Théorie du Tout - Définition
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Introduction
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.
Historique
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 XIXe 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 XXe 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 103 GeV et une température de 1016 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/c2, 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 1015 GeV et une température de 1028 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 10-32.
Dans la gravité quantique qui s'exerce au niveau des atomes, la force gravitationnelle entre un électron et un proton est 1040 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 10-33 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 1019 GeV, ce qui correspond à des distances de l'ordre de 10-23 cm et une température de 1032 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.
