Théorie du Tout

Le nom de théorie du Tout désigne une théorie physique susceptible de décrire de manière cohérente et unifiée l'ensemble des interactions fondamentales. Une telle théorie n'a pas été découverte à l'heure actuelle, principalement en raison de l'impossibilité de trouver une description de la gravitation qui soit compatible avec la mécanique quantique, qui est le cadre théorique utilisé pour la description des trois autres interactions connues (électromagnétisme, interaction faible et l'interaction forte). L'unification théorique des 4 forces fondamentales régissant la physique dans tout son ensemble, porte aussi le nom de superforce.

La physique dans son ensemble procède d'une démarche unificatrice, cherchant à développer des théories susceptibles d'offrir la description d'un nombre croissant de phénomènes physiques.

L'interaction gravitationelle

Historiquement, la première unification effective en termes de théorie moderne a été réalisée par Isaac Newton en 1687 dont la théorie de la gravitation universelle expliquait à la fois la chute des corps sur Terre et le mouvement des planètes autour du Soleil. Il a synthétisé les travaux de Galilée sur la chute des corps (1632) et de Kepler (1619) sur les mouvements célestes.

Suite à sa publication sur la relativité générale en 1915, Albert Einstein a consacré les trente-cinq dernières années de sa vie à tenter d'unifier les interactions gravitationnelle et électromagnétique.

L'interaction électromagnétique

À la fin du XIX siècle, James Clerk Maxwell donna en 1873 le cadre unifié permettant de décrire les phénomènes électriques et magnétiques : l'électromagnétisme. Elle est la synthèse des travaux d'optique ondulatoire de Fresnel (1821) et d'Œrsted, Ampère et Faraday (1820) découlant de la théorie de Coulomb (1785). En 1931, Dirac prédit l'existence de monopôle magnétique sans lequel la symétrie entre le magnétisme et l'électricité est incomplète.

L'interaction électrofaible

Au début du XX siècle, la découverte de la mécanique quantique permit de proposer une description microscopique cohérente d'à peu près tous les phénomènes décrits par la physique statistique. Après la découverte de l'interaction faible et de l'interaction forte, de nombreuses tentatives furent faites pour en proposer une description unifiée avec la version quantique de l'électromagnétisme, l'électrodynamique quantique. Partant de la théorie de Weinberg, Salam et Glashow décrite en 1967, le projet fut partiellement achevé en 1974 avec Howard Georgi par la découverte de l'interaction électrofaible, unifiant électrodynamique quantique et interaction faible. La convergence de l'interaction faible et électromagnétique est estimée à des énergies proches de 10 GeV et une température de 10 kelvins. Le consensus actuel est que la théorie électrofaible a été testée avec succès. Néanmoins, la mise en évidence expérimentale du boson de Higgs, de masse estimée à 150 GeV/c, demeure essentielle pour le valider. Ce sera peut être fait en 2010 grâce au Large Hadron Collider.

En 2007, Antony Garrett Lisi publie une Théorie du Tout exceptionnellement simple en réunissant l'interaction électrofaible et la gravité pour formuler une force électronucléaire.

L'interaction forte

Traditionnellement, on parle de théorie de Grande Unification pour synthétiser l'interaction électrofaible et forte. Les constantes de couplage des interactions électrofaible et nucléaire forte semblent converger vers la même valeur à des énergies voisines de 10 GeV et une température de 10 kelvins. La théorie de la grande unification (GUT, pour Grand Unified Theory) prédit qu'un proton a une durée de vie limitée : sa probabilité de se désintégrer pendant une année d'observation est estimée à 10.

Dans la gravité quantique qui s'exerce au niveau des atomes, la force gravitationnelle entre un électron et un proton est 10 fois plus faible que la force électromagnétique qui s'exerce entre deux particules : une particule atteignant la masse de Planck d'environ 20 microgrammes avec un rayon ayant la longueur de Planck de 10 serait ainsi la plus petite longueur ayant un sens physique.

Supergravité

Les théoriciens de la théorie du Tout estiment que les intensités caractéristiques des quatre interactions fondamentales doivent se rejoindre à une énergie voisine de 10 GeV, ce qui correspond à des distances de l'ordre de 10 cm et une température de 10 kelvins. Cette superforce gravitationnelle serait liée aux particules élémentaires telles que le graviton et le tachyon.

En 1997, Juan Maldacena a démontré qu'une théorie particulière de la gravitation contient la même information qu'une théorie qui prenait en compte les autres types de forces mais sans la gravitation.

Le problème principal est l'unification de la mécanique quantique et la théorie de la relativité générale, qui décrivent respectivement les phénomènes au niveau microscopique et au niveau macroscopique. Le terme gravité quantique décrit les théories qui réunissent ces deux théories. Mais pour être une théorie complète, la théorie du tout doit, en plus, inclure la description complète des quatre autres interactions élémentaires.

Deux propriétés fondamentales n'ont toujours pas été démontrées mathématiquement  :

• d'une part l’existence d'une théorie quantique des champs cohérente, fondée sur une théorie de Yang-Mills ;
• d'autre part l'existence d'un gap de masse qui ne permet l'observation des gluons, particules élémentaires de la théorie quantique associée à la théorie de Yang-Mills, que sous forme de combinaisons massives appelées boule de glu (glueball en anglais). Ce problème non résolu est intimement lié à celui du confinement de couleur qui affirme que seuls sont observables les états quantiques de charge nulle.

La résolution de ces deux points constitue l'un des problèmes du prix du millénaire.

La théorie de la gravitation quantique à boucles est une théorie candidate concernant la gravité quantique mais elle n'est pas une théorie du Tout car elle ne prend pas en compte les autres interactions. La théorie des cordes est une autre candidate, car elle décrit, avec les mêmes équations, les quatre interactions élémentaires, mais elle réunit assez mal les théories de la mécanique quantique et la relativité générale et n'est donc pas une théorie du Tout.

Le modèle standard décrit correctement la physique microscopique observée en laboratoire mais n'incorpore pas la gravitation d'une part et, par ailleurs, dans la mesure où son existence serait confirmée, on sait qu'il ne serait pas complet même au niveau microscopique car il ne dévoilerait pas la matière sombre qui constituerait une majorité de la matière présente dans l'univers.

La principale tentative de théorie du Tout actuellement développée est la théorie des supercordes. Le premier pas vers une théorie du Tout a été effectuée par l'astrophysicien anglais Stephen Hawking qui a montré qu'au niveau quantique, une particule peut s'échapper d'un trou noir (singularité de distorsion de l'espace-temps, prédite par la théorie de la relativité générale).

Entreprise dès la fin des années 1970, la recherche des hypothétiques sparticules est une préoccupation majeure de la physique des particules. Les physiciens comptent sur le collisionneur LHC du CERN qui peut explorer l'échelle d'énergie du Téraélectrovolt (1000 GeV).

Le concept est particulièrement médiatisé, et fait parfois les gros titres de la presse spécialisée, voire de la presse généraliste. La théorie d'Antony Garrett Lisi, fondée sur le groupe de Lie exceptionnel $E_8$, a ainsi été fortement traitée par des journaux généralistes alors même qu'elle n'était qu'au stade de prépublication sur arXiv et a depuis été invalidée . De même, Hawking vulgarise cette théorie du tout sur National Geographic.

Stanislas Lem inventa l'expression "théorie du tout" pour se moquer des théories d'un savant farfelu apparaissant dans plusieurs de ses romans. À l'origine, l'expression « théorie du Tout » est ironique, désignant une théorie qui semble exagérément généralisée. À cet égard, l'emploi de la majuscule (même s'il vient de l'anglais, langue un peu plus souple sur l'emploi des majuscules) est une manière d'insister encore sur cet effet. Dans sa parodie d'article de philosophie des sciences, Alan Sokal fustige l'orgueil des physiciens qui disent écrire une théorie du Tout. Ironie du second ordre puisque Sokal sait que le nom n'est pas celui donné par les découvreurs de la théorie mais une moquerie à leur égard, comme le fut l'expression « Big Bang ».

Le nom de théorie du Tout est quelque peu trompeur, car la connaissance d'une telle théorie (si elle existe) a peu de chances d'être susceptible d'apporter des éclairages nouveaux sur un problème de physique à partir du moment où celui-ci n'est pas directement lié à la structure des interactions fondamentales. Néanmoins, il est possible d'extrapoler le fait qu'elle est à la base de toutes les interactions énergétiques entre les atomes et qu'elle peut, jusqu'à un certain point, représenter, d'une manière probablement très complexe, une grande majorité d'interactions à un niveau d'énergie beaucoup plus faible que celui prédit par la théorie. En considérant que la théorie du Tout serait une extrapolation de l'unification des forces électromagnétiques et faibles, et que l'électromagnétisme est la force qui gouverne le monde électronique, c'est-à-dire, la grande majorité des interactions moléculaires.

John Ellis fut le premier à introduire l'appellation Théorie du Tout dans la littérature technique en 1986 dans la revue scientifique Nature.