Les problèmes de la physique moderne

La physique moderne a de nombreuses réalisations dont nous pouvons être fiers. Une compréhension quantique de trois des forces de la nature. Une belle et élégante description de la gravité à travers la flexion de l’espace-temps. Une compréhension de l’histoire de notre univers qui remonte à des milliards d’années. 

Les physiciens devraient à juste titre se tapoter le dos pour un tel travail de détonation. Ce n’est pas chose facile.

Et pourtant, les mystères abondent, et parfois nous nous sentons plus dans le noir qu’il y a 100 ans. Explorons quelques-uns des principaux problèmes que la physique moderne tente toujours de comprendre.

Rassemblez tout le monde

Le début des années 1900 était une période si simple. Nous avions notre théorie de l’électromagnétisme, qui unifiait élégamment et simplement notre compréhension de l’électricité, du magnétisme et du rayonnement. C’était génial. Et nous avions également les lois de Newton , qui fournissaient un cadre solide pour comprendre le mouvement. Ces deux piliers ont soutenu notre monde physique. C’était super.

Ensuite, des gens comme Albert Einstein ont dû venir tout casser. Avec une relativité restreinte , nous avons dû réécrire complètement nos notions de temps, d’espace, de distance et de vitesse. Et avec la mécanique quantique, nous avons dû nous asseoir et repenser sérieusement à… eh bien, essentiellement toute la réalité fondamentale.

Et les physiciens ont donc entrepris un vaste programme d’unification, essayant de mettre toutes les lois de la physique sous un même toit. Et ils ont largement réussi: la relativité restreinte mariée à la gravité nous a donné la relativité générale . La relativité restreinte combinée à la mécanique quantique a conduit aux théories quantiques des champs, qui ont continué à améliorer notre compréhension de la force électromagnétique et, une fois découvertes, des forces nucléaires fortes et faibles.

Nous n’avons pas arrêté le train là-bas. Les expériences et la théorie des années 50 ont révélé que les forces électromagnétiques et les forces nucléaires faibles étaient en fait les deux faces d’une même pièce “électrofaiible” – ces forces ont fusionné en une seule entité à haute énergie. Pour ne pas être en reste, les soi-disant Grandes Théories Unifiées ont également proposé des tentatives pour intégrer la force nucléaire puissante.

La dernière force indépendante est la gravité. Et encore aujourd’hui, des décennies plus tard, nous n’avons aucune description quantique de la gravité. Et nous avons travaillé très dur sur le problème, mais chaque fois que nous essayons d’appliquer des techniques quantiques à la force d’Einstein, les maths se détraquent et nous ne pouvons pas faire de prédictions.

Pourquoi? Qui sait.

Que pouvons-nous faire pour y remédier? Qui sait.

Mais pourquoi cet univers?

Certaines constantes physiques régissent notre expérience quotidienne. La vitesse de la lumière . La charge sur l’électron. La force de la faible force nucléaire. Au total, environ 18 nombres individuels doivent être connectés au modèle standard – notre cadre quantique pour trois des quatre forces de la nature et toutes les particules qui constituent les éléments constitutifs de notre monde – pour le faire fonctionner.

Le modèle standard ne peut tout simplement pas expliquer pourquoi nous avons les forces de la nature que nous faisons, pourquoi nous avons les familles de particules que nous faisons, pourquoi ces forces et particules agissent comme elles le font et, fondamentalement, toute autre question qui commence par le mot “Pourquoi.”

En fait, de la façon dont fonctionne la mécanique mathématique grinçante derrière le modèle standard, ces constantes doivent être mesurées expérimentalement et branchées à quelques endroits clés des équations; sinon tous les calculs explosent. C’est une sensation légèrement inconfortable de savoir que nos mathématiques ne seraient pas en mesure de faire des prédictions sans ces constantes branchées.

Les forces des forces sont particulièrement gênantes, notamment la gravité. La gravité est si affreusement faible: elle est des milliards et des milliards de fois plus faible que la faible force nucléaire. Laissez cela pénétrer: la gravité est encore plus faible que la force avec “faible” littéralement en son nom.

Pourquoi? C’est ce qu’on appelle le problème de hiérarchie. Nous n’avons pas de solution, juste un nom pour le problème.

Voir dans le noir

Nos problèmes ne se limitent pas à des recherches théoriques pour unifier les forces, des mathématiques douteuses et des résultats de collisionneurs de particules déroutants. À partir de quelques décennies, les astronomes ont décidé que nous n’avions pas assez de problèmes et ont jeté un tout nouvel ingrédient dans l’univers: la matière noire . 

Nous savons que la matière noire existe: nous en voyons des preuves partout, du mouvement des étoiles à l’intérieur des galaxies à la lumière de fond laissée par les premiers jours de l’univers. Et bien que nous comprenions beaucoup à quoi doit ressembler la matière noire, nous n’avons pas cloué le coupable. Nous ne pouvons le détecter que par ses effets gravitationnels, et les astronomes soupçonnent qu’il s’agit d’un nouveau type de particule, jusqu’alors inconnu du modèle standard, qui inonde l’univers mais n’interagit pas par la force électromagnétique, le rendant complètement invisible. 

Et puis il y a l’ énergie sombre .

À la fin des années 1990, les astronomes ont découvert – et nous l’avons soutenu depuis lors avec une multitude d’observations indépendantes – que l’expansion de notre univers s’accélère.

Nous n’avons absolument aucune idée de ce qui cause cela.

Notre meilleure supposition est que cela a quelque chose à voir avec l’énergie enfermée dans le vide de l’espace-temps lui-même, mais nos calculs les plus simples et les plus naïfs estiment une force d’énergie sombre qui est d’environ 10 120 ordres de grandeur trop élevée.

Oups.

Voilà donc un grand mystère. Pour autant que nous puissions en juger, nous ne comprenons pas mal le fonctionnement de la gravité aux plus grandes échelles, donc ce qui cause l’énergie noire doit être un nouveau caractère d’ingrédient opérant dans le cosmos.

En ce qui concerne plus de détails sur la poursuite de cette étrange accélération, nous sommes perdus.

Mais au moins, nous avons une certaine sécurité d’emploi.

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