Cinq grands problèmes de physique théorique

Dans son livre controversé de 2006 "Le problème de la physique: l'essor de la théorie des cordes, la chute d'une science et ce qui vient ensuite", le physicien théoricien Lee Smolin souligne "cinq grands problèmes de physique théorique".

1. Le problème de la gravité quantique: Combiner la relativité générale et la théorie quantique en une seule théorie qui peut prétendre être la théorie complète de la nature.
2. Les problèmes fondamentaux de la mécanique quantique: Résoudre les problèmes des fondements de la mécanique quantique, soit en donnant un sens à la théorie telle qu'elle est, soit en inventant une nouvelle théorie qui ait du sens.
3. L'unification des particules et des forces: Déterminer si les différentes particules et forces peuvent être unifiées dans une théorie qui les explique toutes comme les manifestations d'une seule entité fondamentale.
4. Le problème de réglage: Expliquer comment les valeurs des constantes libres dans le modèle standard de physique des particules sont choisies dans la nature.
5. Le problème des mystères cosmologiques: Expliquez la matière noire et l'énergie noire. Ou, s'ils n'existent pas, déterminez comment et pourquoi la gravité est modifiée à grande échelle. Plus généralement, expliquez pourquoi les constantes du modèle standard de la cosmologie, y compris l'énergie sombre, ont les valeurs qu'elles ont.

Problème de physique 1: Le problème de la gravité quantique

La gravité quantique est l'effort en physique théorique pour créer une théorie qui inclut à la fois la relativité générale et le modèle standard de la physique des particules. Actuellement, ces deux théories décrivent différentes échelles de la nature et tentent d'explorer l'échelle où elles se chevauchent donnent des résultats qui n'ont pas tout à fait un sens, comme la force de gravité (ou la courbure de l'espace-temps) devenant infinie. (Après tout, les physiciens ne voient jamais de véritables infinis dans la nature, et ils ne veulent pas non plus!)

Problème de physique 2: Les problèmes fondamentaux de la mécanique quantique

Un problème avec la compréhension de la physique quantique est quel est le mécanisme physique sous-jacent impliqué. Il existe de nombreuses interprétations en physique quantique - l'interprétation classique de Copenhague, l'interprétation controversée de nombreux mondes de Hugh Everette II, et encore plus controversées telles que le principe anthropique participatif. La question qui se pose dans ces interprétations tourne autour de ce qui provoque réellement l'effondrement de la fonction d'onde quantique. 

La plupart des physiciens modernes qui travaillent avec la théorie quantique des champs ne considèrent plus ces questions d'interprétation comme pertinentes. Pour beaucoup, le principe de la décohérence est l'explication - l'interaction avec l'environnement provoque l'effondrement quantique. Plus important encore, les physiciens sont capables de résoudre les équations, d'effectuer des expériences et de pratiquer la physique sans pour autant résoudre les questions de ce qui se passe exactement à un niveau fondamental, et donc la plupart des physiciens ne veulent pas s'approcher de ces questions bizarres avec un poteau de 20 pieds.

Problème de physique 3: L'unification des particules et des forces

Il existe quatre forces fondamentales de la physique, et le modèle standard de la physique des particules n'en comprend que trois (électromagnétisme, force nucléaire forte et force nucléaire faible). La gravité est exclue du modèle standard. Essayer de créer une théorie qui unifie ces quatre forces en une théorie de champ unifiée est un objectif majeur de la physique théorique.

Étant donné que le modèle standard de la physique des particules est une théorie du champ quantique, toute unification devra inclure la gravité comme théorie du champ quantique, ce qui signifie que la résolution du problème 3 est liée à la résolution du problème 1.

En outre, le modèle standard de la physique des particules montre un grand nombre de particules différentes - 18 particules fondamentales en tout. De nombreux physiciens pensent qu'une théorie fondamentale de la nature devrait avoir une méthode d'unification de ces particules, de sorte qu'elles sont décrites en termes plus fondamentaux. Par exemple, la théorie des cordes, la plus bien définie de ces approches, prédit que toutes les particules sont des modes de vibration différents de filaments d'énergie fondamentaux, ou cordes.

Problème de physique 4: Le problème de réglage

Un modèle de physique théorique est un cadre mathématique qui, pour faire des prédictions, nécessite que certains paramètres soient définis. Dans le modèle standard de la physique des particules, les paramètres sont représentés par les 18 particules prédites par la théorie, ce qui signifie que les paramètres sont mesurés par observation.

Certains physiciens estiment cependant que les principes physiques fondamentaux de la théorie devraient déterminer ces paramètres, indépendamment de la mesure. Cela a motivé une grande partie de l'enthousiasme pour une théorie unifiée du champ dans le passé et a déclenché la fameuse question d'Einstein "Dieu avait-il le choix quand il a créé l'univers?" Les propriétés de l'univers définissent-elles intrinsèquement la forme de l'univers, car ces propriétés ne fonctionneront tout simplement pas si la forme est différente?

La réponse à cela semble pencher fortement vers l'idée qu'il n'y a pas qu'un seul univers qui pourrait être créé, mais qu'il existe un large éventail de théories fondamentales (ou différentes variantes de la même théorie, basées sur différents paramètres physiques, originaux états énergétiques, etc.) et notre univers n'est qu'un de ces univers possibles.

Dans ce cas, la question devient pourquoi notre univers a des propriétés qui semblent être si finement ajustées pour permettre l'existence de la vie. Cette question est appelée problème de réglage fin et a encouragé certains physiciens à se tourner vers le principe anthropique pour une explication, qui dicte que notre univers a les propriétés qu'il possède parce que s'il avait des propriétés différentes, nous ne serions pas ici pour poser la question. (Un axe majeur du livre de Smolin est la critique de ce point de vue comme explication des propriétés.)

Problème de physique 5: Le problème des mystères cosmologiques

L'univers a encore un certain nombre de mystères, mais ceux que la plupart des physiciens vex sont la matière noire et l'énergie sombre. Ce type de matière et d'énergie est détecté par ses influences gravitationnelles, mais ne peut pas être observé directement, donc les physiciens tentent toujours de comprendre ce qu'ils sont. Pourtant, certains physiciens ont proposé des explications alternatives à ces influences gravitationnelles, qui ne nécessitent pas de nouvelles formes de matière et d'énergie, mais ces alternatives sont impopulaires pour la plupart des physiciens..

Sous la direction d'Anne Marie Helmenstine, Ph.D.