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Cinq grands problèmes de physique théorique

Cinq grands problèmes de physique théorique

Dans son ouvrage controversé de 2006 intitulé "Les ennuis de la physique: l'essor de la théorie des cordes, la chute d'une science et l'avenir", le physicien théoricien Lee Smolin souligne "cinq grands problèmes de la physique théorique".

  1. Le problème de la gravité quantique: Combinez la relativité générale et la théorie quantique en une seule théorie pouvant prétendre être la théorie complète de la nature.
  2. Les problèmes fondamentaux de la mécanique quantique: Résoudre les problèmes des fondements de la mécanique quantique, soit en donnant un sens à la théorie actuelle, soit en inventant une nouvelle théorie qui ait un sens.
  3. L'unification des particules et des forcesDéterminer si les différentes particules et forces peuvent être unifiées dans une théorie qui les explique toutes en tant que manifestations d’une seule entité fondamentale.
  4. Le problème du tuning: Expliquez comment les valeurs des constantes libres du modèle standard de la physique des particules sont choisies dans la nature.
  5. Le problème des mystères cosmologiques: Expliquer la matière noire et l'énergie noire. Ou, s'ils n'existent pas, déterminez comment et pourquoi la gravité est modifiée à grande échelle. De manière plus générale, expliquez pourquoi les constantes du modèle standard de la cosmologie, y compris l'énergie sombre, ont les mêmes valeurs.

Problème de physique 1: Le problème de la gravité quantique

La gravitation quantique est l’effort déployé en physique théorique pour créer une théorie qui inclut à la fois la relativité générale et le modèle standard de la physique des particules. Actuellement, ces deux théories décrivent différentes échelles de la nature et tentent d'explorer l'échelle où elles se chevauchent, ce qui donne des résultats qui n'ont pas de sens, comme la force de gravité (ou la courbure de l'espace-temps) qui devient infinie. (Après tout, les physiciens ne voient jamais les vrais infinis dans la nature, ils ne veulent pas non plus!)

Problème de physique 2: Les problèmes fondamentaux de la mécanique quantique

Un problème avec la compréhension de la physique quantique est de savoir quel est le mécanisme physique sous-jacent impliqué. Il existe de nombreuses interprétations en physique quantique - l'interprétation classique de Copenhague, l'interprétation controversée de nombreux mondes par Hugh Everette II, et encore plus controversées telles que le principe anthropique participatif. La question qui se pose dans ces interprétations tourne autour de ce qui cause réellement l'effondrement de la fonction d'onde quantique.

La plupart des physiciens modernes qui travaillent avec la théorie quantique des champs ne considèrent plus que ces questions d'interprétation sont pertinentes. Le principe de la décohérence est, pour beaucoup, l'explication: l'interaction avec l'environnement provoque l'effondrement quantique. De manière encore plus significative, les physiciens sont capables de résoudre les équations, d'effectuer des expériences et de pratiquer la physique sans pour autant résoudre les questions de ce qui se passe exactement au niveau fondamental, et donc la plupart des physiciens ne veulent pas se rapprocher de ces questions bizarres avec un pôle de 20 pieds.

Problème de physique 3: l'unification des particules et des forces

Il existe quatre forces fondamentales de la physique, et le modèle standard de la physique des particules n'en inclut que trois (électromagnétisme, force nucléaire forte et force nucléaire faible). La gravité est laissée en dehors du modèle standard. Essayer de créer une théorie qui unifie ces quatre forces en une théorie de champ unifiée est un objectif majeur de la physique théorique.

Comme le modèle standard de la physique des particules est une théorie quantique des champs, toute unification devra alors inclure la gravité en tant que théorie des champs quantiques, ce qui signifie que la résolution du problème 3 est liée à la résolution du problème 1.

En outre, le modèle standard de la physique des particules montre un grand nombre de particules différentes - 18 particules fondamentales en tout. De nombreux physiciens estiment qu'une théorie fondamentale de la nature devrait avoir une méthode pour unifier ces particules, de sorte qu'elles sont décrites en termes plus fondamentaux. Par exemple, la théorie des cordes, la plus bien définie de ces approches, prédit que toutes les particules sont des modes vibratoires différents de filaments fondamentaux d'énergie, ou de chaînes.

Problème de physique 4: Le problème du réglage

Un modèle de physique théorique est un cadre mathématique qui, pour pouvoir faire des prédictions, nécessite que certains paramètres soient définis. Dans le modèle standard de la physique des particules, les paramètres sont représentés par les 18 particules prédites par la théorie, ce qui signifie que les paramètres sont mesurés par observation.

Certains physiciens estiment toutefois que les principes physiques fondamentaux de la théorie devraient déterminer ces paramètres, indépendamment de la mesure. Cela a motivé une grande partie de l'enthousiasme pour une théorie de champ unifiée dans le passé et a suscité la fameuse question d'Einstein: "Dieu avait-il le choix lorsqu'il a créé l'univers?" Les propriétés de l'univers définissent-elles de manière inhérente la forme de l'univers, car elles ne fonctionneront tout simplement pas si la forme est différente?

La réponse à cette question semble être fortement penchée vers l’idée qu’il ne serait pas possible de créer un univers, mais qu’il existe un large éventail de théories fondamentales (ou différentes variantes de la même théorie, basées sur des paramètres physiques différents, états d’énergie, etc.) et notre univers n’est que l’un de ces univers possibles.

Dans ce cas, la question devient de savoir pourquoi notre univers a des propriétés qui semblent être si finement réglées pour permettre l'existence de la vie. Cette question s'appelle la problème de réglage et a encouragé certains physiciens à se tourner vers le principe anthropique pour une explication, qui dicte que notre univers possède les propriétés qu'il possède, car s'il avait des propriétés différentes, nous ne serions pas ici pour poser la question. (Une critique majeure du livre de Smolin est la critique de ce point de vue comme explication des propriétés.)

Problème de physique 5: Le problème des mystères cosmologiques

L'univers a encore de nombreux mystères, mais ceux que la plupart des physiciens mécontents sont la matière noire et l'énergie noire. Ce type de matière et d'énergie est détecté par ses influences gravitationnelles, mais ne peut pas être observé directement. Les physiciens essaient donc encore de comprendre ce qu'ils sont. Certains physiciens ont néanmoins proposé des explications alternatives pour ces influences gravitationnelles, qui ne nécessitent pas de nouvelles formes de matière et d’énergie, mais ces alternatives sont impopulaires pour la plupart des physiciens.

Anne Marie Helmenstine, Ph.D.