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Une théorie de tout est-elle possible? Voici quelques-uns des candidats les plus intéressants

Une théorie de tout est-elle possible? Voici quelques-uns des candidats les plus intéressants

Et si des extraterrestres se présentaient aujourd'hui? Pas n'importe quel groupe d'extraterrestres ordinaire non plus. Nous parlons d'un groupe de créatures hautement intelligentes qui ont percé tous les mystères de notre univers. Ces prétendus étrangers sauraient tout sur la nature de la réalité. S'ils essayaient d'expliquer ces idées, pensez-vous que les humains seraient capables de les comprendre? Mieux encore, nos principales idées scientifiques seraient-elles en accord avec ce que les extraterrestres ont à dire? Avec notre compréhension actuelle de l'univers, à quel point serions-nous proches?

La plupart des physiciens vous diront que nous sommes sur la bonne voie, mais nous avons encore des progrès à faire. Dans la quête incessante de l'humanité pour comprendre notre réalité, nous avons mis au point des théories testables et incroyablement précises qui expliquent les événements qui se produisent à une échelle inimaginablement petite et dans un univers infiniment vaste. Cependant, les cadres mathématiques actuels expliquant le colossal et le minuscule ne sont pas d'accord les uns avec les autres. Au cours du siècle dernier, des physiciens de premier plan ont placé leurs espoirs dans le toujours si insaisissable théorie des champs unifiés ou théorie de tout (TOE). Mais devraient-ils?

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En physique des particules, une théorie des champs unifiés, ou grande théorie unifiée, est une tentative de décrire toutes les forces fondamentales et les relations entre les particules élémentaires en termes d'un cadre théorique unique.

Au milieu du 19e siècle, James Clerk Maxwell a formulé la première théorie des champs dans sa théorie de l'électromagnétisme, qui a démontré la relation entre les forces de l'électricité et du magnétisme. Puis, au début du 20e siècle, Albert Einstein a développé la relativité générale, une théorie des champs de la gravitation. Plus tard, Einstein et d'autres ont tenté de construire une théorie du champ unifié qui incorporait à la fois l'électromagnétisme et la gravité comme différents aspects d'un seul champ fondamental.

Certains chercheurs disent qu'une théorie unifiée chasse une licorne. Néanmoins, une majorité vocale, y compris Einstein, pense qu'il est possible de combler le fossé entre la force électromagnétique, les forces nucléaires fortes et faibles et la gravité.

Comme l'écrivait le cosmologiste et physicien des particules John Barrow de l'Université de Cambridge au Royaume-Uni: «Trouver une théorie de tout est tout à fait concevable. Les lois de la nature sont plutôt rares, elles sont simples et symétriques, et il n'y a que quatre forces fondamentales . " Cependant, nous prenons de l'avance sur nous-mêmes. Vous demandez peut-être ce qu'est exactement une théorie de tout?

Pourquoi avons-nous besoin d'une grande théorie unifiée?

L'univers et tout ce qu'il contient sont maintenus ensemble par quatre forces fondamentales; la force électromagnétique, la force nucléaire forte et faible, et la gravité. Les trois premières forces forment le modèle standard de la physique des particules, qui est le monde de la mécanique quantique en un mot. Vous connaissez probablement certains aspects du monde quantique, comme l'intrication quantique et le principe d'incertitude. La gravité est le mouton noir de cette famille de forces, se promenant comme un enfant indiscipliné, rendant les choses très difficiles pour tout le monde.

La force gravitationnelle explique le comportement de toutes choses avec masse ou énergie. En 1915, Albert Einstein a proposé sa théorie générale de la relativité, qui décrit la gravité non comme une force, mais comme une conséquence de la courbure de l'espace-temps causée par la distribution inégale de la masse.

Cependant, les choses (principalement les mathématiques) s'effondrent lorsque la mécanique quantique et la relativité sont appliquées ensemble. Une théorie de tout rassemblerait tout, mathématiquement et, espérons-le, dans une théorie magnifiquement unifiée. Cependant, cela est extrêmement difficile. Bien que notre compréhension de la physique se soit élargie depuis les contributions d'Einstein (c'est-à-dire les forces nucléaires fortes et faibles).

Comme le célèbre physicien l'a dit un jour à un étudiant: «Je veux savoir comment Dieu a créé ce monde. Je ne suis pas intéressé par tel ou tel phénomène, dans le spectre de tel ou tel élément. Je veux connaître ses pensées; le reste ne sont que des détails. " Alors, à quel point sommes-nous plus près de connaître l'esprit de Dieu? Eh bien, cela dépend de qui vous demandez. Il y a plusieurs candidats pour une théorie de tout, chacun avec ses propres particularités, mais chacun d'eux est tout aussi époustouflant. Pour cet article, nous nous concentrerons sur les idées fondamentales de ces théories. Commençons.

Théorie des cordes: un multivers vibrant

La théorie des cordes est probablement l'un des candidats les plus forts de notre liste, car c'est l'une des théories potentielles les plus explorées de tout. Vous en avez peut-être déjà entendu parler dans la culture pop, ou peut-être avez-vous un ami qui adore en parler en état d'ébriété.

Cependant, le monde de la théorie des cordes est un trou de lapin profond qui peut faire un peu fondre le cerveau. La théorie des cordes postule que les particules sont en fait des cordes unidimensionnelles qui vibrent au niveau très basique.

Selon la théorie des cordes, ces cordes vibrent à différents niveaux déterminant les types de particules et les propriétés, telles que la masse et la charge. Mais, pour que cette théorie fonctionne mathématiquement, des dimensions spatiales supplémentaires qui ne peuvent pas être expérimentées directement par les humains doivent être prises en compte dans l'équation.

Bien que radicale, l'idée est une approche élégante des énigmes mentionnées ci-dessus. Cependant, la théorie des cordes pose plusieurs problèmes. Nous allons se concentrer sur deux de grands.

D'abord et avant tout, la théorie des cordes est juste cela, "une théorie", et les théoriciens ont du mal à trouver des moyens de tester correctement cette idée, certains physiciens allant jusqu'à dire que la théorie des cordes est une pseudoscience. Cela pourrait changer très bientôt. Des physiciens de premier plan d'institutions comme l'Université Harvard et l'Université Stony Brook croient que la clé de la construction d'une TOE sur la théorie des cordes tourne autour du concept d'inflation.

On pense que l'inflation a joué un rôle majeur dans les premiers instants du Big Bang, expliquant pourquoi l'univers ressemble à ce qu'il fait et pourquoi il a traversé une phase d'expansion extrême. Si la théorie des cordes peut éventuellement être conçue pour expliquer l'inflation, cela pourrait être un pas de plus vers la grande théorie unifiée que nous recherchons depuis toutes ces années. Cependant, cela conduit à notre prochain numéro.

Pour le moment, il existe trop de variantes de la théorie. Les physiciens ont tenté d'unifier plusieurs idées de théorie des cordes, créant un cadre plus général appelé M-théorie. Cependant, la théorie M ouvre simplement les portes à 10 ^ 500 univers. Certains pensent que cela pourrait être la preuve qu'il existe plusieurs univers, ou que la théorie n'est pas testable. La théorie des cordes semble avoir un long chemin à parcourir avant que la communauté scientifique puisse l'adopter.

Loop Quantum Gravity: un univers tressé ensemble

LQG ou la gravitation quantique en boucle est actuellement l'un des plus grands concurrents de la théorie des cordes pour le titre de "théorie de tout". L'idée générale de la gravitation quantique en boucle est que l'espace n'est pas continu mais est divisé en minuscules morceaux ou quantas: champs gravitationnels sur 10 ^ -35 mètres de diamètre. Ces quantas d'espace sont ensuite reliés par des liens pour former l'espace que nous expérimentons. Lorsque ces liens s'emmêlent en "tresses" et "nœuds", ils produisent des particules élémentaires. LQG a des affirmations audacieuses, notamment en décrivant comment l'univers peut s'être formé après l'effondrement d'un univers précédent. Contrairement à la théorie des cordes, LQG n'introduit pas de dimensions supplémentaires et n'essaie pas d'unifier toutes les forces. La théorie pourrait être utilisée pour expliquer certaines grandes idées du monde réel et aider à clarifier le début de notre univers.

Cependant, la plupart des versions de la gravitation quantique en boucle ont du mal à intégrer la gravité, et en fait, certaines n'essaient même pas de le faire. Au lieu de cela, ils font un effort pour quantifier le champ gravitationnel tout en le gardant séparé des autres forces

Graphité quantique: les choses se radicalisent un peu

C'est le point sur la liste où les choses commencent à devenir un peu bizarres, allant au-delà de la science traditionnelle vers des domaines plus marginaux de la science ou des expériences de pensée complètes. Fotini Markopoulou et ses collègues du Perimeter Institute for Theoretical Physics à Waterloo, Ontario, Canada visent à jeter de nombreuses hypothèses universelles par la fenêtre dans leur quête pour trouver une théorie de tout. Surnommé Quantum Graphity, Markopoulou estime que lorsque l'univers s'est formé dans le Big Bang, l'espace n'existait pas tel que nous le connaissons.

Selon cette théorie, l'univers tel que nous le connaissons était autrefois un réseau abstrait de «nœuds» de l'espace. Chaque nœud était connecté l'un à l'autre. Cependant, peu de temps après le Big Bang, l'univers s'est effondré, créant les principes qui régissent notre réalité aujourd'hui.

LES CHERCHEURS UTILISENT LES IDÉES DE RICHARD FEYNMAN POUR DÉVELOPPER UNE `` THÉORIE DE TOUT ''

Gravité quantique d'Einstein: gravité en un point

L'un des plus gros problèmes liés à la connexion de la gravité au monde de la mécanique quantique est ce qui arrive à la gravité à de très petites échelles. Les choses deviennent un peu bizarres. Les modèles actuels que nous avons suggèrent que la gravité est une force très faible. Les mêmes modèles vous feraient également croire que plus deux objets sont proches l'un de l'autre, plus l'attraction gravitationnelle entre eux est forte. Mais cela se décompose au niveau quantique. La gravité quantique d'Einstein pourrait être une explication potentielle à ce puzzle, et un autre candidat pour une théorie de tout. Proposée par Martin Reuter de l'Université de Mayence, en Allemagne, cette idée pourrait ouvrir les portes d'une théorie quantique de la gravité.

E8: L'une des plus belles théories de toute la science

L'article de Garrett Lisi "Une théorie exceptionnellement simple de tout" est controversé, élégant et beau. Selon la théorie E8 du physicien, le 248 dimensions L'objet mathématique ci-dessus est la clé pour comprendre l'univers. La théorie du potentiel du physicien et du surfeur sur tout peut être résumée avec un groupe de Lie E8. Lisi a créé cette structure en représentant graphiquement les particules fondamentales d'un graphique marquant la force électro-faible, l'hypercharge et les charges dans le champ de Higgs. Après avoir tracé toutes ces particules sur un graphique 3D, ce motif mathématique complexe à huit dimensions a émergé avec 248 points. Encore une fois, chacun de ces points sont des particules fondamentales avec des propriétés différentes.

C'est là que les choses deviennent intéressantes. Il y a une poignée de particules sur le diagramme avec des propriétés spécifiques qui sont «manquantes». Cela signifie que nous pouvons tester et rechercher des particules avec ces propriétés spécifiques. Plus encore, on pense que ces particules seraient en corrélation avec la gravité comblant notre écart quantique et de relativité générale. Bien sûr, cette théorie doit être prise avec un grain de sel, et même Lisi croit toujours que l'idée a besoin de travail. Cependant, il pense qu'elle a de meilleures chances d'être une théorie de tout que la théorie des cordes. Coups de feu.

Pseudoscience? Avons-nous besoin d'une grande théorie unifiée?

Comme vous l'avez probablement remarqué, bon nombre de ces théories flottent en marge de la science. Même notre candidat le plus prometteur - la théorie des cordes - a encore du mal à trouver des moyens pratiques de se faire tester. Une grande théorie unificatrice est basée sur l'hypothèse que la nature a une solution mathématique élégante et symétrique aux principes qui régissent notre réalité. Cependant, la science nous montre à maintes reprises que c'est rarement le cas. Dans un article pour Nautile», Sabine Hossenfelder, chercheuse à l'Institut d'études avancées de Francfort, la chercheuse a déclaré que« toute cette idée d'une théorie de tout est basée sur une prémisse non scientifique ».

«Ce n'est tout simplement pas une bonne stratégie pour développer des théories scientifiques, et non, ce n'est certainement pas une méthodologie standard. En fait, c'est le contraire.

Parfois, la théorie de tout semble aussi insaisissable qu'un Pokémon brillant et aussi mythique qu'une licorne. Pensez-vous que l'une des théories ci-dessus expliquera la nature de la réalité? Ou avons-nous encore un long chemin à parcourir? Quelles autres idées ou approches devrions-nous envisager?


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