Le mot « physique » est basé sur le grec ancien φύσις, qui signifie « nature ». L'étude de la nature, l'explication des phénomènes qui y sont observés et la prédiction d'événements encore inconnus sont les buts de la physique. Au IVe siècle av. J.-C., Aristote a jeté les bases de la physique en tant que science dans son traité "Physique". Depuis, de nombreux secrets de la nature nous ont été révélés. Mais plus nous en apprenions, plus les questions se posaient. Et, peut-être, la principale: comment trouver une explication générale à tous les phénomènes ? Pour y répondre, vous devez créer une théorie du tout.
Modèle standard et sa demi-soeur
En pénétrant profondément dans la matière et en essayant de trouver les particules les plus fondamentales et indivisibles qui sous-tendent la matière, les scientifiques ont finalement découvert des quarks et des leptons. Les quarks sont utilisés pour construire des hadrons (c'est pourquoi le Grand collisionneur de hadrons est ainsi appelé), qui comprennent notamment les protons et les neutrons qui composent le noyau de l'atome, qui était auparavant considéré comme indivisible. Le représentant le plus célèbre des leptons est un électron se déplaçant dans un nuage d'électrons autour de ce même noyau.
On sait aujourd'hui que toutes ces particules interagissent grâce à quatre types de forces, quatre interactions fondamentales: gravitationnelle, électromagnétique, nucléaire fort et nucléaire faible. Bien qu'il puisse y en avoir plus, d'autres ne nous sont pas encore connus.
La gravité est la force d'attraction entre les objets ayant une masse. L'électromagnétisme est responsable de l'interaction entre les corps qui ont des charges électriques. Les forces nucléaires fortes maintiennent ensemble les protons et les neutrons dans le noyau d'un atome, ainsi que les quarks dans les protons et les neutrons eux-mêmes, tandis que les forces faibles régissent des processus tels que la désintégration radioactive.
L'action de chacune de ces forces peut être représentée comme un échange de particule-quanta de cette interaction. L'interaction forte est réalisée par les gluons. On peut dire qu'ils "collent" les quarks, créant à partir d'eux des protons et des neutrons. Ils ont obtenu leur nom pour une raison: en anglais, colle signifie "colle".
Les porteurs de l'interaction faible sont les bosons W et Z. Pour l'interaction électromagnétique que nous connaissons bien, des photons non moins connus sont responsables. De plus, toutes les interactions ont leur propre théorie décrivant ces mêmes interactions.
À ce stade, le soi-disant modèle standard - une construction théorique en physique des particules - est interrompu. Et la gravité ? A-t-il sa propre particule quantique ?
Si des particules élémentaires sont utilisées pour modéliser les interactions de base, alors par analogie, on peut supposer qu'une particule élémentaire devrait être responsable de l'interaction gravitationnelle.
Cette particule n'a pas encore été trouvée, elle est répertoriée comme hypothétique, mais le nom a déjà été proposé - graviton. Une théorie quantique de la gravité n'a pas encore été construite. Nous utilisons la théorie de la relativité générale d'Einstein pour décrire la gravité aujourd'hui. Mais elle est si différente de toutes les autres théories qu'elle se démarque. Unir les quatre interactions dans un modèle théorique, c'est-à-dire créer une théorie unifiée de tout, est un vieux rêve des physiciens.
De Newton à Einstein, des pommes aux trous noirs
Le pommier dans le jardin de la maison où vivait Isaac Newton fut une pièce de musée pendant plus d'un siècle, des excursions y étaient menées. Mais, très probablement, l'histoire de la façon dont Newton a découvert sa célèbre loi de la gravitation universelle après qu'une pomme lui est tombée sur la tête est une notion inoffensive. Le grand scientifique a composé l'histoire d'une pomme qui tombe pour sa nièce bien-aimée afin d'expliquer l'essence de la loi d'une manière accessible. Néanmoins, nous pouvons dire que c'est avec la postulation de cette loi que les tentatives ont commencé pour expliquer systématiquement le monde qui nous entoure dans le langage de la physique.
L'idée même de la force gravitationnelle universelle a été exprimée à plusieurs reprises avant Newton. Mais auparavant, personne ne pouvait relier de manière claire et mathématique de manière convaincante la loi de la gravitation et les lois du mouvement des corps célestes. La découverte de Newton a permis d'unir les sphères céleste et terrestre, et après tout, elles étaient auparavant considérées comme incompatibles.
Pendant longtemps, la théorie newtonienne de la gravitation a été pleinement confirmée par des observations. La loi de la gravitation convenait pour décrire la trajectoire de la chute de la pomme, ainsi que pour prédire l'orbite du mouvement des planètes autour du Soleil. Mais, comme il s'est avéré, à l'exception d'un.
Le déplacement anormal du périhélie de Mercure découvert en 1859 a mis les physiciens devant le fait que la planète la plus proche du Soleil ne voulait pas obéir à la Loi de la gravitation universelle. Et même s'il ne s'agissait que d'une déviation à peine perceptible dans le mouvement de Mercure, il avait besoin de trouver une explication. Mais cela nécessitait une nouvelle compréhension de la gravité.
Il n'a été possible de réviser la compréhension de la gravité qu'en 1915, lorsqu'Albert Einstein a présenté au monde sa théorie de la relativité générale. Le soleil, qui a une masse gigantesque, courbe l'espace et le temps sur lui-même, ce qui affecte notamment l'orbite de la planète la plus proche de lui.
D'un point de vue pratique, la relativité générale est excellente. Il a été confirmé à plusieurs reprises par des observations et est largement utilisé dans la pratique. Sans la théorie de la relativité, il n'y aurait pas de systèmes de navigation par satellite, par exemple.
Mais néanmoins, il a un inconvénient important - l'impossibilité de construire un modèle de champ quantique pour lui de manière classique. C'est complètement différent de la mécanique quantique. Comme le disent les physiciens, c'est un royaume différent avec ses propres lois et habitants.
Sur le chemin de l'unification
La première unification de diverses forces physiques a peut-être été réalisée en 1873, lorsque le physicien et mathématicien britannique James Maxwell dans son ouvrage "Traité sur l'électricité et le magnétisme" a montré que l'électricité et le magnétisme sont des manifestations de la même force - l'électromagnétisme. Avant cela, on croyait que l'électricité et le magnétisme étaient deux forces distinctes et indépendantes.
Près de 100 ans plus tard, en 1967, les physiciens américains Sheldon Lee Glashow et Steven Weinberg, ainsi qu'Abdus Salam, un physicien théoricien du Pakistan, créeront la théorie de l'interaction électrofaible, qui est devenue une description de deux des quatre interactions fondamentales connues - faible et électromagnétique. Il postule que les interactions électromagnétiques et faibles sont des manifestations différentes de la même force. Aux basses énergies ordinaires, nous n'y trouverons rien de commun, mais aux énergies supérieures à l'énergie d'unification (de l'ordre de 100 GeV), elles se combinent en une seule interaction électrofaible. Certes, la dernière fois qu'ils se sont unis dans les premiers instants après le Big Bang.
Dans les années 70 du siècle dernier, sa propre théorie a été proposée pour l'interaction forte - la chromodynamique quantique. Jusqu'à présent, personne n'a été en mesure de relier de manière convaincante cette troisième interaction fondamentale avec les deux premières. Ce modèle théorique, qui décrit les interactions fortes, faibles et électromagnétiques de manière unifiée, est appelé la théorie de la grande unification.
Cependant, de nombreux physiciens théoriciens pensent que cela n'a aucun sens de combiner ces interactions sans gravité: elles fonctionnent déjà ensemble sous la forme du modèle standard. Le chemin vers la Grande Unification passe par la création de la Théorie du Tout.
Soit dit en passant, les scientifiques pensent qu'aux très hautes énergies, toutes les interactions se rejoignent. Et, comme vous l'avez peut-être deviné, les conditions d'une telle Grande Unification pourraient exister dans l'Univers dans la période la plus courte immédiatement après le Big Bang. C'est-à-dire il y a environ 13-14 milliards d'années, lorsque l'âge de l'Univers nouveau-né était de 10-43 à 10-36 secondes. Ensuite, toutes les interactions se sont divisées et ont commencé à vivre une vie indépendante: d'abord - la gravité, puis - les interactions fortes, puis faibles et électromagnétiques.
Différents royaumes
Cependant, si les trois interactions, réunies par le modèle standard, sont calmement décrites par la mécanique quantique, alors la théorie de la relativité, qui décrit la gravité, est complètement différente. La mécanique quantique, qui nous dit comment se comportent les particules élémentaires, et la relativité générale sont basées sur différents ensembles de principes. La première est formulée comme une théorie décrivant l'évolution temporelle des systèmes physiques (les mêmes atomes ou particules élémentaires) sur fond d'espace-temps externe. Dans le second, il n'y a tout simplement pas d'espace-temps externe - c'est lui-même une variable dynamique de la théorie, en fonction des caractéristiques des systèmes classiques qui la composent.
Les deux ont des limites d'applicabilité, au-delà desquelles ils cessent de fonctionner. La mécanique quantique fonctionne à l'échelle microscopique et explique la structure et le comportement des atomes. La relativité générale traite des masses et des vitesses gigantesques.
Dans la plupart des cas, ils ne se croisent pas et vivent, en fait, dans des mondes différents. Dans certaines situations, les effets quantiques peuvent être négligés, dans d'autres - gravitationnels. Cependant, il existe un endroit dans l'Univers où ces mondes sont obligés de se croiser - les trous noirs. Ils sont très massifs, mais en même temps extrêmement petits.
Mais ce n'est pas tout, il y a une raison de plus à l'incompatibilité. Ainsi, la relativité générale déclare que le comportement d'un objet peut être prédit avec précision. Mais en mécanique quantique, tout est différent: on ne peut connaître que la probabilité de comment tel ou tel objet va se comporter.
Einstein a passé presque toutes les dernières années de sa vie à essayer de tirer sa théorie unificatrice. Il ne partageait pas le principe d'incertitude de la mécanique quantique et voulait créer une théorie qui combinerait la gravité et le reste de la physique, de sorte que toutes ces bizarreries quantiques seraient des conséquences secondaires. Dans une de ses lettres à un adepte de ce principe, Max Born, il écrit: « Dieu ne joue pas aux dés. A quoi il a reçu la réponse: "Einstein, ne dis pas à Dieu quoi faire."
La tâche principale du scientifique était de faire fonctionner la gravité avec l'électromagnétisme et de combiner les deux forces dans la théorie du champ unifié. Pour ce faire, il a étiré l'espace-temps en cinq dimensions. La cinquième dimension s'est ajoutée à trois spatiales et une temporelle: elle devait être si petite et recroquevillée qu'on ne pouvait pas la voir. Mais cette approche a échoué.
Cordes, boucles et branes
Depuis, l'idée de créer une théorie unificatrice a dominé l'esprit des physiciens du monde entier. Il y a plusieurs idées, certaines ont aussi plusieurs options. Et le candidat le plus sérieux pour le titre de Théorie du Tout est la Théorie des Cordes.
Il repose sur une hypothèse simple. Les plus petites particules de notre monde ne sont pas du tout des objets ponctuels, tels que nous les imaginons maintenant. Il s'agit de chaînes, ou plus précisément d'objets étendus unidimensionnels, appelés chaînes quantiques. Ils sont très petits, leur longueur est d'environ 10 à 33 centimètres. Comme les cordes de guitare, les cordes quantiques sont tendues et vibrent. La nature de leurs vibrations détermine les propriétés de la matière: ainsi, toute la variété des particules élémentaires est reproduite. Une corde vibre avec une fréquence - nous obtenons un gluon, vibre avec une autre - un quark, avec une troisième - un neutrino. De plus, les cordes peuvent être à la fois fermées et ouvertes.
La théorie des cordes supprime certains des obstacles qui empêchaient auparavant la construction d'une théorie quantique cohérente de la gravité. Il vous permet de décrire une corde qui ressemble exactement à un graviton - un porteur hypothétique de l'interaction gravitationnelle et un quantum du champ gravitationnel.
En même temps, elle a aussi des problèmes. Alors que la théorie des champs unifiés d'Einstein supposait qu'il y avait une dimension cachée supplémentaire, les versions les plus simples de la théorie des cordes en nécessitent vingt-six.
Lancé dans les années 1980, Superstring Theory se décline en cinq saveurs différentes, se contentant de dix dimensions. Mais même elles sont difficiles à imaginer, car dans le monde nous n'observons que trois dimensions spatiales. Alors que les physiciens suggèrent qu'il est facile d'imaginer que seules ces trois dimensions se sont étendues et sont devenues grandes, d'autres existent également, mais sont restées fantastiquement petites.
Tout le monde ne partage pas les idées de la théorie des cordes, il y a donc un autre concurrent - la gravitation quantique en boucle.
Si la théorie des cordes doit prendre sa place au-dessus de toutes les autres théories, alors la Loop Quantum Gravity est le chaînon manquant de la mécanique quantique. Il est conçu pour simplement amener la gravité à un dénominateur quantique commun et essaie de dériver sa propre théorie quantique pour cela.
La théorie de la relativité générale décrit l'espace-temps de manière classique, ce qui ne permet pas de « quantifier » la gravité d'une manière habituelle en physique des particules élémentaires. La théorie de la gravité en boucle tente de résoudre ce problème. Dans celui-ci, l'espace et le temps sont constitués de parties discrètes - de petites boucles, dont les dimensions sont comparables à la longueur de Planck, qui est d'environ 1,6,10−35 mètres.
Ces boucles - de petites cellules quantiques de l'espace - sont connectées les unes aux autres d'une certaine manière: de sorte qu'à de petites échelles de temps et de distance, elles créent une structure d'espace discontinue et discrète, et sur les grandes, elles se transforment en douceur en une structure continue espace-temps. C'est exactement ce qui est décrit dans GR.
Cependant, la théorie des cordes ne va pas abandonner. On a noté plus haut que sa version avancée comportait déjà cinq options. Mais dix autres années ont passé et, dans les années 90, les physiciens ont découvert qu'ils pouvaient tous être transformés les uns dans les autres. Les méthodes de description sont différentes, mais l'essence est la même. Ainsi, en 1995, la théorie M est apparue, appelée ironiquement « la mère de toutes les théories des cordes ».
Il suppose que le monde qui nous entoure a 11 dimensions d'espace-temps. Il contient des espaces de dimensions inférieures, les soi-disant branes, et l'univers dans lequel nous vivons n'est qu'une de ces branes. Il est rempli de diverses particules quantiques, qui sont en fait des cordes.
Les extrémités des cordes ouvertes sont ancrées à l'intérieur des branes. Une telle ficelle ne peut pas quitter la brane. Les chaînes fermées, par contre, sont capables de migrer en dehors des branes. Ces cordes "libres" sont des gravitons, porteurs de forces gravitationnelles.
Cependant, la théorie M ne nous a pas conduit à une compréhension utile de l'univers. Cela ne suggère tout simplement pas l'existence d'une seule théorie de tout, mais implique l'existence de nombreuses théories. Et chacun d'eux permet de décrire l'univers de manière convaincante. Mais en même temps, de nombreux univers sont assumés. Plus précisément, leur nombre est égal à 10 puissance 500. Cette incroyable collection d'univers s'appelle le Multivers, et notre univers n'est que l'un d'entre eux.