Depuis longtemps, l’Homme a cherche une loi unique pour décrire les phénome- nes fondamentaux de la nature. À cette loi unique correspondrait une particule d’interaction unique. Ainsi, cette théorie permettrait-elle par le calcul de remonter le temps jusqu’au Big Bang.
Les domaines de la physique investigués concernaient, a l’origine, la Terre et l’espace, puis les phénomènes électriques, magnétiques et optiques et enfin, la structure intime de la matière.
Les Grecs considéraient, d’une part, le monde d’en haut, la voûte céleste, parfaite et éternelle, et d’autre part le monde d’en bas, celui des hommes, où régnaient corruption et précarité.
La Terre était immobile au centre de l’Univers et tous les corps célestes se dépla- çaient sur des sphères. Cette conception cosmologique domina jusqu’a la Renaissance ou Copernic, le premier, affirma qu’en réalité la Terre tournait sur elle-même et autour du Soleil (1543).
À la suite des travauxde Kepler et Galilée qui Confirmèrent les résultats de Copernic en dépit des interdits de l’Église, la première idee d’unification entre mécanique celeste et mécanique terrestre revint a Newton qui proclama que tous les corps étaient soumis a une même loi physique, la loi de la gravitation (1687), responsa- ble a la fois du mouvement des astres et de la chute des corps. Ainsi put-il justifier la forme elliptique des trajectoires des planètes autour du Soleil et calculer la vitesse de chute d’une pomme de son arbre à partir de la même loi.
À la fin du XIXe siècle, Maxwell élabora une théorie unifiant les domaines de la physique apparemment aussi différents que l’électricité, le magnétisme et I’opti- que. II réécrivit, a partirdestravauxde Faraday, les loisdeCoulomb etd’Ampèresur les effets électriques et magnétiques et aboutit finalement, après avoir introduit une hypothèse (non validée a l’époque) sur la vitesse de la lumière, a un système d’équations différentielles qui mit en évidence le caractère électromagnétique de la lumière. Plus précisément, la lumière pouvait être assimilée a une onde électro- magnétique dont les champs électrique et magnétique, perpendiculaires entre eux, oscillaient perpendiculairement a leur direction de propagation (voirfig. 1.13).
Ses prédictions furent confirmées expérimentalement par Hertz en 1888.
E Champ électrique B Champ magnétique
h
Longueur d‘onde T PériodeC Vitesse de la lumière
Figure 1.13. Onde électromagnétique.
Une décennie plus tard, Einstein constata que les équations de Maxwell condui- saient a des interprétations physiques différentes lorsque l’observateur était en mouvement par rapport au référentiel de l’expérience. C’est en recherchant une réponse a cette difficulté qu’il élabora en 1905 la théorie de la relativité restreinte qui stipula, d’une part que les lois de la physique devaient s’exprimer de la même manière dans tous les systèmes de référence, d’autre part que les équations de Maxwell respectaient ce principe dès lors que la vitesse de la lumière avait une valeur constante quel que soit le référentiel : (‘ La lumière se propage dans /‘espace vide avec une vitesse bien définie c qui est indépendante de /’état de mouvement du corps émetteur )) (voir fig. 1.14). En d’autres termes, bien que finie, la vitesse de la lumière se comportait comme une valeur infinie (l’infini plus quelque chose donne l’infini).
La découverte de la radioactivité
p
conduisit le physicien italien Enrico Fermi a envisager, au début des années 30, l’existence d’une nouvelle force d’interaction,2“”;
\An/lr+
c;/~
I, ,
I,
C Vitesse de la lumière par rapport au mobile A Vitesse de la lumière par rapport au sol
C
B
0 2 Vitesse de l’individu B par rapport au mobile A
0 1 + 0 2 Vitesse de l’individu B par rapport au sol
;/&;>
0,Figure 1.14. Vitesse de la lumière : constante universelle.
l’interaction faible. Quelques années plus tard, Richard Feynman élabora les bases de l’électrodynamique quantique (QED) dont l’objet est de décrire les inte- ractions entre électrons et photons. Dans la QED, les phénomènes électromagné- tiques mettaient en jeu des électrons dont les interactions étaient représentées par un échange de photons (voir fig. 1.15).
e l e l
ici
Échange de photonse2 e2
Figure 1.15. Diagramme de Feynman representant le processus d’interaction électromagnétique (QED).
Par analogie, les premieres théories sur la radioactivité mirent en jeu des particu- les d’interaction faible appelées bosons intermédiaires.
En tentant de généraliser sa théorie aux autres interactions fondamentales, Feynman découvrit que la force d’interaction faible (boson intermédiaire) et la force d’interaction électromagnétique (photon) étaient des manifestations d’une seule force d’interaction dite (1 électrofaible n. Ses travaux lui valurent le prix Nobel de physique en 1965.
Cependant, pour être complète, la théorie électrofaible suppose l’existence d’une particule d’interaction faible supplémentaire très spéciale : le boson de Higgs (HO).
Cette particule est théoriquement nécessaire pour expliquer l’origine de la masse
des particules. Elle n’a jamais été mise en évidence expérimentalement, L’accé- lérateur de particule LHC (Large Hadron Collider) en construction au CERN devrait apporter une réponse définitive quant a l’existence attendue du boson de Higgs à partir de 2007.
La phase suivante d’unification est la synthèse électronucléaire. Elle suppose l’unification de l’interaction forte et de l’interaction électrofaible. C’est la théorie de grande unification (GUT).
À l’origine, le japonais Yukawa introduisit une particule d’interaction appelée méson
x
(ou pion) (1936) pour expliquer la cohésion des protons à l’intérieur du noyau atomique alors qu’ils dussent logiquement se repousser du fait de leur même charge positive.Cependant, les expériences faites en haute altitude et en laboratoire montrèrent que le méson xétait lui-même soumit a l’interaction forte qui s’avéra de fait mal comprise.
Cette difficulté fut surmontée en 1964 par les physiciens Murray Gell-Mann et George Zweig qui découvrirent une nouvelle particule constitutive des protons et des neutrons baptisées (< quark )’. Ce n’est qu’en 1975 que les premiers quarks furent détectés expérimentalement. Une nouvelle particule d’interaction forte, le gluon, fut en outre introduite, dont l’existence fut confirmée expérimentalement quelques années plus tard au centre de recherche de Desy (Allemagne).
Pour différencier les différents quarks, on introduisit une nouvelle propriété appe- lée couleur (bleue, verte ou rouge), d’où le nom de chromodynamique quantique (QCD) donné à la théorie de l’interaction forte (chromos signifie couleur en grec).
Selon cette théorie, l’interaction forte, responsable de la cohésion des neutrons et des protons dans le noyau atomique, résulte d’un échange de gluons entre quarks, de même que l’interaction électromagnétique résulte d’un échange de photons entre électrons. La figure 1.16 décrit le processus d’interaction forte a l’aide d’un diagramme de Feynman : un quark up bleu devient rouge en émettant un gluon bleu absorbé par un quark down rouge qui devient bleu.
r rouge b bleu u quarkup d quarkdown
Figure 1.16. Diagramme de Feynman représentant le processus d’interaction forte (QCD).
La théorie de grande unification (GUT), ou unification électronucléaire, qui vise a unifier l’interaction forte et l’interaction électrofaible, n’est pas achevée a cejour. Dès ses premiers développements, on s’aperçut qu’elle prédisait pour le proton une durée de vie moyenne limitée, bien que très importante (de l’ordre de
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années). II était alors logiquement possible de détecter expérimentalement la désintégration de quel- ques protonsau sein d’un matériau approprié (l’eau très pure par exemple) misa l’abri des rayonnementscosmiques. L’expériencefuttentée, notammenten France dans le laboratoire souterrain de Modane (tunnel du Fréjus), maissans résultat...
L’étape ultime consiste à unifier gravitation et interaction électronucléaire. II s’agit donc d’identifier une (( superforce )) dont toutes les interactions connues (gravita- tionnelle, électromagnétique, faible et forte) seraient les composantes.
L’axe de recherche le plus prometteur fait appel a la supersymétrie, structure mathématique visant a concilier les deux grandes théories a priori antinomiques de la physique fondamentale que sont, d’une part la relativité générale, fondée sur un principe déterministe et adaptée au domaine de I’« infiniment grand », et d’autre part la mécanique quantique, fondée sur un principe probabiliste (exemple : on ne peut pas connaître a la fois la position et la vitesse d’un électron qui gravite autour du noyau atomique, mais seulement sa probabilité de présence a un endroit donné avec une vitesse donnée) et adaptée au domaine de I’« infiniment petit )).
Afin d’incorporer la gravitation dans la physique quantique, les chercheurs ont introduit une dimension spatiale aux particules élémentaires considérées jusque- la comme ponctuelles. C’est la théorie des cordes.
Cependant, les dimensions des cordes sont trop petites pour être detectables et de nombreuses questions restent en suspens.
- Le principe d’équivalence d’Einstein entre gravitation et accélération pure est- - Les constantes physiques universelles sont-elles variables dans le temps ? - Y a-t-il unification des interactions ?
- Le Big Bang est-il le temps O de l’univers ? - L’Univers a-t-il pu naître du vide ?
- Existe-t-il d’autres univers ? il exact ou approché ?
In fine, il est pour l’heure difficile de prédire s’il nous sera jamais possible de vali- der une théorie de Tout, c’est-à-dire d’atteindre l’unification ultime de la physique.
C’était le rêve d’Einstein. Deviendra-t-il un jour réalité ?