Fondements | Matière | Science | Anciens Grecs | Éléments fondamentaux | Nature | Univers
Large Hadron Collider (LHC) | Collisionneur de particules | CERN | Big Bang | Univers
Particules | Électron | Quarks | Structure de la matière | Fondements de la nature | Démocrite
Théories en physique | Particules | Éléments fondamentaux | Substances fluides | Champs
Le contenu de cet article est une transcription fidèle de la vidéo de David Tong, professeur de physique théorique à l’Université de Cambridge, spécialisé dans la théorie quantique des champs.
Nous avons pris soin de retranscrire avec précision ses paroles et ses idées afin de vous offrir une version française de son discours.
Cette transcription vise à rendre accessible son expertise en matière de physique quantique des champs sous une forme textuelle, permettant ainsi une compréhension approfondie du sujet.
Introduction : La Quête des Fondements de la Matière
Ce soir, j’aimerais vous parler d’une des grandes questions en science. C’est une question qui remonte à au moins deux mille cinq cents ans, à l’époque des anciens Grecs. Et c’est une question qui a été discutée dans cette salle de nombreuses fois au cours des deux cents dernières années, mais c’est une question importante. Et je pense qu’il est important que nous la réexaminions. La question est tout simplement la suivante : de quoi sommes-nous faits ? Quels sont les éléments fondamentaux de la nature à partir desquels vous, moi et tout le reste de l’univers sommes construits ? C’est l’histoire que j’aimerais vous raconter.
Notre Compréhension Actuelle
Ce que j’aimerais faire, c’est essayer de vous donner un aperçu de notre compréhension actuelle. J’aimerais aussi essayer de vous donner un aperçu de ce que nous espérons accomplir à l’avenir, des progrès que nous pouvons espérer réaliser dans les prochaines années et décennies. Et nous allons couvrir beaucoup de terrain dans cette discussion. Je tiens à vous prévenir dès maintenant, notamment parce que je vais parler de chaque chose dans l’univers, littéralement.
La Quête au Large Hadron Collider (LHC)
Nous allons parler, entre autres choses, de ce qui se passe dans le collisionneur de particules le plus puissant au monde. C’est une machine appelée le Grand Collisionneur de Hadrons, ou LHC en abrégé. Il sera beaucoup mentionné dans cette discussion. Et c’est une machine qui est située sous terre à CERN, juste à l’extérieur de Genève.
Les Retours en Arrière vers le Big Bang
Nous parlerons également des expériences menées au cours des dernières années qui remontent dans le temps jusqu’au Big Bang, ce qui nous donne une certaine compréhension de ce qui s’est passé dans les premières fractions de seconde après que le temps lui-même ait commencé à exister.
Les Concepts Théoriques et Mathématiques
Et en plus de tout cela, je veux aussi vous donner une idée des idées théoriques abstraites, et même un peu d’idée des mathématiques qui sous-tendent notre compréhension actuelle de l’univers. Parce que je suis un physicien théoricien. Ce que je fais, c’est étudier les équations, essayer de comprendre les équations qui gouvernent le monde dans lequel nous vivons. Alors, je voudrais juste vous donner un aperçu de ce que cela signifie.
L’Évolution du Modèle : Le Tableau Périodique des Éléments
À un moment donné – je vous préviens dès maintenant. À un moment donné, je vais même vous montrer une équation. Vous savez, on peut suivre des formations pour ce genre de choses. Il y a une règle numéro un. La règle numéro un, c’est de ne jamais leur montrer d’équations. Si vous leur montrez des équations, vous les terrifierez simplement.
Le Tableau Périodique des Éléments
Vous savez, il y a une manière traditionnelle de commencer les exposés comme celui-ci. La manière traditionnelle, c’est d’être très cultivé et de parler de ce que Démocrite et Lucrèce disaient il y a deux mille cinq cents ans et des idées que les anciens Grecs avaient sur les atomes.
Mais vous savez, je ne veux pas commencer comme ça. Nous avons fait beaucoup de progrès en deux mille cinq cents ans, et vous savez, il y a simplement de meilleurs endroits pour commencer une conférence scientifique.
Alors, la première image moderne que nous avions de ce dont l’univers est fait, tout ce dont nous sommes faits, c’est ça. J’espère que cela est familier à la plupart des gens ici. Il s’agit du tableau périodique des éléments. D’accord ? C’est l’une des images les plus emblématiques de toute la science.
Le Tableau Périodique des Éléments : Triomphe et Limitations
Ce que nous avons ici, ce sont environ 120 éléments différents. Je tiens à souligner qu’au moins 10 d’entre eux ont été découverts dans ce même bâtiment, et qu’ils constituent, ou du moins au XIXe siècle, on pensait qu’ils constituaient tout ce qui existait dans la nature. Il est donc certain que tout matériau que vous obtenez, vous pouvez le distiller en ses composants, et vous constaterez que tous ces composants sont constitués par l’un des 120 éléments de base. C’est donc un moment important en science. C’est vraiment l’un des triomphes de la science.
Le Désordre Classifié du Tableau Périodique
C’est aussi, je dois le dire, la raison pour laquelle j’ai arrêté de faire de la chimie à l’école. Parce que si vous êtes chimiste, c’est à peu près tout ce que vous pouvez faire. Vous savez, si nous sommes honnêtes, c’est un peu le désordre. Tout dans l’univers est classé en choses à gauche qui font boom si on les met dans l’eau à des choses à droite qui, vraiment si nous sommes honnêtes, ne font pas grand-chose du tout. Vous organisez tout en ces formes stupides. Et ça ressemble un peu à l’Australie.
Il y a un creux important en haut, et puis il y a ces deux bandes d’éléments que vous devez placer en bas, car il n’y a pas de place pour eux au milieu où ils devraient être. Vous savez, je ne sais pas pour vous, mais si on me demandait de créer une classification fondamentale de tout dans l’univers, ce n’est pas ainsi que j’aurais procédé.
La Découverte de l’Électron
Je ne suis pas le seul à penser que c’est une façon absurde d’organiser la nature. La nature elle-même pense que c’est une façon absurde d’organiser la nature. Bien sûr, nous savons que ce n’est pas la fin de l’histoire. Ce ne sont pas les éléments fondamentaux.
La première personne à se rendre compte qu’il y avait quelque chose de plus profond que cela était un physicien de Cambridge nommé JJ Thomson. À la fin des années 1800, JJ Thomson a découvert une particule plus petite qu’un atome que nous appelons aujourd’hui l’électron.
En 1897, il a annoncé cette découverte dans cette salle, en fait, dans cette même série de conférences, à un public stupéfait, un public tellement stupéfait qu’au moins la moitié d’entre eux ne croyaient pas ce qu’il disait. Il y avait un scientifique très distingué qui, après coup, a dit à JJ Thomson qu’il pensait que toute l’affaire était un canular, que JJ Thomson s’était moqué d’eux.
Mais bien sûr, ce n’est pas un canular. Ce ne sont pas les éléments fondamentaux de la nature. Et dans les 15 années qui ont suivi la découverte de JJ Thomson, son successeur à Cambridge, un homme nommé Ernest Rutherford, avait compris exactement de quoi étaient faits ces atomes.
La Structure de l’Atome
Donc, nous savons maintenant que chacun de ces éléments est constitué d’un noyau, qui est minuscule. La métaphore qu’utilisait Rutherford lui-même était que c’est comme une mouche au centre d’une cathédrale. Et orbitant autour de ce noyau, dans des orbites assez floues, se trouvent les électrons, qui remplissent très clairsemés le reste de l’espace. C’est donc une image de ces atomes. Par la suite, nous avons appris que le noyau n’est pas lui-même fondamental. Le noyau contient des particules plus petites, que nous appelons des protons et des neutrons.
La Découverte des Quarks
Dans les années 1970, nous avons appris que les protons et les neutrons ne sont pas fondamentaux non plus. Dans les années 1970, je suppose que les physiciens n’avaient pas eu une éducation classique grecque, et ils avaient un peu épuisé les noms élégants.
Alors, nous appelons ces particules des quarks, le quark up et le quark down. D’accord ? Sans raison particulière. Ce n’est pas comme si le quark up était plus élevé que le quark down. Ce n’est pas comme s’il pointait vers le haut. Juste aucune raison valable du tout. Le quark up et le quark down.
Donc, le proton est constitué de deux quarks up et d’un quark down. Et le neutron est constitué de deux quarks down et d’un quark up. Voilà, autant que nous le sachions, les éléments fondamentaux de la nature. Nous n’avons jamais découvert quelque chose de plus petit que l’électron, et nous n’avons jamais découvert quelque chose de plus petit que les quarks.
La Surprenante Simplicité de la Matière
Nous avons donc trois particules à partir desquelles tout ce que nous connaissons est constitué. Et il est important de souligner que c’est assez étonnant. Vous savez ? Nous le tenons pour acquis. Nous l’apprenons à l’école. Nous n’y réfléchissons pas vraiment en profondeur. Tout ce que nous voyons dans le monde, toute la diversité du monde naturel, vous, moi, tout ce qui nous entoure, ne sont que les mêmes trois particules avec des agencements légèrement différents répétés encore et encore. C’est une leçon incroyable sur la manière dont le monde est construit.
Des Particules comme des Briques LEGO
Donc voilà ce que nous avons. Nous avons un électron et deux quarks. Et vous savez, ce ne sont pas les éléments fondamentaux auxquels les Grecs pensaient, et ce ne sont certainement pas les éléments fondamentaux auxquels les Victorians pensaient.
Mais vous savez, l’essence de la question n’a vraiment pas changé. L’essence est exactement ce que Démocrite disait il y a 2 500 ans, que ce sont comme des briques LEGO à partir desquelles tout dans le monde est construit. Ces briques LEGO sont des particules, et les particules sont l’électron et les deux quarks. C’est une image très intéressante.
La Révélation de la Vérité Cachée
Le Mensonge Réconfortant
C’est une image très rassurante. C’est l’image que nous enseignons aux enfants à l’école. C’est l’image que nous enseignons même aux étudiants en première année à l’université. Et il y a un problème avec cela. Le problème, c’est que c’est un mensonge. C’est un petit mensonge blanc. C’est un petit mensonge blanc que nous racontons à nos enfants parce que nous ne voulons pas les confronter trop tôt à la vérité difficile et horrible. Il est plus facile d’apprendre si l’on croit que ces particules sont les éléments fondamentaux de l’univers. Mais ce n’est tout simplement pas vrai.
La Vérité Cachée : Les Particules ne Sont pas les Fondements
Les meilleures théories que nous ayons en physique n’ont pas pour base la particule quark et la particule électronique, et en fait, les meilleures théories que nous ayons en physique ne reposent pas du tout sur des particules. Les meilleures théories que nous ayons nous disent que les éléments fondamentaux de la nature ne sont pas des particules, mais quelque chose de beaucoup plus nébuleux et abstrait.
Les éléments fondamentaux de la nature sont des substances de type fluide qui sont répandues dans tout l’univers et qui ondulent de manière étrange et intéressante. C’est la réalité fondamentale dans laquelle nous vivons. Nous avons un nom pour ces substances de type fluide. Nous les appelons des champs.
Le Concept de Champs en Physique
Ce n’est pas une idée nouvelle. Ce n’est pas une idée que nous venons de découvrir. C’est une idée qui remonte à près de 200 ans. Et comme tant d’autres choses en science, c’est une idée qui a trouvé son origine dans cette même salle. Car comme beaucoup d’entre vous le savent probablement, c’est la maison de Michael Faraday. Et Michael Faraday a lancé cette série de conférences en 1825. Il a donné plus d’une centaine de ces discours du vendredi soir, et la grande majorité d’entre eux portaient sur ses propres découvertes et les expériences qu’il avait menées sur l’électricité et le magnétisme.
Il a fait de nombreuses choses en électricité et en magnétisme pendant de nombreuses décennies. Et en le faisant, il a développé une intuition sur le fonctionnement des phénomènes électriques et magnétiques. Et cette intuition est ce que nous appelons aujourd’hui le champ électrique et magnétique.
La Révolution de l’Idée des Champs
Ce qu’il envisageait, c’est que partout dans l’espace étaient enfilés ces objets invisibles appelés les champs électriques et magnétiques. Nous avons appris cela à l’école. Encore une fois, c’est quelque chose que nous tenons pour acquis parce que nous l’avons appris dès notre plus jeune âge, et nous n’apprécions pas vraiment à quel point cette idée de Faraday est révolutionnaire. Je tiens à souligner que c’est l’une des idées abstraites les plus révolutionnaires de l’histoire de la science, à savoir que ces champs électriques et magnétiques existent.
L’Héritage Génial de Faraday
Laissez-moi juste vous montrer quelque chose que vous avez tous vu. Ce sont des aimants. D’accord ? Et nous avons tous joué à ces jeux quand nous étions enfants ou quand nous étions à l’école. Vous prenez ces aimants, et vous les rapprochez. Et à mesure qu’ils se rapprochent de plus en plus, il y a cette force que vous pouvez sentir qui pousse, la pression qui pousse contre ces deux aimants. Et peu importe combien de fois vous le faites, et peu importe combien de diplômes en physique vous avez. C’est tout simplement un peu magique. Vous savez ? Et vous le savez tous. Il y a quelque chose de spécial dans cette étrange sensation que vous ressentez entre les aimants. Et c’était le génie de Faraday.
Des Forces Invisibles à l’Œuvre
Pour apprécier que même si vous ne pouvez rien voir entre eux, même si, peu importe à quel point vous regardez de près, l’espace entre ces aimants semble vide, il a dit néanmoins, il y a quelque chose de réel là-bas. Il y a quelque chose de réel et de physique, qui est invisible, mais qui se construit, et c’est ce qui est responsable de la force. Il les a appelés des lignes de force. Nous les appelons maintenant le champ magnétique.
Expérience Révolutionnaire de Faraday
Donc, je vais simplement vous expliquer ce que Faraday a fait. La chose à droite, c’est une petite bobine avec une poignée dessus. C’est une pile, et la pile fait passer un courant dans cette bobine. Et ce faisant, un champ magnétique est induit en elle. C’est ce qu’on appelle un solénoïde. Et ensuite, Faraday a fait la chose suivante. Il a simplement déplacé cette petite bobine A à travers cette grande bobine B comme ceci. Et quelque chose de miraculeux s’est produit. Lorsque vous faites cela, il y a un champ magnétique en mouvement. La grande découverte de Faraday était l’induction. Elle donne naissance à un courant dans B, ce qui, sur cette extrémité de la table, fait vaciller une aiguille comme ceci.
L’Héritage de Faraday : Les Champs en Action
Donc, extrêmement simple. Vous déplacez un champ magnétique, et cela donne naissance à un courant, ce qui fait vaciller une aiguille de l’autre côté de la table. Cela a stupéfié le public dans les années 1800. Parce que vous faisiez quelque chose et que vous influenciez l’aiguille à l’autre bout de la table, sans jamais toucher l’aiguille. C’était incroyable. Vous pouviez faire bouger quelque chose sans jamais vous en approcher, sans jamais le toucher.
Nous sommes un peu blasés de nos jours. Vous pouvez faire la même expérience. Vous pouvez prendre votre téléphone portable. Vous pouvez appuyer sur quelques boutons. Vous pouvez appeler quelqu’un à l’autre bout de la Terre en quelques secondes. Mais c’est le même principe. Mais c’était la première fois qu’on démontrait que le champ est réel. Vous pouvez communiquer en utilisant le champ. Vous pouvez influencer des choses loin en utilisant le champ sans jamais le toucher. C’est l’héritage de Michael Faraday.
Le Concept de Champs
Il n’y a pas que des particules dans le monde. Il y a d’autres objets un peu plus subtils qu’on appelle des champs qui se propagent dans tout l’espace. Au fait, si vous voulez vraiment apprécier le génie de Michael Faraday, il a donné cette conférence en 1846. Il a donné de nombreuses conférences en 1846. Mais il y en avait une en particulier où il a terminé 20 minutes en avance. Il n’avait plus rien à dire, alors il s’est lancé dans des spéculations futiles pendant 20 minutes.
Et Faraday a suggéré que ces champs électriques et magnétiques invisibles qu’il avait postulés étaient littéralement la seule chose que nous ayons jamais vue. Il a suggéré que ce sont des ondulations du champ électrique et magnétique, ce que nous appelons la lumière. Donc, il a fallu environ 50 ans pour que des gens comme Maxwell et Hertz confirment que c’est effectivement de cela que la lumière est faite, mais c’était le génie de Faraday qui a compris cela, qu’il y avait des ondes dans le champ électromagnétique, et que ces ondes sont la lumière que nous voyons autour de nous.
La Révolution en Science : la Mécanique Quantique
D’accord. C’est l’héritage de Faraday. Mais il s’avère que cette idée de champs était bien plus importante que ce que Faraday avait réalisé. Il nous a fallu plus de 150 ans pour comprendre l’importance de ces champs. Ce qui s’est passé en 150 ans, c’est qu’il y a eu une petite révolution en science.
Dans les années 1920, nous avons réalisé que le monde est très, très différent des idées de bon sens que Newton et Galilée nous avaient transmises des siècles auparavant. Ainsi, dans les années 1920, des personnes comme Heisenberg et Schrödinger ont réalisé qu’à l’échelle la plus petite, à l’échelle microscopique, le monde est beaucoup plus mystérieux et contre-intuitif que ce que nous avons jamais imaginé qu’il puisse être. Cela, bien sûr, est la théorie que nous connaissons maintenant sous le nom de mécanique quantique.
Mécanique Quantique – Un Monde de Discrétion
Il y a beaucoup de choses que je pourrais dire sur la mécanique quantique. Permettez-moi de vous donner l’une des conclusions de la mécanique quantique. L’une des conclusions est que l’énergie n’est pas continue. L’énergie dans le monde est toujours divisée en petits morceaux discrets. C’est en fait ce que signifie le mot « quantique ». « Quantique » signifie discret ou en morceaux. Le vrai plaisir commence lorsque vous essayez de prendre les idées de la mécanique quantique, qui disent que les choses devraient être discrètes, et que vous essayez de les combiner avec les idées de Faraday sur les champs, qui sont très continus, des objets lisses qui ondulent et oscillent dans l’espace. L’idée de combiner ces deux théories s’appelle la théorie quantique des champs.
Théorie Quantique des Champs : Combler le Gouffre
Et voici l’implication de la théorie quantique des champs. La première implication concerne le champ électrique et magnétique. Donc, Faraday nous a enseigné, et Maxwell plus tard, que les ondes du champ électromagnétique sont ce que nous appelons la lumière. Mais lorsque vous appliquez la mécanique quantique à cela, vous découvrez que ces ondes lumineuses ne sont pas tout à fait aussi lisses et continues qu’elles en ont l’air. Donc, si vous regardez de près les ondes lumineuses, vous découvrirez qu’elles sont composées de particules. Ce sont de petites particules de lumière, et nous appelons ces particules les photons.
La magie de cette idée, c’est que ce même principe s’applique à chaque autre particule de l’univers. Ainsi, il y a quelque chose de répandu partout dans cette pièce que nous appelons le champ électronique. C’est comme un fluide qui remplit cette pièce et, en fait, remplit tout l’univers. Et les ondulations de ce fluide électronique, les ondulations des vagues de ce fluide, se regroupent en petits paquets d’énergie selon les règles de la mécanique quantique, et ces paquets d’énergie sont ce que nous appelons la particule, l’électron. Tous les électrons qui sont dans votre corps ne sont pas fondamentaux. Tous les électrons qui existent dans votre corps sont des ondes du même champ sous-jacent. Et nous sommes tous connectés les uns aux autres.
Tout comme les vagues sur l’océan appartiennent toutes au même océan sous-jacent, les électrons dans votre corps sont des ondulations du même champ que les électrons dans mon corps. Il y a plus que cela. Il y a aussi dans cette pièce deux champs de quarks. Et les ondulations de ces deux champs de quarks donnent naissance à ce que nous appelons le quark haut et le quark bas. Et la même chose est vraie pour chaque autre type de particule dans l’univers. Il y a des champs qui sont à la base de tout. Et ce que nous considérons comme des particules ne sont pas vraiment des particules, ce sont des ondes de ces champs regroupées en petits paquets d’énergie. C’est l’héritage de Faraday. C’est là où la vision de Faraday des champs nous a conduits. Il n’y a pas de particules dans le monde. Les blocs fondamentaux de base de notre univers sont ces substances de type fluide que nous appelons des champs.
Le Vide : Un Endroit Surprenamment Dynamique
D’accord. Bien. Alors ce que je veux faire pour le reste de cette présentation, c’est vous dire où nous mène cette vision. Je veux vous dire ce que cela signifie que nous ne sommes pas faits de particules. Nous sommes faits de champs. Et je veux vous dire ce que nous pouvons faire avec cela, et comment nous pouvons mieux comprendre l’univers qui nous entoure.
Donc, voici la première chose. Prenez une boîte et enlevez-y absolument tout ce qui existe. Enlevez toutes les particules de la boîte, tous les atomes de la boîte. Ce qu’il vous reste, c’est un vide pur. Et voici à quoi ressemble le vide. Donc, ce que vous regardez ici, c’est une simulation informatique utilisant notre meilleure théorie de la physique, quelque chose que je vais vous présenter plus tard, appelée le modèle standard.
Mais c’est une simulation informatique de littéralement rien. C’est de l’espace vide. Un espace complètement vide, sans rien dedans. C’est la chose la plus simple que vous puissiez imaginer dans l’univers. Et vous pouvez voir, c’est un endroit intéressant où être, un espace vide.
Ce que vous voyez ici, c’est que même lorsque les particules sont retirées, le champ existe toujours. Le champ est là. Mais ce qui est plus, c’est que le champ est régi par les règles de la mécanique quantique. Et il y a un principe en mécanique quantique, appelé le principe d’incertitude d’Heisenberg, qui dit que vous n’êtes pas autorisé à rester immobile. Et le champ doit obéir à cela.
La Nature Complexe du Néant
Même lorsque rien d’autre n’est présent, le champ est constamment en ébullition et en fluctuation d’une manière assez compliquée, pour être honnête. Ce sont des choses que nous appelons des fluctuations quantiques du vide. Mais voilà à quoi ressemble le néant du point de vue de nos théories actuelles de la physique.
Il convient de préciser qu’il s’agit d’une simulation informatique. Cela ressemble un peu à un dessin animé, mais c’est en réalité une simulation informatique assez puissante, et cela a pris beaucoup de temps à réaliser. Mais ce ne sont pas que des théories.
Date: 2003 – Source: Visualizations of Quantum Chromodynamics – Auteur: Derek Leinweber
Ces fluctuations quantiques présentes dans le vide pur sont des choses que nous pouvons mesurer. Il y a quelque chose appelé la force de Casimir. La force de Casimir est une force entre deux plaques métalliques qui sont poussées l’une contre l’autre principalement parce qu’il y a plus de cette substance à l’extérieur qu’à l’intérieur. Et vous savez, ce sont des choses réelles. Ce sont des choses que nous pouvons mesurer, et elles se comportent exactement comme nous le prédirions à partir de nos théories.
Le Défi Mathématique de la Théorie Quantique des Champs
La Complexité au Cœur de l’Univers
Cela nous amène à la partie plus mathématique de la discussion. Parce qu’il y a un défi dans tout cela. C’est la chose la plus simple que nous puissions imaginer dans tout l’univers, et c’est compliqué. C’est étonnamment compliqué. Ça ne devient pas plus simple que ça.
La Compréhension d’une Particule
Vous savez, si vous voulez maintenant comprendre non pas le néant, mais une seule particule, eh bien, c’est beaucoup plus compliqué que ça. Et si vous voulez comprendre 10 à la puissance 23 particules, toutes faisant quelque chose d’intéressant, eh bien, c’est vraiment, vraiment beaucoup plus compliqué que ça.
La Difficulté Mathématique Inhérente
Il y a un problème, c’est mon problème, pas le vôtre, dans la description fondamentale de l’univers, qui est que c’est juste difficile. Les mathématiques que nous utilisons pour décrire les champs quantiques, pour décrire tout ce dont nous sommes faits en termes de champs quantiques, sont substantiellement plus difficiles que les mathématiques qui apparaissent dans n’importe quel autre domaine de la physique ou de la science. C’est vraiment difficile. Je peux vous mettre cela en perspective.
Le Défi des Problèmes Mathématiques Ouverts
Il y a une liste de six problèmes ouverts en mathématiques. Ce sont considérés comme les six problèmes les plus difficiles en mathématiques. Il y en avait sept autrefois, mais un Russe fou en a résolu un. Donc, il en reste six. Vous gagnez un million de dollars si vous parvenez à résoudre l’un de ces problèmes. Si vous connaissez un peu les mathématiques, ce sont des choses comme l’hypothèse de Riemann ou P contre NP.
Ces Défis Mathématiques et la Théorie Quantique des Champs
Ce sont des problèmes célèbres pour leur difficulté. Celui-ci est l’un de ces six problèmes. Vous gagnez un million de dollars si vous parvenez à le comprendre. Qu’est-ce que cela signifie ? Cela ne signifie pas que vous pouvez construire un gros ordinateur et simplement démontrer que ces choses existent. Cela signifie que vous pouvez comprendre, à partir de premiers principes en résolvant les équations, les motifs qui émergent au sein de ces fluctuations quantiques ? C’est un problème extrêmement difficile. Vous savez, c’est ce que je fais. Je ne connais pas une seule personne dans le monde qui travaille réellement sur ce problème. C’est à quel point c’est difficile.
L’Énigme Mathématique des Théories Quantiques des Champs
Nous ne savons même pas comment commencer à comprendre ces idées en théorie quantique des champs. D’accord. Ce thème de la difficulté mathématique va revenir plus tard dans la présentation. Donc, je voudrais faire une petite digression pendant quelques minutes et vous donner une idée de ce que nous pouvons faire mathématiquement et de ce que nous ne pouvons pas faire mathématiquement, simplement pour vous dire où en est la compréhension de ces théories appelées théories quantiques des champs qui sous-tendent notre univers.
Comprendre les Champs Quantiques : Fluctuations Calmes vs. Sauvages
La Compréhension en Temps de Calme
Il y a des moments où nous comprenons extrêmement bien ce qui se passe avec les champs quantiques. Et cela se produit essentiellement lorsque ces fluctuations sont très calmes et dociles, lorsque ce ne sont pas des fluctuations violentes et fortes. Celles-ci sont importantes.
Un Exemple de Compréhension
Mais lorsque les choses sont beaucoup plus calmes, lorsque le vide ressemble davantage à une mare qu’à une tempête enragée, dans ces cas, nous pensons vraiment comprendre ce que nous faisons. Et pour illustrer cela, je veux juste vous donner cet exemple.
La Propriété de l’Électron
Donc, ce nombre g est une propriété particulière de la particule électron. Et je vais rapidement expliquer ce que c’est. L’électron est une particule, et il s’avère que l’électron tourne. Il orbite un peu comme la Terre orbite. Et il a un axe de rotation.
La Précession de l’Électron
Vous pouvez changer l’axe de cette rotation. Et la façon de le changer, c’est de prendre un champ magnétique comme ceci. En présence d’un champ magnétique, l’électron va tourner. L’électron restera à un endroit, mais il tournera. Et puis, l’axe de rotation tournera lentement comme ceci. C’est ce qu’on appelle la précession. Et la vitesse à laquelle l’axe de cette rotation tourne est dictée par ce chiffre ici. D’accord ?
Une Mesure Précise
Ce n’est pas la chose la plus importante dans l’ensemble. Cependant, historiquement, cela a été extrêmement important dans l’histoire de la physique, car il s’avère que c’est un chiffre que l’on peut mesurer très, très précisément en faisant des expériences.
Le Moment Magnétique de l’Électron
Et donc, ce chiffre a servi de terrain d’essai pour voir à quel point nous comprenons bien les théories qui sous-tendent la nature, et en particulier la théorie quantique des champs.
Le Résultat Spectaculaire
Laissez-moi vous dire ce que vous voyez ici. Le premier chiffre est le résultat de décennies et de décennies d’expériences minutieuses mesurant très précisément cette caractéristique de l’électron. On l’appelle le moment magnétique, pour ce que ça vaut.
Un Accord Exceptionnel
Et le deuxième chiffre est le résultat de décennies et de décennies de calculs très laborieux, assis avec un stylo et du papier, et essayant de prédire à partir des premiers principes, à partir de la théorie quantique des champs, ce que devrait être le moment magnétique de l’électron. Et vous pouvez voir, c’est tout simplement spectaculaire. Et il n’y a rien de tel ailleurs en science en termes d’accord entre le calcul théorique et les mesures expérimentales.
L’Étonnante Précision
Je pense qu’il y a 12 ou 13 chiffres significatifs. C’est vraiment étonnant. Dans n’importe quel autre domaine de la science, vous sauteriez de joie si vous obteniez les deux premiers chiffres corrects. En économie, même pas ça. C’est juste là où nous en sommes en physique des particules lors d’une bonne journée lorsque nous comprenons vraiment ce que nous faisons avec cela.
Les Défis des Fluctuations Sauvages
C’est nettement meilleur que n’importe quel autre domaine de la science. 12 chiffres significatifs. Mais cela, bien sûr, je vous l’ai montré parce que c’est notre meilleur résultat. Il y a beaucoup d’autres résultats qui ne sont pas aussi bons. Et la difficulté survient lorsque ces fluctuations quantiques du vide commencent à devenir plus sauvages et plus fortes.
Le Calcul des Masses des Particules
Donc, laissez-moi vous donner un exemple. Il devrait être possible pour nous de nous asseoir et de calculer à partir des premiers principes la masse du proton. Nous avons les équations. Tout devrait être là. Nous devons juste travailler dur et comprendre quelle est la masse du proton en effectuant des calculs. Nous essayons de le faire depuis environ 40 ans maintenant.
Nous pouvons obtenir une précision d’environ 3 %. Ce qui n’est pas mal. Nous sommes à 3 %. Mais nous devrions être beaucoup, beaucoup meilleurs. Et la raison en est très simple. Nous avons la bonne équation. Nous sommes assez sûrs de résoudre la bonne équation. C’est simplement que nous ne sommes pas assez intelligents pour la résoudre.
En 40 ans, les ordinateurs les plus puissants du monde, beaucoup de personnes intelligentes. Mais nous n’avons pas réussi à résoudre cela. D’accord. Il y a d’autres situations dont je ne vous parlerai pas où nous n’avançons même pas.
Il y a des situations où, pour des raisons assez subtiles, nous ne pouvons pas utiliser les ordinateurs pour nous aider, et nous n’avons tout simplement aucune idée de ce que nous faisons. Donc, c’est une situation un peu étrange. Nous avons ces théories de la physique. Ce sont les meilleures théories que nous ayons jamais développées, comme vous pouvez le voir avec cela. Mais en même temps, ce sont aussi les théories que nous comprenons le moins, et pour progresser, nous devons jongler entre l’augmentation de notre compréhension théorique et la façon d’appliquer cela aux expériences que nous réalisons.Encore une fois, c’est un thème sur lequel je reviendrai à la fin de la conférence.
Jusqu’à présent, j’ai parlé de manière un peu générale de ce dont nous sommes faits. Et voici le point central de la première moitié de la conférence. Vous êtes tous faits de champs quantiques, et je ne les comprends pas. Du moins, je ne les comprends pas aussi bien que je le devrais. Ce que je veux faire maintenant, c’est aller un peu plus dans les détails. Je veux vous dire exactement de quoi sont faits les champs quantiques.
Les Champs Quantiques qui Composent l’Univers
En fait, je vais vous dire exactement quels champs quantiques existent dans l’univers. Et la bonne nouvelle, c’est qu’il n’y en a pas beaucoup. Je vais simplement vous dire, tout. Nous avons commencé avec le tableau périodique. Voici le nouveau tableau périodique.
Les Quatre Particules Essentielles
Et il est beaucoup plus simple. Vous savez, il est beaucoup plus agréable. Il y a les trois particules dont nous sommes tous faits. Il y a l’électron et les deux quarks, le quark up et le quark down. Et comme je l’ai souligné, les particules ne sont pas fondamentales. Ce qui est vraiment fondamental, c’est le champ qui les sous-tend. Et puis, il s’avère qu’il y a une quatrième particule que je n’ai pas encore discutée. On l’appelle le neutrino. Ce n’est pas important dans ce dont nous sommes faits, mais cela joue un rôle important ailleurs dans l’univers.
Les Énigmatiques Neutrinos
Ces neutrinos sont partout. Vous ne les avez jamais remarqués, mais depuis le début de cette conférence, quelque chose comme 10^14 d’entre eux ont traversé le corps de chacun d’entre vous, autant venant d’en haut de l’espace que d’en bas, car ils traversent toute la Terre et continuent leur chemin. Ils ne sont pas très sociables. Ils n’interagissent pas beaucoup. Donc, voilà de quoi tout est fait.
La Réplication Inattendue
Ce sont les quatre particules qui forment la base de notre univers. Sauf qu’à un moment donné, quelque chose d’assez étrange s’est produit. Pour une raison que nous ne comprenons pas du tout, la nature a choisi de prendre ces quatre particules et de les reproduire deux fois de plus. Donc, voici en réalité la liste de tous les champs qui composent les particules de notre univers.
Les Particules Plus Lourdes
Que voyons-nous ici ? Il s’agit de l’électron. Il s’avère qu’il existe deux autres particules qui se comportent de la même manière que l’électron à tous égards, sauf qu’elles sont plus lourdes. Nous les appelons le muon, qui a une masse d’environ 200 fois celle de l’électron, et la particule tau, qui est 3 000 fois plus lourde que l’électron.
Les Mystères Non Résolus
Pourquoi sont-elles là ? Nous n’en avons absolument aucune idée. C’est l’un des mystères de l’univers. Il y a aussi deux autres neutrinos. Donc, il y a trois neutrinos au total. Et les deux quarks que nous connaissions d’abord sont maintenant rejoints par quatre autres que nous appelons le quark étrange et le quark charmé. Et lorsque nous en sommes arrivés là, nous avons vraiment manqué d’inspiration pour les nommer. Nous les avons appelés le “quark bas” et le” quark top”.
L’Univers en 12 Particules et 12 Champs
Je tiens à souligner que nous comprenons très bien les choses dans cette direction. Nous comprenons pourquoi elles viennent en groupes de quatre. Nous comprenons pourquoi elles ont les propriétés qu’elles ont. En revanche, nous ne comprenons rien du tout dans cette direction. Nous ne savons pas pourquoi il y en a trois au lieu de deux ou de dix-sept. C’est un mystère. Mais c’est tout. C’est tout dans l’univers. Tout ce dont vous êtes faits se trouve dans ces trois en haut là. Et ce n’est que lorsque vous arrivez à des situations plus exotiques, comme les collisions de particules, que nous avons besoin des autres en bas.
Les 12 Particules, 12 Champs, et 4 Forces
Mais chaque chose que nous ayons jamais vue peut être fabriquée à partir de ces 12 particules, 12 champs. Ces 12 champs interagissent les uns avec les autres, et ils interagissent à travers quatre forces différentes. Deux d’entre elles sont extrêmement familières. Il s’agit de la force de gravité et de la force électromagnétique. Mais il y a aussi deux autres forces qui ne fonctionnent que sur de petites échelles d’un noyau. Il y a quelque chose appelée la force nucléaire forte, qui maintient les quarks ensemble à l’intérieur des protons et des neutrons. Et il y a quelque chose appelée la force nucléaire faible, qui est responsable de la désintégration radioactive et, entre autres choses, de la lumière du soleil.
Les Champs Associés
Encore une fois, chaque force est associée à un champ. Donc, Faraday nous a enseigné le champ électromagnétique, mais il y a un champ associé à cela, appelé le champ du gluon, et un champ associé à cela, appelé le champ du boson W et Z. Il y a aussi un champ associé à la gravité. Et c’était vraiment la grande découverte d’Einstein dans le monde. Le champ associé à la gravité s’avère être l’espace et le temps eux-mêmes. Donc, si vous n’avez jamais entendu parler de ça auparavant, c’était la plus brève introduction à la relativité générale du monde. Et je ne vais rien dire de plus à ce sujet. Je vous laisse le découvrir par vous-même. D’accord. C’est l’univers dans lequel nous vivons.
Le Modèle Standard de la Physique des Particules
Le Monde des Champs et des Forces
Les 16 Champs Fondamentaux
Il existe 12 champs qui donnent de la matière, que j’appellerai le champ de la matière, et quatre autres champs qui représentent les forces. Et le monde dans lequel nous vivons est le résultat de la combinaison de ces 16 champs interagissant les uns avec les autres de manière intéressante.
Un Univers Rempli de Champs
Voici à quoi vous devriez penser que l’univers ressemble. Il est rempli de ces champs, des substances fluides. 12 de matière, quatre de forces.
La Danse Harmonieuse des Champs
L’un des champs de matière commence à osciller et à onduler. Disons que le champ de l’électron commence à onduler de haut en bas, parce qu’il y a des électrons là-dedans. Cela déclenchera l’un des autres champs. Il déclenchera, disons, le champ électromagnétique, qui, à son tour, oscillera et ondulera également. De la lumière sera émise. Donc, cela oscillera un peu. À un moment donné, il commencera à interagir avec le champ des quarks, qui à son tour oscillera et ondulera. Et l’image que nous obtenons est cette danse harmonieuse entre tous ces champs, s’entrelaçant les uns avec les autres, oscillant, se déplaçant de cette manière et de cette manière.
Le Nom Malheureux : Le Modèle Standard
C’est l’image que nous avons des lois fondamentales de la physique. Nous avons une théorie qui sous-tend tout cela. C’est, pour le dire simplement, le summum de la science. C’est la meilleure théorie que nous ayons jamais élaborée. Nous lui avons donné le nom le plus incroyablement médiocre que vous ayez jamais entendu. Nous l’appelons le modèle standard. Lorsque vous entendez le nom de modèle standard, cela semble fastidieux et banal. Il devrait vraiment être remplacé par La Plus Grande Théorie de l’Histoire de la Civilisation Humaine. D’accord ? C’est ce que nous examinons.
La Découverte du Champ de Higgs
Un Champ Théorisé Pendant des Décennies
Donc, c’est tout, sauf que ce n’est pas tout à fait vrai. J’ai en fait omis un champ. Il y a une chose supplémentaire que nous savons, qui est devenue assez célèbre ces dernières années. C’était un champ qui a été suggéré pour la première fois dans les années 1960 par un physicien écossais nommé Peter Higgs. Et dans les années 1970, il est devenu une partie intégrante de notre manière de penser l’univers. Mais pendant très longtemps, nous n’avions pas de preuve expérimentale directe de son existence.
La Découverte au LHC
Et cela a changé. Cela a changé de manière célèbre il y a quatre ans au LHC. Ce sont les deux expériences du LHC qui l’ont découvert. Ils sont un peu de la taille de cathédrales, et ils sont remplis d’électronique. Ce sont des choses étonnantes. Celui-ci s’appelle Atlas. Celui-ci s’appelle CMS.
Une Particule Éphémère : Le Boson de Higgs
Cette particule de Higgs ne dure pas longtemps. La particule de Higgs dure environ 10 à la puissance moins 22 secondes. Donc ce n’est pas comme si vous la voyiez et que vous pouviez la prendre en photo et la mettre sur Instagram. C’est un peu plus subtil.
La Preuve Expérimentale du Champ de Higgs
Voici les données, et cette petite bosse ici et comment nous savons que cette particule de Higgs existe. C’est une photo de Peter Higgs qui a été trouvée.
Description: Candidate Higgs boson events from collisions between protons in the LHC – Date: 17 November 2013 – Source: https://cds.cern.ch/record/1630222 – Author: CERN for the ATLAS and CMS Collaborations
L’Importance du Champ de Higgs
La Clé de la Masse dans l’Univers
Donc c’était la dernière pièce du puzzle. Vous savez, c’était important. C’était vraiment un gros problème. Et cela était important pour deux raisons. La première est que c’est ce qui est responsable de ce que nous appelons la masse dans l’univers. Les propriétés de toutes les particules, des choses comme la charge électrique et la masse, sont vraiment une déclaration sur la façon dont leurs champs interagissent avec d’autres champs.
Confirmation du Modèle Standard
La propriété que nous appelons la charge électrique d’un électron est une déclaration sur la façon dont le champ de l’électron interagit avec le champ électromagnétique. Et la propriété de sa masse est une déclaration sur la façon dont elle interagit avec le champ de Higgs. Donc, comprendre cela était vraiment nécessaire pour que nous comprenions le sens de la masse dans l’univers. Donc c’était un gros problème. L’autre raison pour laquelle c’était important, c’est que c’était la pièce finale de notre puzzle. Nous avions cette théorie que nous appelions le modèle standard. Nous l’avons depuis les années 1970. C’était la dernière chose que nous devions découvrir pour être sûrs que cette théorie était correcte.
La Réalisation d’une Prédiction de 50 Ans
Et la chose étonnante, c’est que cette particule a été prédite dans les années 1960. Nous avons attendu 50 ans. Nous l’avons enfin créée au CERN. Elle se comporte exactement comme nous le pensions. Elle se comporte absolument parfaitement comme nous l’avions prédit en utilisant ces théories.
La Révélation de la Théorie Fondamentale
D’accord. Cela va être la partie effrayante de la présentation. Je vous ai parlé de cette théorie. Et j’ai agité les mains en prétendant être un champ. Laissez-moi vous dire ce qu’est vraiment la théorie. Laissez-moi vous montrer ce que nous faisons.
L’Équation du Modèle Standard de la Physique
Cette équation représente le modèle standard de la physique. Je ne m’attends pas à ce que vous la compreniez, d’autant plus que certaines parties de cette équation ne sont comprises par personne sur la planète. Cependant, je tiens à vous la montrer pour la raison suivante. Cette équation prédit correctement le résultat de chaque expérience que nous avons jamais menée en science. Tout est contenu dans cette équation. C’est vraiment le summum de l’approche réductionniste en science. Tout est ici.
Une Équation Complexe, Mais Puissante
Je l’admets, ce n’est pas l’équation la plus simple du monde. Mais ce n’est pas la plus compliquée non plus. Vous pourriez la mettre sur un t-shirt si vous le souhaitez. En fait, si vous allez au CERN, vous pouvez acheter un t-shirt avec cette équation dessus.
Permettez-moi de vous donner une idée de ce que nous observons. Le premier terme ici a été écrit par Albert Einstein et décrit la gravité. Cela signifie que si vous pouviez résoudre cette petite partie de l’équation, simplement ce R, vous pourriez, par exemple, prédire la vitesse à laquelle une pomme tombe d’un arbre, ou le fait que les orbites des planètes autour du soleil forment des ellipses. Vous pourriez même prédire ce qui se passe lorsque deux énormes trous noirs entrent en collision pour former un nouveau trou noir, émettant des ondes gravitationnelles à travers l’univers. Ou en fait, vous pourriez prédire comment l’ensemble de l’univers lui-même s’étend. Tout cela découle de la résolution de cette petite partie de l’équation.
La Puissance des Équations de Maxwell
Le terme suivant dans l’équation a été écrit par James Clerk Maxwell, et il vous dit tout sur l’électromagnétisme. Donc toutes les expériences que Faraday a passées à faire dans ce bâtiment – en fait, toutes les expériences sur de nombreux siècles, de Coulomb à Faraday, en passant par Hertz et les développements modernes des lasers, tout cela – dans cette petite partie de l’équation. Il y a une certaine puissance dans ces équations.
L’Équation Gouvernant les Forces Fondamentales
C’est l’équation qui régit la force nucléaire forte, la force nucléaire faible. Cette équation a été d’abord rédigée par un physicien britannique nommé Paul Dirac. Elle décrit la matière. Elle décrit ces 12 particules qui composent la matière. Étonnamment, chacune d’entre elles obéit exactement à la même équation. Ce sont les équations de Peter Higgs. Et cette équation vous dit comment la matière interagit avec la particule de Higgs. Donc tout est ici. C’est vraiment un exploit étonnant, c’est notre limite actuelle de la connaissance. Nous n’avons jamais réalisé une expérience qui ne puisse pas être expliquée par cette équation. Et nous n’avons jamais trouvé une situation où cette équation cesse de fonctionner. C’est donc la meilleure chose que nous ayons actuellement.
Au-delà du Modèle Standard : Les Mystères de l’Univers
Des Phénomènes Inexpliqués
Cependant, nous voulons faire mieux, car nous savons avec certitude qu’il y a des choses là-bas qui ne sont pas expliquées par cela. Et la raison pour laquelle nous le savons, c’est que bien que cela explique chaque expérience que nous avons jamais menée ici sur Terre, si nous regardons le ciel, il y a des choses supplémentaires qui restent un mystère.
Donc, si nous regardons dans l’espace, il y a, par exemple, des particules invisibles. En fait, il y a beaucoup plus de particules invisibles que de particules visibles. Nous les appelons la matière noire. Nous ne pouvons pas les voir, évidemment, car elles sont invisibles. Mais nous pouvons observer leurs effets. Nous pouvons voir leurs effets dans la manière dont les galaxies tournent, ou la manière dont elles dévient la lumière autour des galaxies. Elles sont là. Nous ne savons pas ce qu’elles sont.
Le Mystère de l’Énergie Noire
Il y a même des choses encore plus mystérieuses. Il y a quelque chose appelé l’énergie noire, qui est répandue dans tout l’espace. C’est aussi une sorte de champ, bien que ce ne soit pas un que nous comprenions, qui fait que tout dans l’univers se repousse mutuellement.
Inflation et Autres Énigmes
D’autres choses. Nous savons que tôt dans les premières secondes, même avant cela, dans les premières fractions de seconde après le Big Bang, l’univers a subi une phase très rapide d’expansion que nous appelons l’inflation. Nous savons que cela s’est produit, mais cela n’est pas expliqué par l’équation que je viens de vous montrer. Ce sont les sortes de choses que nous devrons comprendre si nous voulons progresser et déterminer quelles seront les prochaines lois de la physique au-delà du modèle standard. Je pourrais passer des heures à parler de chacune de ces choses. Je vais me concentrer uniquement sur la dernière. Je vais vous en dire un peu plus sur l’inflation.
L’Âge de l’Univers et le Feu Primordial
Comprendre le Début de l’Univers
L’Univers a 13,8 milliards d’années, et nous comprenons assez bien – en réalité, nous ne comprenons pas du tout comment il a commencé. Nous ne comprenons pas ce qui a tout déclenché à l’instant t égal à 0. Mais nous comprenons assez bien ce qui s’est passé après le début. Et nous savons en particulier que pendant les premiers 380 000 ans de l’Univers, il était rempli d’une boule de feu. Et nous le savons avec certitude parce que nous avons vu la boule de feu. En fait, nous l’avons vue et nous en avons pris une photographie. On l’appelle le rayonnement cosmique micro-onde, mais un nom bien meilleur pour cela est « La Boule de Feu Qui Remplissait l’Univers Quand Il Était Bien Plus Jeune ».
La Boule de Feu se Refroidit
Sa lumière a traversé l’univers pendant 13,8 milliards d’années. Mais nous pouvons la voir. Nous pouvons prendre une photographie de cela. Et nous pouvons très bien comprendre ce qui se passait dans ces premiers moments de l’univers. Vous pouvez voir, cela ressemble littéralement à une boule de feu.
Il y a des parties rouges qui sont plus chaudes. Il y a des parties bleues qui sont plus froides. En étudiant ce scintillement que vous pouvez voir sur cette image, nous obtenons beaucoup d’informations sur ce qui se passait il y a 13,8 milliards d’années lorsque l’univers était encore un bébé.
Le Mystère du Scintillement de la Boule de Feu
L’une des principales questions que nous voulons poser est ce qui a provoqué ce scintillement dans la boule de feu ? Et nous avons une réponse à cela, une réponse que je considère comme l’une des choses les plus étonnantes de toute la science. Il s’avère que bien que la boule de feu ait duré 380 000 ans, ce qui a provoqué ce scintillement ne pouvait pas avoir eu lieu pendant la majeure partie de ce temps. Ce qui a causé le scintillement de cette boule de feu s’est en réalité produit dans les toutes premières fractions de seconde après le Big Bang.
Le Rôle des Fluctuations du Vide Quantique
Ce qui s’est passé, c’est ce qui suit. Quand l’univers était très, très jeune, peu de temps après le Big Bang, il n’y avait pas de particules, mais il y avait des champs quantiques, car les champs quantiques étaient partout. Et il y avait ces fluctuations quantiques du vide. Et ce qui s’est passé, c’est que l’univers s’est rapidement étendu et a attrapé ces fluctuations quantiques en action.
Les fluctuations quantiques ont été étirées à travers tout le ciel, où elles sont devenues figées. Et ce sont ces fluctuations du vide qui sont les ondulations que vous voyez dans la boule de feu. C’est une histoire étonnante, car les fluctuations quantiques du vide ont eu lieu 10 à la puissance moins 30 secondes après le Big Bang. Elles étaient absolument microscopiques. Et maintenant nous les voyons étirées à travers l’ensemble de l’univers, sur 20 milliards d’années-lumière à travers le ciel. C’est ce que vous voyez ici. Et pourtant, si vous faites les calculs pour cela, cela correspond parfaitement à ce que vous voyez ici. C’est donc un autre des grands triomphes de la théorie des champs quantiques.
Le Défi : Identifier le Champ Responsable
Mais cela laisse de nombreuses questions. La plus importante est de savoir quel champ nous voyons ici. Quel champ est imprimé sur le rayonnement de fond ? Et la réponse est que nous ne le savons pas. Le seul champ du modèle standard qui a une chance d’être responsable est le champ de Higgs. Mais la plupart d’entre nous pensent que ce n’est pas le Higgs, mais probablement quelque chose de nouveau.
L’Objectif : Comprendre le Feu Primordial
Ce que nous aimerions faire à l’avenir, c’est avoir une bien meilleure image de cette boule de feu, en particulier obtenir la polarisation de la lumière. En obtenant une image de cela, nous pouvons mieux comprendre les propriétés de ce champ qui fluctuait dans l’univers primitif. D’accord. En regardant vers l’avenir, c’est l’un des meilleurs espoirs que nous ayons pour aller au-delà du modèle standard et comprendre la nouvelle physique.
Vers l’Exploration des Mystères sur Terre
Dans les 10 prochaines minutes, cependant, j’aimerais vous ramener sur Terre, en quelque sorte. Nous avons de nombreuses expériences ici sur Terre où nous essayons également de faire mieux, où nous essayons également d’aller au-delà du modèle standard de la physique, au-delà de cette équation, pour comprendre ce qui est nouveau. Et il y en a beaucoup, mais la plus importante est celle que j’ai déjà mentionnée. C’est le LHC. Ce qui s’est passé, c’est que le LHC a découvert le boson de Higgs en 2012. Et peu de temps après, il a fermé pendant deux ans. Il a subi une mise à niveau.
En 2015, le LHC a été rallumé avec deux fois plus d’énergie que lorsqu’il a découvert le boson de Higgs. Et l’objectif était double. L’objectif était d’abord de mieux comprendre le Higgs, ce qu’il a fait de manière fantastique, et deuxièmement, de découvrir une nouvelle physique qui va au-delà du Higgs, une nouvelle physique au-delà du modèle standard. Avant de vous dire ce qu’il a vu, laissez-moi vous parler de certaines des idées que nous avons eues, de certaines de nos attentes et de nos espoirs pour ce qui se passerait à l’avenir.*
Espérances de Théoriciens : À la Recherche de la Structure Sous-jacente
L’idée a toujours été la suivante. Vous savez, si vous étiez un scientifique victorien, et que vous remontiez le temps et observiez le tableau périodique des éléments, alors il est vrai qu’il y a des motifs qui donnent un indice de la structure qui se trouve en dessous. Ces nombres qui se répètent. Où, si vous êtes très intelligent, vous pourriez commencer à réaliser que, oui, il y a quelque chose de plus profond que simplement ces éléments. Donc, notre espoir en tant que théoriciens est de regarder cette équation et de voir si peut-être nous pouvons simplement trouver des motifs dans cette équation qui suggèrent qu’il pourrait y avoir quelque chose de plus profond en dessous. Et ils existent.
Prenons un exemple. Voici l’équation qui décrit la force de l’électricité et du magnétisme. Et elle est presque identique aux équations qui décrivent les forces de la force nucléaire forte et de la force nucléaire faible. Vous pouvez le voir.
J’ai simplement changé les lettres. C’est un peu plus compliqué que ça, mais ce n’est pas beaucoup plus compliqué que ça. Les trois forces se ressemblent vraiment. Alors, vous pourriez vous demander, eh bien, peut-être qu’il n’y a pas trois forces dans l’univers. Peut-être que ces trois forces ne sont en réalité qu’une seule force. Et lorsque nous pensons qu’il y a trois forces, c’est parce que nous regardons cette seule force simplement sous des perspectives légèrement différentes. Peut-être.
Uniformité des Champs de Matière
Voici quelque chose d’autre, d’incroyable. Ce sont les équations pour les 12 champs de matière dans l’univers – les neutrinos, les électrons et les quarks. Chacun d’entre eux obéit exactement à la même équation. Chacun d’entre eux obéit à l’équation de Dirac. Encore une fois, vous pourriez vous demander, eh bien, peut-être qu’il n’y a pas 12 champs différents. Peut-être qu’ils sont tous le même champ et la même particule, et le fait qu’ils semblent différents est, encore une fois, peut-être simplement parce que nous les regardons sous des perspectives légèrement différentes. Peut-être.
Les Théories de l’Unification et de la Supersymétrie
Ces idées que j’ai suggérées sont appelées unification. L’idée que les trois forces sont en réalité combinées en une seule est appelée grande unification. Et il est très facile. Il est très facile de formuler une théorie mathématique dans laquelle tout cela n’est qu’une seule force, qui semble être trois du point de vue de notre perspective. Il y a d’autres possibilités ici. Vous pourriez dire que ceci est la matière et cela, les forces. Et les équations sont différentes, mais pas tellement différentes. Parce qu’au bout du compte, ce ne sont que des champs. Vous pourriez donc vous demander s’il y a peut-être un moyen quelconque selon lequel la matière et les forces sont liées les unes aux autres. Eh bien, nous avons aussi une théorie pour cela. C’est une théorie appelée la supersymétrie. Et c’est une belle théorie. Elle est très profonde conceptuellement. Et elle semble être dans la bonne direction.
Théorie des Cordes : Tout en Un
Enfin, vous pourriez être vraiment, vraiment audacieux. Vous pourriez dire, eh bien, est-ce que je peux simplement tout combiner ? Puis-je me débarrasser de tous ces termes et écrire simplement un seul terme à partir duquel tout le reste émerge ? La gravité, les forces, les particules, le Higgs, tout. J’ai quelque chose pour vous si vous le voulez aussi. Cela s’appelle la théorie des cordes. Nous avons donc la possibilité d’une théorie qui englobe tout cela dans un concept simple. Et la question qui se pose à l’avenir, bien sûr, est de savoir si elles sont correctes.
Vous savez, il est très facile pour nous, les théoriciens, d’avoir ces idées. Et je devrais dire que ces idées ont alimenté la physique théorique pendant 30 ans, mais nous voulons savoir, sont-elles correctes ? Et nous avons un moyen de savoir si elles sont correctes. Nous faisons des expériences. Je devrais dire que si vous voulez savoir si la théorie des cordes est correcte, nous n’avons actuellement aucun moyen de la tester. Mais si vous voulez savoir si certaines de ces autres idées sont correctes, alors c’est ce que le LHC devrait faire. La raison pour laquelle nous avons construit le LHC était d’abord de trouver le Higgs.
Les Défis Actuels de la Physique des Particules
Les Résultats du LHC et les Défis à Venir
Le Fonctionnement du LHC
D’accord, ça a fonctionné, et deuxièmement, tester ces sortes d’idées que nous avons eues pour voir ce qui se cache au-delà. Le LHC a été en fonctionnement. Il a fonctionné pendant deux ans. Il a fonctionné comme un rêve absolu. C’est une machine parfaite. Deux ans. Voici ce qu’il a observé. Absolument rien. Toutes ces idées fantastiques et belles que nous avons eues, aucune d’entre elles ne se manifeste.
Et la question qui se pose à l’avenir est la suivante : que allons-nous faire à ce sujet ? Comment allons-nous progresser dans la compréhension de la prochaine couche de la physique lorsque le LHC ne voit rien, et que nos idées semblent simplement ne pas correspondre à la manière dont la nature fonctionne ? Je dois vous dire, souvent je n’ai pas de bonne réponse à cela. Mon impression est que la plupart de ma communauté est un peu sous le choc de ce qui s’est passé. Il n’y a certainement pas de consensus dans la communauté pour aller de l’avant. Mais je pense qu’il y a trois réponses que diverses personnes ont eues que j’aimerais partager avec vous. Et je pense que ces trois réponses sont raisonnables jusqu’à un certain point.
Réponse 1 : La Patience
La première réponse au fait que le LHC ne voit rien est la suivante : vous, les jeunes, vous êtes tellement pessimistes. Tout est sombre et négatif avec vous. Vous avez besoin d’un peu plus de patience. Vous savez, je n’ai rien vu l’année dernière, et je n’ai rien vu cette année. Mais l’année prochaine, il va voir quelque chose. Et sinon l’année prochaine, c’est l’année d’après qu’il va voir quelque chose. Ce sont généralement mes illustres collègues seniors qui ont cette opinion – et vous savez quoi ? Ils pourraient très bien avoir raison. Il pourrait très bien être vrai que l’année prochaine, le LHC découvre quelque chose d’étonnant et nous mette sur la voie de la compréhension de la prochaine couche de la réalité. Mais il est aussi vrai que ces mêmes personnes prédisaient qu’il aurait vu quelque chose à ce stade. Et il est également vrai que cela ne peut pas continuer encore longtemps. Si le LHC ne voit rien dans un délai de deux ans, par exemple, il semble très, très improbable qu’il voie quelque chose à l’avenir. C’est possible. Cela semble juste improbable. Donc, j’espère de tout cœur que le LHC découvre quelque chose l’année prochaine ou l’année d’après. Mais je pense que nous devons nous préparer au pire, peut-être qu’il ne le fera pas.
Réponse 2 : Une Machine Plus Grande
La deuxième réponse, qui vient également de personnes similaires, est que toutes nos théories sont si belles. Elles doivent absolument être correctes, et ce dont nous avons vraiment besoin, c’est d’une machine plus grande. Une machine 10 fois plus grande fera l’affaire. Encore une fois, ils pourraient avoir raison. Je n’ai pas d’argument solide contre cela. La réfutation évidente, cependant, est qu’une nouvelle machine coûte 10 milliards de dollars.
Il n’y a pas beaucoup de gouvernements dans le monde qui ont 10 milliards de dollars à dépenser pour que nous puissions explorer ces idées. Il y en a un. C’est la Chine. Et donc, si cette machine doit être construite, ce sera par le gouvernement chinois. Je pense que le gouvernement chinois verrait cela comme extrêmement attrayant si toute la communauté de physiciens des particules et d’ingénieurs qui sont actuellement basés au CERN et à Genève déménageaient dans une ville légèrement au nord de Beijing. Je pense qu’ils y verraient un gain politique et économique, et il y a une réelle chance qu’ils décident de construire cette machine. S’ils le font, cela prendra environ 20 ans pour sa construction. Nous attendrons un peu plus longtemps.
Réponse 3 : Revenir aux Fondamentaux
Il y a une troisième réponse. Et je dois dire que la troisième réponse correspond plutôt au camp dans lequel je me trouve. Je dois mentionner d’emblée que la troisième réponse est de nature spéculative et n’est probablement pas approuvée par la plupart de mes pairs. Donc, c’est vraiment juste mon opinion personnelle à ce stade. C’est ma perspective.
Voici l’équation que nous savons être correcte. C’est en quelque sorte la base de notre compréhension. Mais bien que nous sachions que c’est correct, il y a beaucoup dans cette équation que nous n’avons pas compris.
Il y a beaucoup de choses dans cette équation qui restent mystérieuses pour moi. Donc, même si cette équation semblait suggérer une unification, peut-être ne sont-ce que de fausses pistes. Et peut-être que si nous travaillons davantage pour comprendre cette équation, nous découvrirons d’autres schémas qui émergent.
Ma réponse est que nous devrions peut-être simplement revenir à la planche à dessin et commencer à remettre en question certaines des hypothèses et des paradigmes que nous avons adoptés au cours des 30 dernières années. Donc, je me sens plutôt revigoré par l’absence de résultats pour le LHC.
Vous savez ? Cela me semble bien que tout le monde ait eu tort. Vous savez, c’est quand nous avons tort que nous commençons à progresser. Donc, je me sens plutôt heureux à ce sujet et pense qu’il y a une très réelle chance que nous puissions simplement commencer à réfléchir à des idées différentes. Je dois dire qu’il y a des indices ici. Il y a des indices pour moi sur des motifs mathématiques que nous n’avons pas explorés. Il y a des indices dans tout cela sur des liens avec d’autres domaines de la science. Des choses comme la physique de la matière condensée, qui est la science de la façon dont les matériaux fonctionnent, ou la science de l’information quantique, qui est la tentative de construire un ordinateur quantique.
Tous ces sujets fantastiques apportent de nouvelles idées qui alimentent les questions que nous posons ici. Donc, je suis plutôt optimiste que dans le futur, nous puissions progresser, peut-être pas le progrès que nous pensions faire il y a quelques années, mais quelque chose de nouveau. Donc, voilà la conclusion de mon exposé. La conclusion est que c’est la plus grande équation que nous ayons jamais écrite. Mais j’espère qu’un jour, nous pourrons vous offrir quelque chose de mieux.
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