Les scientifiques recherchent une description unique de la réalité. Mais la physique moderne nous permet de la décrire de plusieurs façons, dont beaucoup sont équivalentes les unes aux autres, et sont connectées à travers un vaste paysage de possibilités mathématiques
Supposons que nous ayons demandé à Alice et Bob de préparer un repas. Alice aime la cuisine chinoise, Bob aime la cuisine italienne. Chacun d'eux a choisi sa recette préférée, achetée dans un magasin local spécialisé dans les bons produits, et a soigneusement suivi les instructions. Mais quand ils ont sorti leurs plats du four, ils ont été très surpris. Il s'est avéré que les deux plats sont identiques. On peut imaginer quelles questions existentielles Alice et Bob vont poser. Comment préparer le même plat à partir d'ingrédients différents? Que signifie cuisiner un plat chinois ou italien? Y a-t-il un défaut fatal dans leur approche de la cuisine?
C'est précisément cette perplexité vécue par les spécialistes de la physique quantique. Ils ont trouvé de nombreux exemples de deux descriptions complètement différentes du même système physique. Seulement dans le cas de la physique, les ingrédients ne sont pas de la viande et de la sauce, mais des particules et de la force; les recettes sont des formules mathématiques qui codent les interactions; et la cuisson est une procédure de quantification qui transforme les équations en probabilités de phénomènes physiques. Et, comme Alice et Bob, les physiciens sont perplexes sur la façon dont différentes recettes ont conduit au même résultat.
La nature peut-elle choisir ses lois fondamentales? Albert Einstein, comme vous le savez, pensait qu'il existe un moyen unique de construire une version cohérente et fonctionnelle de l'univers basée sur des principes de base. Du point de vue d'Einstein, si nous approfondissons suffisamment l'essence de la physique, il y aura une seule façon dont tous les composants - matière, rayonnement, forces, espace, temps - seront connectés les uns aux autres, de sorte que la réalité fonctionne, assimilée à comme les engrenages, les ressorts, les cadrans et les poulies d'une montre mécanique, ils combinent et comptent le temps de manière unique.
Le
modèle standard actuel pour la physique des particules est, en fait, un mécanisme soigneusement conçu avec peu d'ingrédients. Et, néanmoins, au lieu de rester unique, l'Univers fait partie d'un nombre infini de mondes possibles. Nous n'avons absolument aucune idée pourquoi précisément un tel ensemble de particules et de forces sous-tend la structure de la nature. Pourquoi y a-t-il six
saveurs de quark,
trois générations de neutrinos et une
particule de Higgs ? De plus, le modèle standard énumère 19 constantes de la nature - telles que la masse et la charge d'un électron - qui doivent être mesurées expérimentalement. Les significations de ces "
paramètres libres " ne semblent pas avoir un sens profond. D'une part, la physique des particules est un miracle d'élégance; de l'autre, l'histoire que c'est tout parce que c'est.
Si notre monde est l'un des nombreux, que faire des alternatives? Le point de vue actuel peut être vu comme l'opposé du rêve d'Einstein d'un cosmos unique. Les physiciens modernes prennent un immense espace de possibilités et essaient de comprendre sa logique générale et son interconnexion. De chercheurs d'or, ils se sont transformés en géographes et géologues, marquant les détails du paysage et étudiant les forces qui le forment.
La théorie des cordes a aidé à changer la situation et à changer la perspective. Pour le moment, c'est le seul candidat viable pour la théorie de la nature, capable de décrire toutes les particules et interactions, y compris la gravité, tout en obéissant aux règles logiques strictes de la mécanique quantique et de la théorie de la relativité. La bonne nouvelle est qu'il n'y a pas de paramètres libres dans la théorie des cordes. Elle n'a pas de boutons de réglage pour jouer avec. Il ne sert à rien de demander quelle théorie des cordes décrit notre univers, car il n'en est qu'un. L'absence de fonctionnalités supplémentaires entraîne des conséquences radicales. Tous les nombres de la nature doivent être déterminés par la physique elle-même. Il n'y a pas de «constantes naturelles», seulement des variables fixées par des équations (éventuellement extrêmement complexes).
Et cela nous amène à de mauvaises nouvelles. L'espace des solutions de théorie des cordes est immense et complexe. En physique, cela se produit. Nous distinguons traditionnellement les lois fondamentales données par les équations mathématiques et leurs solutions. Il n'y a généralement que quelques lois et un nombre infini de solutions. Prenez les lois de Newton. Ils sont stricts et élégants, mais décrivent un grand nombre de phénomènes, de la pomme qui tombe à l'orbite de la lune. Si vous connaissez les conditions initiales d'un système particulier, les possibilités de ces lois vous permettent de résoudre des équations et de prédire ce qui va se passer ensuite. Nous n'attendons pas et n'exigeons pas de solutions uniques qui décrivent tout.
En théorie des cordes, certaines caractéristiques de la physique que nous considérons normalement comme des lois de la nature - par exemple, certaines particules ou interactions - sont en fait des solutions. Ils sont déterminés par la forme et la taille des dimensions supplémentaires cachées. L'espace de toutes les décisions est souvent appelé le "paysage", mais c'est un euphémisme monstrueux. Même le terrain montagneux le plus spectaculaire paraîtra insensé par rapport à l'immensité de cet espace. Et bien que nous comprenions très mal sa géographie, nous savons que des continents de dimensions énormes y existent. L'une de ses caractéristiques les plus séduisantes est que tout est peut-être lié à tout - c'est-à-dire que deux modèles sont connectés de manière continue. Si nous secouons suffisamment l'Univers, nous devrions pouvoir passer d'un monde possible à un autre, en changeant ce que nous considérons comme les lois immuables de la nature et une combinaison spéciale de particules élémentaires qui composent notre réalité.
Mais comment étudier le vaste paysage des modèles physiques de l'Univers, dans lequel des centaines de dimensions peuvent apparaître? Il est utile d'imaginer le paysage comme une faune non développée, dont la plupart est cachée sous d'épaisses couches d'une complexité infranchissable. Et ce n'est qu'à ses bords que nous pouvons trouver des endroits habitables. À ces avant-postes, la vie est simple et agréable. Nous trouvons ici les modèles de base qui nous sont parfaitement compréhensibles. Ils font peu pour aider à décrire le monde réel, mais servent de points de départ pratiques pour explorer les environs.
Un bon exemple serait le QED,
l'électrodynamique quantique , qui décrit les interactions entre la matière et la lumière. Ce modèle a un paramètre, la
constante de structure fine α, qui mesure la force de l'interaction de deux électrons. En valeur absolue, il est proche du 1/137. Dans QED, tous les processus peuvent être considérés comme une conséquence des interactions élémentaires. Le QED nous invite à considérer toutes les manières possibles dont deux électrons peuvent échanger un photon, ce qui, en pratique, obligerait les physiciens à trouver une quantité extrêmement complexe et infinie. Mais la théorie nous donne une solution: chaque échange de photons ultérieur ajoute un terme dans lequel α est élevé, élevé à un degré supplémentaire. Comme ce nombre est assez faible, les membres avec un grand nombre d'échanges apportent une petite contribution. Ils peuvent être négligés, estimant grossièrement la valeur "réelle".
Nous considérons ces théories faiblement couplées comme des avant-postes du paysage. Ici, la force des interactions est faible, et il est logique de parler d'une liste de courses composée de particules élémentaires et d'une recette pour calculer leurs interactions. Mais si nous quittons notre cercle intérieur et allons dans la nature, les connexions deviendront plus importantes et chaque membre supplémentaire commencera à devenir plus important. Et maintenant, nous ne pouvons plus distinguer les particules individuelles. Ils se dissolvent, se transformant en un réseau d'énergies confus, comme des ingrédients de gâteau dans un four chaud.
Cependant, tout n'est pas perdu. Parfois, le chemin à travers le fourré sombre se termine à un autre avant-poste. C'est-à-dire, dans un autre modèle bien contrôlé, assemblé à partir d'un ensemble complètement différent de particules et d'interactions. Dans ce cas, ils deviennent deux recettes alternatives pour la même physique sous-jacente, comme les plats d'Alice et Bob. Ces descriptions complémentaires sont appelées modèles doubles et leur relation est appelée dualisme. On peut considérer ces dualismes sous la forme d'une grande généralisation de la célèbre
dualité onde-particule découverte par Heisenberg. Dans le cas d'Alice et Bob, cela prend la forme d'une transition entre les recettes chinoises et italiennes.
Pourquoi est-ce si intéressant pour la physique? Premièrement, la conclusion que de nombreux modèles, sinon tous, font partie d'un vaste espace interconnecté, est parmi les résultats les plus étonnants de la physique quantique moderne. Il s'agit d'un changement de perspective digne du terme «
changement de paradigme ». Elle dit qu'au lieu d'explorer l'archipel d'îles individuelles, nous avons découvert un continent massif. En un sens, en étudiant suffisamment un modèle, nous pouvons tous les étudier. Nous pouvons étudier comment ces modèles sont liés, ce qui nous révélera le commun dans leurs structures. Il est important de souligner que ce phénomène est largement indépendant de la question de savoir si la théorie des cordes décrit le monde réel ou non. Il s'agit d'une propriété interne de la physique quantique, qui n'ira nulle part, quelle que soit l'avenir de la «théorie de tout».
Une conclusion plus radicale est que nous devons nous débarrasser de toutes les descriptions traditionnelles de la physique fondamentale. Particules, champs, interactions, symétries - autant d'artefacts de simple existence aux avant-postes de ce vaste paysage d'une complexité imprenable. Apparemment, l'approche de la physique en termes de blocs de construction élémentaires est incorrecte, ou du moins très limitée. Il existe peut-être une plate-forme radicalement nouvelle qui combine les lois fondamentales de la nature, ignorant tous les concepts familiers. La complexité mathématique et la cohérence de la théorie des cordes motivent fortement ce point de vue. Mais je dois dire honnêtement. Très peu d'idées d'aujourd'hui sur le remplacement des particules et des champs sont «trop folles pour être vraies», pour citer
Niels Bohr . Comme Alice et Bob, la physique est prête à jeter les vieilles recettes et à adopter une
cuisine fusion moderne.