Théorie des champs unifiés - Unified field theory

En physique , une théorie des champs unifiée ( UFT ) est un type de théorie des champs qui permet d' écrire tout ce qui est généralement considéré comme des forces fondamentales et des particules élémentaires en termes d'une paire de champs physiques et virtuels. Selon les découvertes modernes de la physique, les forces ne sont pas transmises directement entre les objets en interaction, mais sont plutôt décrites et interrompues par des entités intermédiaires appelées champs .

Classiquement, cependant, une dualité des champs est combinée en un seul champ physique. Pendant plus d'un siècle, la théorie des champs unifiés est restée une ligne de recherche ouverte et le terme a été inventé par Albert Einstein , qui a tenté d'unifier sa théorie de la relativité générale avec l' électromagnétisme . La « théorie du tout » et la théorie de la grande unification sont étroitement liées à la théorie des champs unifiés, mais diffèrent en n'exigeant pas que la base de la nature soit des champs, et souvent en essayant d'expliquer les constantes physiques de la nature . Des tentatives antérieures basées sur la physique classique sont décrites dans l'article sur les théories classiques des champs unifiés .

L'objectif d'une théorie des champs unifiée a conduit à de nombreux progrès pour la physique théorique future et les progrès se poursuivent.

introduction

Les forces

Le modèle standard des particules élémentaires + le graviton hypothétique

Les quatre forces fondamentales connues sont véhiculées par des champs qui, dans le modèle standard de la physique des particules, résultent de l'échange de bosons de jauge . Plus précisément, les quatre interactions fondamentales à unifier sont :

La théorie moderne du champ unifié tente de rassembler ces quatre forces et la matière dans un cadre unique.

Histoire

Théorie classique

La première théorie classique des champs unifiés réussie a été développée par James Clerk Maxwell . En 1820, Hans Christian Ørsted découvrit que les courants électriques exerçaient des forces sur les aimants , tandis qu'en 1831, Michael Faraday fit l'observation que des champs magnétiques variables dans le temps pouvaient induire des courants électriques. Jusque-là, l'électricité et le magnétisme étaient considérés comme des phénomènes sans rapport. En 1864, Maxwell publia son célèbre article sur une théorie dynamique du champ électromagnétique . C'était le premier exemple d'une théorie capable d'englober des théories de champ auparavant séparées (à savoir l'électricité et le magnétisme) pour fournir une théorie unificatrice de l'électromagnétisme. En 1905, Albert Einstein avait utilisé la constance de la vitesse de la lumière dans la théorie de Maxwell pour unifier nos notions d'espace et de temps en une entité que nous appelons maintenant l' espace - temps et en 1915, il a étendu cette théorie de la relativité restreinte à une description de la gravité, la relativité générale , en utilisant un champ pour décrire la géométrie courbe de l'espace-temps à quatre dimensions.

Dans les années qui ont suivi la création de la théorie générale, un grand nombre de physiciens et de mathématiciens ont participé avec enthousiasme à la tentative d'unification des interactions fondamentales alors connues. Au vu des développements ultérieurs dans ce domaine, les théories d' Hermann Weyl de 1919, qui ont introduit le concept de champ de jauge (électromagnétique) dans une théorie des champs classique, sont particulièrement intéressantes et, deux ans plus tard, celle de Theodor Kaluza , qui a étendu Relativité générale à cinq dimensions . Poursuivant dans cette dernière direction, Oscar Klein a proposé en 1926 que la quatrième dimension spatiale soit recroquevillée en un petit cercle non observé. Dans la théorie de Kaluza-Klein , la courbure gravitationnelle de la direction spatiale supplémentaire se comporte comme une force supplémentaire similaire à l'électromagnétisme. Ces modèles et d'autres d'électromagnétisme et de gravité ont été poursuivis par Albert Einstein dans ses tentatives de théorie classique des champs unifiés . En 1930, Einstein avait déjà envisagé le système Einstein-Maxwell-Dirac [Dongen]. Ce système est (heuristiquement) la limite super-classique [Varadarajan] de l' électrodynamique quantique (pas bien définie mathématiquement) . On peut étendre ce système pour inclure les forces nucléaires faibles et fortes pour obtenir le système Einstein-Yang-Mills-Dirac. La physicienne française Marie-Antoinette Tonnelat a publié au début des années 40 un article sur les relations de commutation standard pour le champ quantifié de spin-2. Elle poursuit ce travail en collaboration avec Erwin Schrödinger après la Seconde Guerre mondiale . Dans les années 1960, Mendel Sachs a proposé une théorie des champs généralement covariante qui ne nécessitait pas le recours à la renormalisation ou à la théorie des perturbations. En 1965, Tonnelat publie un livre sur l'état de la recherche sur les théories des champs unifiés.

Progrès moderne

En 1963, le physicien américain Sheldon Glashow a proposé que la force nucléaire faible , l'électricité et le magnétisme pourraient découler d'une théorie électrofaible partiellement unifiée . En 1967, le Pakistanais Abdus Salam et l'Américain Steven Weinberg ont indépendamment révisé la théorie de Glashow en faisant apparaître les masses de la particule W et de la particule Z par rupture de symétrie spontanée avec le mécanisme de Higgs . Cette théorie unifiée a modélisé l' interaction électrofaible comme une force médiée par quatre particules : le photon pour l'aspect électromagnétique, et une particule Z neutre et deux particules W chargées pour l'aspect faible. En raison de la brisure spontanée de la symétrie, la force faible devient à courte portée et les bosons W et Z acquièrent des masses de 80,4 et91,2 GeV/c 2 , respectivement. Leur théorie a d'abord été étayée expérimentalement par la découverte de faibles courants neutres en 1973. En 1983, les bosons Z et W ont été produits pour la première fois au CERN par l'équipe de Carlo Rubbia . Pour leurs idées, Glashow, Salam et Weinberg ont reçu le prix Nobel de physique en 1979. Carlo Rubbia et Simon van der Meer ont reçu le prix en 1984.

Après que Gerardus 't Hooft ait montré que les interactions électrofaibles Glashow-Weinberg-Salam étaient mathématiquement cohérentes, la théorie électrofaible est devenue un modèle pour de nouvelles tentatives d'unification des forces. En 1974, Sheldon Glashow et Howard Georgi ont proposé d'unifier les interactions fortes et électrofaibles dans le modèle Georgi-Glashow , la première grande théorie unifiée , qui aurait des effets observables pour des énergies bien supérieures à 100 GeV.

Depuis lors, il y a eu plusieurs propositions de grandes théories unifiées, par exemple le modèle Pati-Salam , bien qu'aucune ne soit actuellement universellement acceptée. Un problème majeur pour les tests expérimentaux de telles théories est l'échelle d'énergie impliquée, qui est bien au-delà de la portée des accélérateurs actuels . Les théories grand unifiées font des prédictions pour les forces relatives des forces fortes, faibles et électromagnétiques, et en 1991, le LEP a déterminé que les théories supersymétriques ont le bon rapport de couplages pour une théorie grand unifiée de Georgi-Glashow.

De nombreuses théories de la grande unification (mais pas Pati-Salam) prédisent que le proton peut se désintégrer , et si cela devait être vu, les détails des produits de désintégration pourraient donner des indications sur d'autres aspects de la théorie de la grande unification. On ignore actuellement si le proton peut se désintégrer, bien que des expériences aient déterminé une limite inférieure de 10 à 35 ans pour sa durée de vie.

Statut actuel

Les physiciens théoriciens n'ont pas encore formulé une théorie cohérente et largement acceptée qui combine la relativité générale et la mécanique quantique pour former une théorie de tout . Essayer de combiner le graviton avec les interactions forte et électrofaible conduit à des difficultés fondamentales et la théorie qui en résulte n'est pas renormalisable . L'incompatibilité des deux théories reste un problème majeur dans le domaine de la physique.

Voir également

Les références

Liens externes