force électromagnétique qui assure sa cohésion interne. C'est pourquoi il peut avoir n'importe quelle forme : table, corps humain ou immeuble.
C'est la mieux comprise des quatre interactions et elle présente certaines analogies avec la gravitation qui a, comme elle, une portée infinie. Cela s'explique par le fait que le boson médiateur, le photon, a une masse nulle et peut donc agir à très longue portée.
Cette force, bien supérieure à la force de gravité, n'agit que sur les particules chargées, soit positivement comme les protons, soit négativement comme les électrons. Elle forme les atomes en attachant les électrons aux noyaux, mais elle ne s'arrête pas là. Elle soude les atomes en les obligeant à partager leurs électrons pour former les molécules. Elle pousse encore les molécules à se combiner à leur tour en de longues chaînes, la plus haute expression de ces chaînes étant l'ADN. Cette macromolécule qui permet la vie.
Pour vous donner un petit exemple de la différence d'intensité entre les forces de gravitation et électromagnétique imaginez que vous sautiez d'un immeuble de 10 étages. Vous atterrissez sur le sol, en piteux état je vous l'accorde, mais vous ne traversez pas le sol jusqu'au centre de la Terre. Cette force qui vous retient est la force électromagnétique, à la surface du sol les électrons chargés négativement entrent en interaction avec les électrons à la surface de votre corps et se repoussent. Cette force est très puissante.
La théorie actuelle expliquant l'électromagnétisme (l'électrodynamique quantique) a toute la confiance des physiciens tellement elle a été vérifiée avec une extraordinaire précision.
Elle nous dit que l'interaction électromagnétique résulte de l'échange de photons virtuels, impossibles à détecter en tant que tels. Toutes les particules chargées ou pourvues d'un moment magnétique (comme un petit aimant) subissent sa loi.
Pour plus de détail sur cette force je vous propose de lire l'article sur l'électromagnétisme.
La force nucléaire forte est aussi appelée Interaction forte, c'est la colle super-gluon.
Nous avons vu qu'un noyau atomique est composé de neutron et de proton. Le neutron est de charge nulle et le proton de charge positive... comment se fait-il alors que les protons ne se repoussent pas les uns les autres ? Ils sont pourtant soumis à la force électromagnétique et nous avons vu que les particules de charges identiques sont censés se repousser... et même si les électrons ont une charge négative, leur masse étant près de 2000 fois inférieure à celle d'un proton, ils n'ont que peu d'influence sur ce phénomène.
L'interaction forte est beaucoup plus puissante que la force électromagnétique, c'est elle qui est responsable du confinement des protons et des neutrons dans les noyaux atomiques. Son intensité est considérable mais son rayon d'action est minuscule (de l'ordre de la taille des noyaux atomiques, soit 10-14 mètre). Elle s'exerce plus fondamentalement entre les constituants du noyau atomique que l'on appelle les quarks (et les antiquarks pour leur antiparticule). De la même manière que l'interaction électromagnétique n'agit que sur les particules possédant une charge non nulle, l'interaction forte n'agit que sur les particules portant une caractéristique baptisée "couleur" (c'est la théorie de la chromodynamique quantique).... Je vous sens perplexe.
Reprenons la constitution des nucléons (protons et neutrons) que nous avons déjà entr'aperçus dans l'article sur l'électromagnétisme.
A l'intérieur des protons et des neutrons on trouve des quarks, plus exactement 3 quarks dans chacune des particules. Ce sont, à l'heure actuelle, les plus petites particules connues dans la matière et il en existe de 6 sortes différentes (u, c, t, d, s, b) :
Dans un proton il y a 2 quarks u de charge électrique +2/3 et 1 quark d de charge électrique -1/3, la somme des trois donne +1, le proton est bien positif. Dans un neutron il y a 2 quarks d et 1 quark u, la somme des trois donne 0, la particule est donc chargée mais est électriquement nulle. Notez les couleurs sur l'image ci-dessous...
Ces particules, comme toutes les autres particules, ont certaines propriétés physiques, une masse, un spin (1/2 pour tous les quarks), une charge électrique (qui confère la charge positive au proton et nulle au neutron comme nous venons de le voir),... mais plus que cela, les quarks ont une caractéristique particulière, elles possèdent un autre nombre quantique que l'on a nommé charge de couleur. Un quark peut être "rouge", "vert" ou "bleu", mais il peut changer de couleur en échangeant un gluon.
Ce qu'il faut bien comprendre c'est que la notion de couleur n'est qu'une analogie qui rend compte du fait que l'on n'observe jamais de quark isolé. On ne peut observer que des particules "blanches" c'est-à-dire formée par exemple de trois quarks de couleurs différentes : un rouge, un bleu et un vert dont la synthèse donne une lumière blanche ou de deux quarks de couleurs complémentaires.
Cette charge "de couleur" est la source de la force nucléaire forte. On constate alors une différence majeure avec la force électromagnétique. Cette dernière était de type bipolaire, + et -. En ce qui concerne l'interaction forte elle est de type tripolaire, c'est pour cela que l'on a choisi de les nommer par rouge-vert-bleu, car comme la neutralité est la norme pour l'électromagnétisme, la résultante neutre "blanche" est la norme pour les particules constituées par cette interaction.
L'interaction forte est en résumé la force qui permet d'associer à l'intérieur des nucléons, par l'intermédiaire des gluons, les quarks 3 par 3, ultimes composants du noyau atomique, assurant la cohésion de la matière. C'est aussi elle qui donne naissance à l'énergie nucléaire.
Même si Henri Becquerel, qui ne parlait à l'époque que de rayonnement des sels d'uranium, découvrit la radioactivité par accident en 1896, ce n'est qu'en 1934 que l'interaction faible (ou force faible ou force nucléaire faible) reçut sa véritable assise théorique avec le travail d'Enrico Fermi. Notons au passage que l'unité physique de la radioactivité est le Becquerel (Bq) du nom donc de son découvreur.
Cette interaction est responsable de la radioactivité Bêta où un nucléon se transforme en un autre nucléon, en émettant une paire électron/antineutrino (ou leurs antiparticules respectives positron/neutrino). C'est la force faible qui maintient liées entre elles ces particules et elle peut donc être attractive dans ce cas ou répulsive en provoquant la transmutation d'un neutron en proton. Elle change donc la structure même du noyau de l'atome !
L'interaction faible est aussi une force nucléaire à courte portée 10-16 m, mais elle est fondamentale car elle régit les réactions thermonucléaires de notre Soleil et des autres étoiles, sans elle il n'y aurait pas de vie.
La charge caractéristique de la sensibilité à l'interaction faible s'appelle spin isotopique ou "isospin".
Il est important de préciser que la force faible s'applique à tous les fermions, y compris les insaisissables neutrinos qui ne réagissent à aucune des autres interactions. Elle se singularise aussi des 3 autres forces par deux points :
- elle se transmet par des particules très massives : les bosons intermédiaires
- elle viole la symétrie de parité
Les bosons intermédiaires :
Contrairement aux autres bosons de masse nulle, les 3 particules médiatrices de l'interaction faible sont environ 80 fois plus massives que le proton.
- le boson Z0 (le plus massif des 3) est responsable de l'interaction faible par courant neutre. Cela signifie que ce boson n'a pas de charge électrique et ne provoque pas de changement de saveur (= nature de la particule) entre les fermions qui se l'échangent. Par exemple un quark u qui émet ou qui capte un Z0 restera un quark u et ne se transformera pas en quark d. Cette interaction est assez similaire à l'échange d'un photon pour l'électromagnétisme.
- les bosons W- et W+ quant à eux ont une charge électrique et sont responsables de l'interaction faible par courant chargé. Pendant un échange de boson W, les fermions changent de charge électrique, ils changent donc de saveur.
La radioactivité b- est donc expliquée par l'émission d'un boson W- par le quark d d'un neutron. Ce quark d change alors de saveur et devient un quark u. Le boson W-, qui est très instable, se matérialise rapidement en un électron et un antineutrino.
La violation de parité :
La parité est la symétrie "miroir" qui inverse la droite et la gauche.
Imaginons une toupie en rotation et son image dans un miroir : les deux images correspondent à des situations possibles dans le réel, la toupie peut tourner dans les deux sens.
De même, pendant une interaction électromagnétique, on observe la direction de diffusion d'une particule chargée. On constate que cette même réaction "inversée comme dans un miroir" est possible et réalisable, donc l'électromagnétisme est dit "invariant par parité".
Cette loi de parité était respectée par la gravitation classique, l'électromagnétisme et l'interaction forte, on la supposait universelle et semblait évidente pour le sens commun, un phénomène vu dans un miroir peut exister dans le réel.
Seulement voilà, en 1957 les physiciens constatèrent avec stupeur que l'interaction faible viole cette parité. En effet, elle peut produire des désintégrations avec émission de neutrinos. Or ces neutrinos ont des spins, comme s'ils tournaient sur eux-mêmes. S'ils tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, on dit qu'ils sont "gauches". Il devrait donc aussi exister une réaction "miroir" qui produit des neutrinos "droits". Eh bien non ! Ces neutrinos droits n'existent pas.
Je détaillerai dans un prochain article la radioactivité ainsi que tous les mouvements nucléaire fusion, et fission, mais pour l'instant je pense que cette description est suffisante.
En résumé
Voici le résumé des particules ainsi que des interactions selon le modèle standard :
C- La théorie du Tout est donc une théorie d'unification de ces quatre forces fondamentales.
Les physiciens ont découvert ces quatre forces dans la nature, nucléaire forte, électromagnétique, gravitationnelle et nucléaire faible. En physique on cherche toujours une théorie qui englobe le plus de phénomènes, c'est pourquoi ils ont pensé que ces forces en apparence fondamentales résulteraient d'une seule et unique force plus fondamentale encore, une Superforce. De cette idée sont nées les recherches de ces dernières décennies pour les unifier en une seule.
Tout comme James Clerk Maxwell a réussi à combiner en 1865 les forces électrique et magnétique en une seule force : l'électromagnétisme, les scientifiques cherchent à combiner les 4 forces deux à deux. Einstein lui-même a passé les 30 dernières années de sa vie à essayer de lier l'électromagnétisme à la force de gravité, en vain.
1- L'interaction électrofaible
Depuis 1967, les interactions faibles et électromagnétiques ont été unifiées par la théorie de l'interaction électrofaible, valant le prix Nobel à deux physiciens américains (Sheldon Lee Glashow et Steven Weinberg) et un physicien pakistanais (Abdus Salam) en 1979.
Ces trois chercheurs parvinrent à cette unification en faisant appel à des symétries internes, symétries portant sur les propriétés intrinsèques des particules (comme leur charge ou leur spin) et non sur leurs positions dans le temps et l'espace. Selon cette théorie, les photons, responsables des interactions électromagnétiques, appartiendraient à la même famille que les bosons intermédiaires W et Z, qui gouvernent les interactions faibles. Il y aurait donc 4 bosons médiateurs de masse nulle : le photon, le Z0 et les deux W.
Seulement voilà, c'est en contradiction avec les faits. En 1983, Carlo Rubbia a bien découvert au CERN les bosons Z0 et W prévus par la théorie, mais ces derniers avaient une masse énorme de l'ordre de 80 fois celle du proton (ce qui avait été prédit mathématiquement).
Et c'est là qu'intervient le champ de Higgs, un nouveau champ de force du nom du physicien écossais Peter Higgs, qui se manifeste par l'intermédiaire d'un boson appelé... boson de Higgs. Ce champ n'agit qu'avec les bosons intermédiaires Z0, W- et W+ pour leur donner une masse, mais ne se couple pas avec le photon, préservant ainsi sa masse nulle. Une fois que le champ de Higgs s'est manifesté, les deux interactions, électromagnétique et faible, se distinguent l'une de l'autre, on parle alors de brisure de symétrie.
Dès lors que ce mécanisme de Higgs est introduit dans les équations, la théorie électrofaible fonctionne parfaitement bien. Elle a permis de prédire, avec précision, la masse des bosons intermédiaires bien avant leur découverte par Rubbia.
Seul point faible de cette théorie à l'époque... le boson de Higgs ! Tout le monde parlait de cette mystérieuse particule fantôme mais personne ne l'avait vu, c'était la Nessy du monde scientifique. Son existence était pourtant indispensable pour valider la théorie électrofaible.
En 2012, grâce à l'utilisation du LHC (le grand collisionneur du CERN) son existence a été confirmée de manière expérimentale et a conduit à l'attribution du prix Nobel de physique à François Englert et Peter Higgs en 2013.
L'interaction électrofaible est donc avérée... plus que 3 !
2- L'interaction électronucléaire
Egalement nommée Théorie de la Grande Unification, l'interaction électronucléaire consiste en principe à relier la force nucléaire forte au tandem électrofaible, reliant par la même toutes les forces du microscopique.
A priori on ne voit pas trop comment... pour le profane c'est un peu comme si je vous disais qu'on essayait de combiner un chat avec une araignée.... Mais pour les experts, une étape originale s'amorce, qui nous conduit vers des niveaux d'énergie colossaux.
A un certain niveau d'énergie les interactions électromagnétique et faible se confondent pour n'être plus qu'une : l'interaction électrofaible. Si on continue à augmenter l'énergie des particules, il arrivera un moment où la force nucléaire forte viendra s'unir à l'interaction électrofaible... du moins en théorie. Ceci devrait se produire lorsque l'énergie atteint un niveau équivalent à une température de l'ordre de dix milliards de milliards de milliards de degrés (1028), c'est chaud... !
Il y a eu de très belle théorie qui ont vu le jour dont le modèle SU(5). Elle était magnifique car non seulement elle permettait d'augmenter le nombre d'état possible des particules de type Higgs expliquant les masses des particules de matière mais en plus elle permettait d'expliquer l'asymétrie matière/antimatière de l'univers. Cette théorie n'a malheureusement pas été validée expérimentalement...
Du coup les scientifiques ont fait des tentatives pour incorporer directement la gravitation.
Cette dernière étape est la plus difficile car elle bute sur un obstacle majeur : l'incompatibilité de la relativité générale et de la mécanique quantique. En effet la relativité générale d'Einstein traite de l'espace-temps et de la gravitation à des échelles macroscopiques mais suppose aussi que l'espace et le temps sont continus !
La physique quantique, comme nous l'avons vu précédemment, a introduit le concept de quantification de l'énergie pour une particule, signifiant donc que la gamme d'énergie disponible n'est pas continue, mais limitée à des valeurs discrètes. Dilemme... Comment réconcilier continuité et quantification ?
A partir des années 1970 beaucoup de théories ont vu le jour mais comme pour la grande unification, ces théories sont quasi impossibles à mettre en œuvre de manière expérimentale.
Pourtant il y en a une dont l'approche est plutôt prometteuse : la théorie M, résultat de la synthèse des différentes théories des Supercordes. Dans cette dernière, les particules élémentaires seraient de minuscules cordes vibrantes à certaines fréquences. Nos moyens de mesures et d'observation actuels sont incapables de confirmer cette hypothèse, mais sur le plan mathématique, l'hypothèse des cordes permet de réconcilier les principes de la relativité générale et de la mécanique quantique.
Cette théorie s'appuyant sur la notion de Supersymétrie je vous en dresse un petit aperçu.
Rappelons que dans le modèle standard les particules peuvent être classées en deux catégories : les fermions qui constituent la matière et les bosons qui sont responsables des différentes forces que nous venons de voir. En étendant les symétries de l'espace-temps, il devient possible de considérer les bosons et les fermions comme deux états d'une même super particule.
On introduit alors une sorte de super isospin comme pour la théorie des forces nucléaires. Si l'on introduit donc bien un groupe de supersymétrie et qu'on le "jauge" (on lui applique la théorie des champs en environnement local), la gravitation apparaît automatiquement. Cette supersymétrie locale prend d'ailleurs le nom de supergravité.
Le modèle le plus simple de supersymétrie consiste à associer à chaque particule du modèle standard son partenaire supersymétrique. En gros à chaque particule va être associée une sparticule correspondante : l'électron au sélectron, les neutrinos au sneutrinos, le photon au photino...
Il reste toutefois des difficultés : si la supersymétrie était exacte les sparticules devraient avoir la même masse que leur homologue. Ainsi le sélectron, le boson associé à l'électron, devrait avoir une masse identique et être produit facilement en accélérateur... or l'observation de ces superpartenaires n'a jamais été confirmée, ce qui indique une brisure de la supersymétrie et des masses élevées pour ces particules.
Mais elle a une propriété très intéressante, les neutralinos pourraient expliquer la matière noire... (Patience, j'écrirai un article là dessus)
La théorie des cordes prétend dévoiler l'ultime secret de l'Univers. Elle affirme que tout dans l'univers, toutes les forces et toute la matière, se compose d'un seul ingrédient, de minuscules brins d'énergies vibrants appelés cordes.
La théorie des cordes initiale à 26 dimensions s'est révélée être instable, de là a émergé 5 théories des supercordes ayant en commun un Univers à 10 dimensions.
Le préfixe « super » dans ces théories vient du fait qu'elles s'appuient sur l'existence hypothétique de la supersymétrie entre fermions et bosons.
Une corde est donc un minuscule brin d'énergie à 1 dimension qui vibre, avec une longueur de l'ordre de 10-35 m (correspondant à la longueur de Planck). C'est une échelle de grandeur difficilement conceptualisable... imaginez qu'un atome ait la taille du système solaire, une corde ne serait pas plus grande qu'un arbre.
Ces cordes peuvent vibrer de plusieurs manières différentes : si l'une vibre dans un certain mode c'est un électron, si elle vibre dans un autre mode elle décrit un quark, etc...
Une corde peut interagir sur elle-même ou avec d'autres cordes (voir le schéma ci-contre).
Je suppose que certains sont restés bloqués sur les 10 dimensions mentionnées quelques lignes plus haut... !
Oui j'ai bien dit 10 dimensions, du moins dans la théorie initiale. En fait, la théorie des supercordes repose sur l'hypothèse de cordes mais également sur l'hypothèse que l'univers contiendrait plus de 3 dimensions...
c- Un univers multidimensionnel
Un aspect intéressant de la théorie des supercordes est la remise en cause du nombre de dimensions de l'Univers. Nous sommes habitués à vivre dans un monde à quatre dimensions : trois pour l'espace et une pour le temps. Mais la théorie des supercordes prédit que l'Univers possède en fait dix dimensions, une pour le temps et neuf pour l'espace. Le monde qui nous entoure ne nous révèle donc que quatre de ces dimensions, les six autres étant indétectables.
Prenons comme analogie un tuyau. Vu de loin, il ressemble à une ligne. Pour définir la position d'un point sur cette ligne, il suffit d'un seul nombre, par exemple la longueur depuis l'une des extrémités. De loin, le tuyau ne possède donc qu'une seule dimension. Par contre, lorsqu'on se rapproche, la section circulaire apparaît clairement. Pour définir la position d'un point sur la surface, il faut maintenant deux nombres, par exemple une distance et un angle. Vu de près, le tuyau possède deux dimensions. De la même manière une fourmi qui se baladerait à sa surface se déplacerait selon 3 dimensions...
Cette différence vient du fait que l'une des dimensions du tuyau est beaucoup plus petite que l'autre.
Les minuscules cordes vibreraient donc non seulement dans nos quatre dimensions, mais aussi dans ces six dimensions cachées, enroulées.
De plus, rien ne dit qu'une dimension enroulée ne pourrait pas être temporelle : pensez alors à cette "fourmi" qui tourne sur son tuyau et, à chaque fin de tour, se retrouve au même instant que lors de son départ... Encore plus loin, comme ce serait une deuxième dimension temporelle qui vient en plus du temps « déployé » que nous connaissons, quelle est la vie de cette fourmi qui a deux temps différents et existants indépendamment... On retrouve toutes les notions dites "ésotériques"...
Pour vous aider à "penser" cet univers, allons à l'inverse vers un univers avec seulement 2 dimensions, une spatiale, une temporelle. Soit deux "êtres" de cet univers qui se déplacent sur la ligne qui compose la totalité de la réalité physique de cet univers. S'ils arrivent à se rencontrer, ils se feront face pour l'éternité, car ils ne peuvent pas se doubler, rien n'existant à part cette ligne. Reste la possibilité de repartir en arrière... à moins bien sûr qu'un autre « être » ne soit là aussi. Embouteillage éternel... Alors, si une dimension de plus apparaissait chez nous...
Une théorie a permis de regrouper les 5 théories des supercordes en ajoutant une dimension, il s'agit de la théorie M.
Le premier pas vers la théorie M a été réalisé en 1995 par Edward Witten et Paul Townsend de l'Université de Cambridge qui ont montré que les différentes théories des cordes à 10 dimensions étaient équivalentes à la théorie M à 11 dimensions.
A noter que la théorie M doit son nom a.... on ne sait pas très bien en fait. Toutes les interprétations sont possibles, M comme W à l'envers (du nom d'Edward Witten), ou M comme Mystérieuse, Magique, Mystique, Matrice, Mère.... et pour les plus cyniques : Merdique.
Pour ma part le terme Matrice me va bien ;-)
Dans cette théorie on ne parle plus de cordes mais de branes (des membranes multidimensionnelles). Plus exactement on parle de p-brane, "p" représentant la dimension de l'objet.
Je m'explique, selon cette théorie une particule peut être décrite comme un "0-brane", un objet de dimension zéro. Une corde est une "1-brane", une surface ou une membrane ordinaire comme une bulle de savon est une "2-brane", et ainsi de suite.
Ainsi, une simple membrane 3-brane détendue ressemble à une feuille dans l'espace-temps. Mais légèrement enroulée comme un cylindre, elle peut ressembler à une 2-brane, un tore, tandis qu'une membrane enroulée de manière très serrée peut ressembler à une fine corde (1-brane). Toutes ces p-branes peuvent interagir entre elles dans une ou plusieurs dimensions.
Lorsque ces p-branes vibrent ou pulsent, ils ou elles créent de nouvelles résonances ou des particules.
Ce qui est intéressant c'est que ces membranes peuvent être de la taille d'un Univers. Une théorie est apparue selon ce constat, le Big Bang serait apparu par l'interaction de deux membranes... mais même si cela reste une théorie de nombreuses autres théories scientifiques ont vu le jour sur la notion d'Univers parallèles, mais attendons un peu avant d'aller plus loin.
Bien entendu ce modèle comporte de nombreuses zones d'ombres et il faudra encore du temps avant d'en trouver la lumière.
En attendant, d'autres théories ont vu le jour, je ne les détaillerais pas ici mais je les liste pour ceux qui voudraient aller plus loin :
- La gravitation quantique à boucle de Lee Smolin et Carlo Rovelli.
- La théorie de Kaluza-Klein de Alain Connes dans sa géométrie non commutative.
- La théorie des twister de Roger Penrose.
- L'univers connecté de Nassim Haramein
J'entends déjà les détracteurs fustiger contre moi d'avoir eu l'audace d'avoir mentionné Nassim Haramein... mais pour moi il reste un physicien, chercheur certes non conventionnel, mais très intéressant, je ne saurai trop vous encourager à regarder ses travaux. Et c'est la raison pour laquelle j'écrirai un article sur son travail :-)
La "Théorie du Tout" aura-t-elle 10, 11 voire même 12 dimensions comme le proposa Cumrun Vafa de l'Université d'Harvard en 1994 ? Selon Schwarz, la réponse peut être beaucoup plus simple. Il pressent que la véritable théorie n'a peut-être pas de dimension fixe et que les 11 dimensions émergent seulement une fois que nous avons essayé de résoudre le problème. Townsend partage d'ailleurs une vue similaire : "Toute la notion de dimensionnalité est une approximation qui émerge uniquement dans un contexte semi-classique". Si leur idée se concrétise, ce serait vraiment la théorie idéale !
Witten également, pense que nous sommes sur la bonne piste. Mais il pense qu'il nous faudrait encore d'autres "révolutions" : "Je pense qu'il y aura encore au moins deux révolutions des supercordes à l'avenir". Vafa ajouta : "J'espère que c'est la lumière à la fin du tunnel. Mais qui connaît la longueur du tunnel ?"
Je pense qu'aucun scientifique ne me contredira si je dis cela : pour qu'une théorie scientifique soit crédible, elle doit être esthétique, elle doit tout simplement être belle. Il n'y a qu'à voir les théories d'Einstein, de Dirac, de Schrödinger,... pour s'en convaincre. Je trouve la théorie des cordes très belle bien que je pense aussi qu'il y a encore plus simple et plus jolie, mais on s'en approche.
Il y a 1 siècle des scientifiques pensaient avoir compris les lois fondamentales de l'Univers. Puis, Albert Einstein est venu chambouler notre conception de l'espace, du temps, de la gravité. Puis la mécanique quantique nous a révélé la structure interne des atomes et des particules, dévoilant un monde étrange et incertain. Ainsi, loin de confirmer que l'on maitrise tout, le XXème siècle a montré que chaque fois que l'on regarde l'Univers de plus près on découvre un autre niveau de réalité.
L'Univers joue une symphonie à 11 dimensions et la mise en forme de ces branes représente notre réalité. Cette mise en forme n'est ni plus ni moins que... in formare... de l'information ! Et petit à petit on se dirige justement vers la physique Informationnelle.
Que nous apportera le XXIème siècle ?
