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C’est quoi la théorie du Tout en physique ?

Pour faire court, la théorie du Tout c’est la recherche d’un modèle théorique où les 4 interactions élémentaires ont la même forme mathématique et le même principe d’action.

Interaction

C’est quoi une interaction ?

Prenez deux personnes. Si elles se voient ou se parlent, alors il y a interaction entre les deux : une interaction visuelle et une interaction sonore.
Si on place un mur entre les deux, alors l’interaction visuelle n’est plus possible : une personne ne pourra pas voir s’il y a une quelqu’un ou pas derrière le mur. En revanche l’interaction sonore fonctionne, elle.

Avec les particules, c’est exactement la même chose : sauf que ce ne sont pas des interaction visuelles ou sonores, mais des interactions électromagnétiques, gravitationnelles, fortes ou faibles.

Interactions attractives et répulsives

Reprenons l’exemple avec les deux personnes : si la personne entend un appel à l’aide de l’autre côté du mur, elle va essayer de voir ce qui se passe : l’appel à l’aide est une interaction sonore attractive.
Si en revanche la personne avait crié « partez, je ne veux pas vous voir ! », alors c’est une interaction répulsive.

La encore c’est analogue avec les particules : deux particules peuvent s’attirer (c’est le cas par exemple si elles ont toutes les deux une masse) ou se repousser (si elles ont une charge électrique de signe identique).

4 forces fondamentales

Toutes les forces de la nature, de la cohésion de l’atome aux mouvement des galaxies sont régulées par seulement quatre forces dites élémentaires :

Le type d’interaction utilisé par deux particules dépend des particules. Ainsi, un neutron sera sensible à l’interaction nucléaire forte et l’interaction gravitationnelle, mais pas l’interaction électromagnétique.

Comment expliquer ces forces ?

En fait, les forces électromagnétiques, la force forte et la force faible sont explicables par un même modèle. Ce modèle décrit l’interaction entre deux particules comme un échange d’autres particules « médiatrices », transporteurs de l’information :

L’interaction… …agit sur… …grâce à l’échange de…
Forte les particules fait de quarks (dont les protons et les neutrons) gluons
Faible les leptons (dont l’électron) et le neutrino bosons W et bosons Z
Électromagnétique les particules chargées (dont l’électron et le proton) photons

Par exemple, si deux aimants s’attirent c’est que l’un sait que l’autre est à proximité. Comment ? Les deux aimants échangent des photons. Le second aimant capte les photons du premier et réagit en conséquence en fonction des l’information portée par les photons.

Si on parle de l’interaction forte, les particules échangées sont des gluons.

Le cas de la gravitation

L’ennuie avec cette théorie, c’est que les tentatives de mise en évidence de « photons de la gravitation » n’ont pas réussies. En fait, l’origine de la gravité, une force si simple à mettre en évidence, n’est toujours pas expliquée en 2013…
C’est la seule force des quatre forces fondamentales qui reste à expliquer. Si on arrive à l’expliquer de façon expérimentale là aussi par un échange de particules, alors elle sera unifiée avec les trois autres forces. Cette particule (pour le moment hypothétique) a déjà un nom : le graviton.

La théorie du Tout c’est donc pouvoir faire un modèle théorique qui explique les 4 forces fondamentales, avec les mêmes modèles mathématiques, les mêmes équations à quelques constantes près seulement.
Il reste à prouver l’existence du graviton, alors on pourra ajouter une ligne au tableau précédent :

L’interaction… …agit sur… …grâce à l’échange de…
Gravitationnelle les particules possédant une masse (dont le proton, électron, neutron mais pas le photon) gravitons (?)

Pourquoi unifier ?

Si tant d’énergie et de temps sont investis pour créer un modèle unifié de toutes les forces de la nature, c’est parce que c’est mathématiquement plus élégant. Il est bien plus simple d’avoir un seul modèle pour tout expliquer que plusieurs modèles différents.

Avoir un modèle mathématique et physique unique pour tout expliquer, de la configuration des atomes aux rotations des galaxies, serait plus pratique pour comprendre l’ensemble du fonctionnement de l’univers, de l’expliquer au monde et pourquoi pas — et c’est moi qui dit ça — à d’éventuelles formes d’intelligences extra-terrestres…