En 1925, Einstein a fait une promenade avec une jeune étudiante nommée Esther Salaman. Alors qu'ils erraient, il a partagé son principe intellectuel directeur: "Je veux savoir comment Dieu a créé ce monde. Je ne suis pas intéressé par tel ou tel phénomène, par le spectre de tel ou tel élément. Je veux connaître Ses pensées; le reste n'est que des détails. "
L'expression «pensées de Dieu» est une métaphore délicieusement appropriée pour le but ultime de la physique moderne, qui est de développer une parfaite compréhension des lois de la nature - ce que les physiciens appellent «une théorie de tout» ou TOE. Idéalement, une TOE répondrait à toutes les questions, sans rien laisser sans réponse. Pourquoi le ciel est bleu? Couvert. Pourquoi la gravité existe-t-elle? C'est aussi couvert. Énoncé d'une manière plus scientifique, une TOE expliquerait idéalement tous les phénomènes avec une seule théorie, un seul bloc de construction et une seule force. À mon avis, trouver une TOE pourrait prendre des centaines, voire des milliers d'années. Pour comprendre pourquoi, faisons le point.
Nous connaissons deux théories qui, prises ensemble, donnent une bonne description du monde qui nous entoure, mais les deux sont à des années-lumière d'être une TOE.
La deuxième théorie est appelée le modèle standard, qui décrit le monde subatomique. C'est dans ce domaine que les scientifiques ont fait les progrès les plus évidents vers une théorie de tout.
Si nous regardons le monde qui nous entoure - le monde des étoiles et des galaxies, des caniches et des pizzas, nous pouvons nous demander pourquoi les choses ont leurs propriétés. Nous savons que tout est composé d'atomes, et ces atomes sont constitués de protons, de neutrons et d'électrons.
Et, dans les années 1960, les chercheurs ont découvert que les protons et les neutrons étaient constitués de particules encore plus petites appelées quarks et que l'électron faisait partie de la classe de particules appelées leptons.
Trouver les plus petits blocs de construction n'est que la première étape de l'élaboration d'une théorie de tout. L'étape suivante consiste à comprendre les forces qui régissent l'interaction des blocs de construction. Les scientifiques connaissent quatre forces fondamentales, dont trois - l'électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles - sont comprises au niveau subatomique. L'électromagnétisme maintient les atomes ensemble et est responsable de la chimie. La force forte maintient le noyau des atomes et maintient les quarks à l'intérieur des protons et des neutrons. La force faible est responsable de certains types de désintégration nucléaire.
Chacune des forces subatomiques connues a une ou plusieurs particules associées qui portent cette force: le gluon porte la force forte, le photon régit l'électromagnétisme et les bosons W et Z contrôlent la force faible. Il existe également un champ d'énergie fantomatique, appelé champ de Higgs, qui imprègne l'univers et donne de la masse aux quarks, aux leptons et à certaines des particules porteuses de force. Ensemble, ces éléments constitutifs et ces forces constituent le modèle standard.
En utilisant des quarks et des leptons et les particules porteuses de force connues, on peut construire des atomes, des molécules, des personnes, des planètes et, en fait, toute la matière connue de l'univers. Il s'agit sans aucun doute d'une réalisation formidable et d'une bonne approximation d'une théorie de tout.
Et pourtant, ce n'est vraiment pas le cas. Le but est de trouver un seul bloc de construction et une seule force qui pourraient expliquer la matière et le mouvement de l'univers. Le modèle standard comprend 12 particules (six quarks et six leptons) et quatre forces (électromagnétisme, gravité et forces nucléaires fortes et faibles). De plus, il n'y a pas de théorie quantique de la gravité connue (ce qui signifie que notre définition actuelle couvre uniquement la gravité impliquant des choses plus grandes que, par exemple, la poussière ordinaire), de sorte que la gravité ne fait même pas partie du modèle standard. Ainsi, les physiciens continuent de rechercher une théorie encore plus fondamentale et sous-jacente. Pour ce faire, ils doivent réduire le nombre de blocs de construction et de forces.
Trouver un bloc de construction plus petit sera difficile, car cela nécessite un accélérateur de particules plus puissant que les humains n'ont jamais construit. L'horizon temporel pour la mise en service d'une nouvelle installation d'accélération est de plusieurs décennies et cette installation n'apportera qu'une amélioration progressive relativement modeste par rapport aux capacités existantes. Ainsi, les scientifiques doivent plutôt spéculer sur ce à quoi pourrait ressembler un bloc de construction plus petit. Une idée populaire est appelée théorie des supercordes, qui postule que le plus petit bloc de construction n'est pas une particule, mais plutôt une petite "corde" vibrante. De la même manière qu'une corde de violoncelle peut jouer plus d'une note, les différents modèles de vibrations sont les différents quarks et leptons. De cette façon, un seul type de chaîne pourrait être le bloc de construction ultime.
Le problème est qu'il n'y a aucune preuve empirique que les superstrings existent réellement. De plus, l'énergie attendue requise pour les voir s'appelle l'énergie Planck, qui est un quadrillion (10 élevé à la 15e puissance) fois plus élevé que ce que nous pouvons actuellement générer. La très grande énergie de Planck est intimement liée à ce que l'on appelle la longueur de Planck, une longueur insondable au-delà de laquelle les effets quantiques deviennent si importants qu'il est littéralement impossible de mesurer quoi que ce soit de plus petit. Pendant ce temps, allez plus petit que la longueur de Planck (ou plus grand que l'énergie de Planck), et les effets quantiques de la gravité entre les photons ou les particules de lumière deviennent importants et la relativité ne fonctionne plus. Cela rend probable que c'est à cette échelle que la gravité quantique sera comprise. Bien sûr, tout cela est très spéculatif, mais cela reflète notre meilleure prédiction actuelle. Et, si cela est vrai, les supercordes devront rester spéculatives dans un avenir prévisible.
La pléthore de forces est également un problème. Les scientifiques espèrent «unifier» les forces, montrant qu'elles ne sont que différentes manifestations d'une seule force. (Sir Isaac Newton a fait exactement cela quand il a montré que la force qui faisait tomber les choses sur Terre et la force qui gouvernait le mouvement des cieux étaient une seule et même chose; James Clerk Maxwell a montré que l'électricité et le magnétisme étaient vraiment des comportements différents d'une force unifiée appelé électromagnétisme.)
Dans les années 1960, les scientifiques ont pu montrer que la faible force nucléaire et l'électromagnétisme étaient en fait deux facettes différentes d'une force combinée appelée la force électrofaible. Maintenant, les chercheurs espèrent que la force électro-faible et la force forte peuvent être unifiées en ce qu'on appelle une grande force unifiée. Ensuite, ils espèrent que la grande force unifiée pourra être unifiée avec gravité pour faire une théorie de tout.
Cependant, les physiciens soupçonnent que cette unification finale aurait également lieu à l'énergie de Planck, encore une fois parce que c'est l'énergie et la taille auxquelles les effets quantiques ne peuvent plus être ignorés dans la théorie de la relativité. Et, comme nous l'avons vu, il s'agit d'une énergie beaucoup plus élevée que nous pouvons espérer atteindre à l'intérieur d'un accélérateur de particules de sitôt. Pour donner une idée de l'abîme entre les théories actuelles et une théorie de tout, si nous représentions les énergies des particules, nous pouvez détecter comme la largeur d'une membrane cellulaire, l'énergie de Planck est la taille de la Terre. Bien qu'il soit concevable qu'une personne ayant une compréhension approfondie des membranes cellulaires puisse prédire d'autres structures au sein d'une cellule - des choses comme l'ADN et les mitochondries - il est inconcevable qu'ils puissent prédire avec précision la Terre. Quelle est la probabilité qu'ils prédisent les volcans, les océans ou le champ magnétique terrestre?
Le simple fait est qu'avec un si grand écart entre l'énergie actuellement réalisable dans les accélérateurs de particules et l'énergie de Planck, concevoir correctement une théorie de tout semble improbable.
Cela ne signifie pas que les physiciens devraient tous prendre leur retraite et se lancer dans la peinture de paysage - il y a encore un travail significatif à faire. Nous devons encore comprendre des phénomènes inexpliqués tels que la matière noire et l'énergie noire, qui constituent 95% de l'univers connu, et utiliser cette compréhension pour créer une théorie de la physique plus récente et plus complète. Cette théorie plus récente ne sera pas une TOE, mais sera progressivement meilleure que le cadre théorique actuel. Nous devrons répéter ce processus encore et encore.
Désappointé? Moi aussi. Après tout, j'ai consacré ma vie à essayer de découvrir certains des secrets du cosmos, mais peut-être qu'une certaine perspective s'impose. La première unification des forces a été réalisée dans les années 1670 avec la théorie de la gravité universelle de Newton. La seconde remonte aux années 1870 avec la théorie de l'électromagnétisme de Maxwell. L'unification électro-faible était relativement récente, il y a seulement un demi-siècle.
Étant donné que 350 ans se sont écoulés depuis notre première grande étape réussie dans ce voyage, il est peut-être moins surprenant que le chemin qui nous attend soit encore plus long. L'idée qu'un génie aura un aperçu qui aboutira à une théorie entièrement développée de tout dans les prochaines années est un mythe. Nous sommes dans une longue besogne - et même les petits-enfants des scientifiques d'aujourd'hui ne verront pas la fin.
Mais quel voyage ce sera.
Don Lincoln est chercheur en physique à Fermilab. Il est l'auteur de "Le grand collisionneur de hadrons: l'histoire extraordinaire du boson de Higgs et d'autres trucs qui vous épateront"(Johns Hopkins University Press, 2014), et il produit une série d'enseignement des sciences vidéos. Suis-le sur Facebook. Les opinions exprimées dans ce commentaire sont les siennes.
Don Lincoln a contribué cet article à Live Science's Voix d'experts: Op-Ed & Insights. Publié à l'origine sur la science en direct.
