Théorie du Tout

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Le nom de théorie du Tout désigne une théorie physique susceptible de décrire de manière cohérente et unifiée l'ensemble des interactions décrites par les forces fondamentales. Une telle théorie n'a pas été trouvée 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 forces fondamentales connues (électromagnétisme, force faible et l'interaction forte).

[modifier] Critique du nom

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. Par exemple, un problème de biologie moléculaire n'est aucunement susceptible d'être résolu par la connaissance d'une théorie du Tout.

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 ».

[modifier] Contexte 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. Historiquement, la première unification effective en terme de théorie moderne a été réalisée par Isaac Newton 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. À la fin du XIX^e siècle, James Clerk Maxwell donna le cadre unifié permettant de décrire les phénomènes électriques et magnétiques : l'électromagnétisme. Au début du XX^e 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. Ce projet fut partiellement achevé au cours des années 1970 par la découverte de l'interaction électrofaible, unifiant électrodynamique quantique et interaction faible.

[modifier] Problématique

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^[1] :

d'une part l’existence d'une théorie quantique des champs cohérente, fondée sur une théorie de Yang-Mills^[2] ;
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 glue (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^[3].

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.

[modifier] Une perspective médiatisée

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^[4] alors même qu'elle n'était qu'au stade de prépublication sur arXiv^[5].