La formule de Dieu

L’interaction nucléaire forte, l’interaction nucléaire faible, l’interaction électromagnétique et l’interaction gravitationnelle. Il était une fois, les quatres interactions fondamentales étaient rassemblées en une seule super interaction. Mais tout bascula lorsque le Big Bang eut lieu. Chacune de ces interactions s’est peu à peu distinguée des autres. Aujourd’hui, nous avons des lois qui nous permettent de décrire chacune de ces interactions séparément. Cependant, une seule théorie, décrivant ces quatre interactions à elle seule, pourrait les réunifier à nouveau et nous permettre de mieux comprendre notre univers. Mais aujourd’hui où tout le monde la cherche, elle reste introuvable. Depuis des décennies, les scientifiques ont proposé des théories afin d’approcher la théorie du tout, cependant, il leur reste beaucoup de travail avant de prétendre l’avoir percé à jour. C’est quoi ces interactions et en quoi la théorie du tout est importante pour notre compréhension?

Définissons les interactions de la moins forte à la plus forte.

D’abord, nous avons la gravité. C’est sans doute celle qui nous est la plus familière. Il s’agit en effet de la force qui maintient la terre en rotation autour du soleil, qui fait tomber une pomme d’un arbre etc. Elle a été théorisée pour la première fois par Sir Isaac Newton en 1687 et reformulée autrement par Albert Einstein au 20é siècle au sein de la théorie de la relativité générale. Dans la théorie de Newton, il semblait y avoir une force entre les planètes et les objets, une sorte de corde qui attirait la pomme vers la terre, ce qu’on arrivait pas à observer. Cependant, la formulation de Einstein se base sur une courbure de l’Espace-temps créée par la masse des corps.

Après, nous pouvons parler de l’interaction nucléaire faible. Il s’agit de la force qui fait que les électrons d’un atome sont maintenus autour du noyau de celui-ci. Elle est responsable de la désintégration radioactive de particules subatomiques et est à l'origine de la fusion nucléaire dans les étoiles. Elle affecte toutes les catégories de fermions connues. La découverte de cette force a commencé dans les années 1896 à 1910 avec l’observation de la désintégration nucléaire de Henri Becquerel et de Ernest Rutherford. Ensuite, Enrico Fermi propose une théorie pour expliquer la désintégration bêta en 1933, posant les bases de la théorie de l’interaction faible. Entre 1960 et 1970, Glashow, Salam et Weinberg unifient l'interaction faible et l'électromagnétisme dans la théorie de l’interaction électrofaible, qui devient une partie essentielle de ce qu’on appelle le “Modèle Standard”. En 1983, les bosons médiateurs de l'interaction faible sont détectés au CERN par Carlo Rubbia et Simon van der Meer, confirmant les prédictions théoriques.

Ensuite, vient l’interaction électromagnétique. Les humains sont très familiers avec cette force car elle régit notre civilisation moderne depuis sa découverte. L'électromagnétisme, en tant que concept unifié des phénomènes électriques et magnétiques, a été découvert progressivement au cours des 18ᵉ et 19ᵉ siècles. D’abord la découverte de l’électricité et de la force entre deux particules électriques par Coulomb, ensuite la découverte de l’induction magnétique par Faraday. James Clerk Maxwell formule les équations de Maxwell, qui unifient les lois de l'électricité et du magnétisme dans une seule théorie. Ses travaux montrent que la lumière est une onde électromagnétique, reliant ainsi l'optique à l'électromagnétisme.

Enfin, il y a la plus forte de toute, l’interaction nucléaire forte. L'interaction forte agit sur les particules porteuses d'une charge de couleur. C’est la force qui lie les quarks ensemble pour former des protons, des neutrons et d'autres particules appelées hadrons. Elle est également responsable de maintenir les protons et les neutrons ensemble dans le noyau atomique, malgré la répulsion électrostatique entre les protons chargés positivement. Notre connaissance de cette force nous vient d’abord des hypothèses sur leurs existence par Heisenberg, puis la théorisation et la découverte des mésons et enfin la chromodynamique quantique (QCD) etablit dans les années 1970 permettant de décrire comment les quarks et les gluons interagissent via une propriété appelée charge de couleur.

Dans l’ensemble, on a d’un côté la physique classique, de Newton et Einstein, qui s'intéresse aux objets lourds et qui décrit bien la Gravité et l'Électromagnétisme. De l’autre côté,  on a la physique quantique qui s’intéresse aux petits objets et qui décrit bien les interactions nucléaire forte et faible. On est tenté de dire: tant mieux, que chacun reste dans son domaine car les objets lourds ne sont jamais petits et vis-versa. Cependant, nous avons à tout prix besoin de les unifier, d’avoir un seul cadre théorique pour comprendre toutes ces interactions et ceci pour les situations suivantes:

• Au tout début de l’univers, il y avait une singularité. Au moment du Big Bang, l’univers se trouvait confiné en un point. L'univers était incroyablement dense et chaud, avec une énergie et une matière concentrées dans un volume extrêmement réduit. On a donc un petit objet très lourd, ni la physique classique ni la physique quantique ne peuvent le décrire précisément.
• Ensuite, on a les trous noirs, des zones tellement denses et lourdes que même la lumière ne peut en échapper. Ce sont aussi de petits objets très lourds et donc si on veut comprendre ce qui se passe à l’intérieur d’un trou noir, on va devoir consilier les deux physiques.
• Enfin, pour les théories sur lesquelles les deux physiques ne s’entendent pas notamment l’espace-temps courbe ou discontinu, l’existence de monopoles magnétiques etc.

Pour cela, les physiciens depuis plus d’un siècle maintenant, cherchent une théorie unifiant la mécanique classique et la mécanique quantique. Plusieurs tentatives assez intéressantes ont déjà vu le jour.

La théorie des cordes : Propose que les particules élémentaires ne sont pas des points, mais des cordes vibrantes. Elle unifie la gravité et la mécanique quantique en introduisant des dimensions supplémentaires (10 ou 11 dimensions). Malheureusement, nous ne pouvons observer que quatre dimensions, trois dimensions de l’espace et une dimension de temps. Ce qui fait que cette théorie n’est pas vérifiable.

La gravité quantique à boucles : Modélise l’espace-temps lui-même comme un réseau discret de quanta. Elle introduit le graviton, une particule élémentaire responsable de la force de gravité. Malheureusement, cette particule n’a pas encore été découverte afin d’étayer cette théorie.

Approches basées sur la supersymétrie ou la théorie M : Ce sont des extensions de la théorie des cordes qui incluent la supersymétrie. Elles ont donc les mêmes limites que cette dernière.

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 théorie M est la candidate la plus prometteuse au titre de théorie du tout. En revanche, la gravitation quantique à boucles est uniquement une théorie de la gravité quantique, qu'elle ne cherche pas à décrire de manière unifiée avec les autres interactions.

En attendant que les scientifiques dans leurs laboratoires, téléscopes et accélérateurs de particules ne découvrent le Saint Graal, une théorie du tout semble introuvable et l’univers continue de bien garder ses secrets de fabrication.