Demandez à Ethan: dans quelle mesure sommes-nous proches de la théorie de tout?

L'idée que toutes les interactions et particules observées aujourd'hui sont les manifestations d'une seule théorie complète est intéressante, mais nécessite des mesures supplémentaires et un tas de nouveaux types de particules et d'interactions

Bien avant Einstein, les personnes qui ont étudié l'Univers rêvaient de trouver une seule équation, couvrant autant de phénomènes que possible. Au lieu d'avoir sa propre loi pour chaque propriété physique de l'Univers, il serait possible de les combiner en une plateforme unique et complète. Toutes les lois des charges électriques, du magnétisme, des courants électriques, de l'induction et d'autres choses ont été combinées en une seule plate-forme par James Clerk Maxwell au milieu du XIXe siècle. Depuis lors, les physiciens ont rêvé de la théorie de tout : une seule équation régissant toutes les lois de l'univers. Quels progrès avons-nous réalisés? Telle est la question de notre lecteur qui veut savoir:

La science a-t-elle progressé en ce qui concerne la théorie de la grande unification (TVO) et la théorie de tout? Pourriez-vous expliquer ce que cela signifierait pour nous si nous trouvions une équation unificatrice?

Oui, des progrès ont été accomplis, mais nous n'avons pas encore atteint l'objectif. De plus, il n'est même pas certain que la théorie de tout existe.


Les interactions électromagnétiques, faibles, fortes et gravitationnelles sont les quatre interactions fondamentales connues de l'univers.

Les lois de la nature, pour autant que nous les ayons découvertes, peuvent être divisées en quatre interactions fondamentales: la force de gravité, contrôlée par la théorie générale de la relativité, et les trois forces quantiques qui contrôlent les particules et leur interaction - interaction nucléaire forte, interaction nucléaire faible et interaction électromagnétique. Les premières tentatives pour créer une théorie unifiée de tout ont commencé peu de temps après la publication de la relativité générale, avant même que nous connaissions les lois fondamentales régissant les interactions nucléaires. Ces idées, connues sous le nom de théories de Kaluza-Klein , ont essayé de combiner la gravité et l'électromagnétisme.


L'idée de combiner gravité et électromagnétisme remonte au début des années 1920 et aux œuvres de Theodor Kaluza et Oscar Klein.

L'ajout d'une dimension spatiale supplémentaire à la relativité générale d'Einstein, la cinquième d'affilée (à l'exception des trois spatiales standard et une temporaire), a entraîné l'apparition de la gravité d'Einstein, de l'électromagnétisme de Maxwell et d'un nouveau champ scalaire supplémentaire. La dimension supplémentaire doit être suffisamment petite pour ne pas interférer avec les lois de la gravité, et le champ scalaire supplémentaire ne doit pas avoir d'effet distinct sur l'Univers. Comme il était impossible de formuler une théorie quantique de la gravité avec une telle approche, la découverte de la physique quantique et des forces nucléaires - que cette tentative d'unification n'a pas pu prendre en compte - a privé l'approche de la popularité.


Les quarks, antiquarks et gluons du modèle standard ont une charge de couleur, en plus de toutes les autres propriétés, telles que la masse et la charge électrique. Le modèle standard peut être écrit sous la forme d'une seule équation, mais les interactions qu'il contient ne seront pas combinées.

Cependant, des interactions nucléaires fortes et faibles ont conduit à la formulation du modèle standard en 1968, qui a réuni des interactions fortes, faibles et électromagnétiques sous un même parapluie englobant tout. Toutes les particules et leurs interactions ont été prises en compte, plusieurs nouvelles prédictions ont été faites, dont une grande prédiction sur l'association. À des énergies élevées de l'ordre de 100 GeV (l'énergie nécessaire pour accélérer un électron à un potentiel de 100 milliards de volts), la symétrie combinant l'interaction électromagnétique et faible devrait être restaurée. L'existence de nouveaux bosons massifs a été prédite, et avec la découverte des bosons W et Z en 1983, cette prédiction a été confirmée. Quatre interactions fondamentales réduites à trois.


L'idée d'unification suggère que les trois interactions du modèle standard, et peut-être même la gravité, aux hautes énergies sont combinées en une seule plate-forme

L'union était déjà une idée intéressante, mais des modèles ont commencé à la développer. Les gens ont suggéré qu'à des énergies encore plus élevées, une forte interaction se combinerait avec une faiblesse électrique; c'est de là qu'est venue l'idée des grandes théories de l'unification. Certains ont suggéré qu'à des énergies encore plus élevées, peut-être dans la région de l'échelle de Planck, la gravité rejoindra également le reste; ce fut l'une des principales motivations de la théorie des cordes. Une caractéristique intéressante de ces idées est que si vous avez besoin d'unification, vous devez restaurer les symétries aux hautes énergies. Et si l'Univers aux hautes énergies a des symétries qui sont actuellement brisées, cela peut se traduire par quelque chose d'observable: de nouvelles particules et de nouvelles interactions.


Particules du modèle standard et leurs jumeaux supersymétriques. Ce spectre de particules est une conséquence inévitable de l'union de quatre interactions fondamentales dans le contexte de la théorie des cordes

Alors, quelles nouvelles particules et interactions sont prévues? Cela dépend de la version des théories d'unification à choisir. Cela comprend:

• Particules lourdes et neutres, similaires à la matière noire.
• Partenaires supersymétriques de particules.
• Monopôles magnétiques.
• Bosons scalaires lourds et chargés [avec spin nul / env. trad.].
• De nombreuses particules similaires à la particule de Higgs.
• Particules intermédiaires en désintégration protonique.

Bien que des observations indirectes nous permettent de confirmer en toute confiance l'existence de la matière noire, aucune de ces particules ou décroissance prédite n'a été observée dans les expériences.


En 1982, dans une expérience menée par Blas Cabrera , avec huit boucles de fil, un changement a été enregistré dans huit magnétons: signe d'un monopôle magnétique. Malheureusement, lors de la découverte, personne n'était au laboratoire, et depuis lors, personne n'a pu reproduire cette expérience ni trouver le deuxième monopôle.

Mais c'est dommage - pour de nombreuses raisons, car nous cherchions très activement tout cela. En 1982, l'une des expériences à la recherche de monopôles magnétiques a enregistré le seul résultat positif, alors il a eu beaucoup d'adeptes essayant de trouver des monopôles. Malheureusement, ce résultat positif est une anomalie et personne ne l'a jamais reproduit. Toujours dans les années 1980, les gens ont commencé à construire des réservoirs géants avec de l'eau et d'autres noyaux atomiques à la recherche de preuves de la désintégration des protons. En conséquence, ces réservoirs ont été convertis en capteurs de neutrinos et aucune désintégration du proton n'a été enregistrée. La limite de durée de vie des protons dépasse maintenant 10 ³⁵ ans - environ 25 ordres de grandeur de plus que l'âge de l'Univers.


La citerne remplie d'eau de l' expérience Super Kamiokande , qui a établi les restrictions les plus strictes sur la durée de vie du proton. Plus tard, ces détecteurs sont devenus d'excellents observatoires des neutrinos, mais n'ont enregistré aucune désintégration de protons.

C'est également mauvais, car la Grande Unification offre un moyen soigné et élégant de créer des asymétries entre la matière et l'antimatière dans l'Univers. Au début, l'Univers était suffisamment chaud pour produire des paires matière / antimatière et toutes les particules qui pourraient l'être. Dans la plupart des TBO, deux de ces particules existantes sont les bosons superlourds X et Y, qui ont des charges et contiennent des paires de quarks et de leptons. Il est prévu que l'asymétrie se manifeste dans la façon dont leurs versions pour la matière et l'antimatière se désintègrent, ce qui peut conduire à la prédominance des résidus de matière sur l'antimatière, même s'il n'y avait pas de prédominance au départ. Malheureusement, encore une fois, nous n'avons pas encore trouvé de preuves de la présence de telles particules et de leurs interactions.


Une collection symétrique de bosons de matière et d'antimatière (X, Y, anti-X, anti-Y) peut, en présence des propriétés nécessaires du TBO, générer l'asymétrie matière / antimatière observée dans l'Univers aujourd'hui

Certains physiciens pensent que de telles symétries doivent exister dans l'Univers et que leurs preuves dépassent tout simplement les énergies disponibles sur le LHC. D'autres viennent à une occasion moins commode: probablement la nature ne cherche pas à s'unir. Il n'y a peut-être pas de TVO décrivant notre réalité physique; peut-être que la théorie quantique de la gravité n'est pas combinée avec d'autres interactions; peut-être que les problèmes de baryogenèse et de matière noire ont d'autres solutions qui ne découlent pas de ces idées. Après tout, l'arbitre final de ce à quoi l'Univers ressemble ne sera pas nos idées à ce sujet, mais les résultats d'expériences et d'observations. Nous ne pouvons que demander à l'univers ce que c'est; c'est à nous de tenir compte de la réponse et d'agir en conséquence.


Le lagrangien du modèle standard est une équation unique qui inclut les particules et les interactions du modèle standard. Il comprend cinq parties indépendantes: les gluons (1), les bosons faibles (2), l'interaction de la matière avec une interaction faible et le champ de Higgs (3), les particules-esprits qui éliminent la redondance du champ de Higgs (4) et les esprits Faddeev-Popov qui affectent la redondance interaction faible (5). Les masses de neutrinos ne sont pas incluses.

Bien que nous puissions écrire le modèle standard sous la forme d'une seule équation, il ne s'agit pas d'une théorie d'unification dans le sens où des membres différents, séparés et indépendants gouvernent différentes composantes de l'Univers. Différentes parties du modèle standard n'interagissent pas entre elles - la charge de couleur n'affecte pas les interactions électromagnétiques ou faibles. Il n'y a pas non plus de réponse aux questions sur les raisons pour lesquelles il n'y a pas d'interactions telles que la violation de l'invariance CP dans l'interaction forte qui devrait se produire.


Lorsque la symétrie est restaurée (à la valeur potentielle la plus élevée), une union se produit. Cependant, la violation des symétries, à la base de la colline, correspond à l'Univers que nous avons aujourd'hui, où de nouveaux types de particules massives existent

Beaucoup espèrent que l'association contiendra la réponse à ces questions et qu'elle résoudra de nombreux problèmes ouverts et énigmes de la physique moderne. Cependant, toutes sortes de symétries supplémentaires - des symétries qui sont restaurées à de hautes énergies, et qui sont aujourd'hui brisées - conduisent à l'apparition de nouvelles particules, de nouvelles interactions et de nouvelles règles physiques par lesquelles l'Univers devrait jouer. Nous avons essayé de rétroconcevoir certaines des prédictions en utilisant les règles nécessaires pour que tout fonctionne - cependant, les particules et les associations que nous espérions voir n'apparaissaient pas. L'unification ne vous aidera pas à dériver des propriétés manifestes telles que la chimie, la biologie, la géologie, la conscience - mais elle nous aidera à mieux comprendre d'où et comment tout est venu.


L'histoire cosmique de tout l'Univers connu montre que nous devons l'origine de toute matière et de toute la lumière qu'elle contient à la fin de l'inflation et au début du Big Bang chaud

Bien sûr, il y a une autre possibilité: que l'Univers ne s'unisse pas. Le fait que de nombreuses lois et règles différentes existent pour une raison: les symétries que nous avons inventées ne sont que des caractéristiques mathématiques et non des descriptions de l'Univers physique. Pour chaque théorie physique élégante, belle et convaincante, il existe une autre théorie physique tout aussi élégante, belle et convaincante - mais fausse. Dans celles-ci, comme dans toutes les questions scientifiques, la tâche de l'humanité est de poser les bonnes questions. Eh bien, la tâche de l'univers est de nous fournir des réponses. Quels qu'ils soient, nous avons un tel univers tel qu'il est. Et nous devons comprendre ce que ces réponses signifient.

Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].

FAQ: si l'Univers se développe, pourquoi ne nous développons-nous pas ? pourquoi l'âge de l'Univers ne coïncide pas avec le rayon de sa partie observée .