Pourquoi les lois de la physique sont inévitables

Ces trois objets illustrent les principes derrière le « spin« , une propriété des particules fondamentales. Un domino a besoin d’un tour complet pour revenir au même endroit. Un deux de trèfle n’a besoin que d’un demi-tour. Et l’aiguille des heures d’une horloge doit tourner deux fois avant de dire à nouveau la même heure.


Comparé aux mystères non résolus de l’univers, on parle beaucoup moins de l’un des faits les plus profonds qui se soient cristallisés en physique au cours du dernier demi-siècle : A un degré étonnant, la nature est telle qu’elle est, car elle ne pourrait pas être différente.  » Il n’y a tout simplement aucune liberté dans les lois de la physique que nous avons « , a déclaré Daniel Baumann, physicien théoricien à l’Université d’Amsterdam.

Depuis les années 1960, et de plus en plus au cours de la dernière décennie, les physiciens comme Baumann ont utilisé une technique connue sous le nom de « bootstrap » pour déduire ce que doivent être les lois de la nature. Cette approche suppose que les lois se dictent essentiellement les unes aux autres par leur cohérence mutuelle – que la nature « se tire d’elle-même par ses propres bootstraps ». L’idée s’avère expliquer une énorme quantité de choses sur l’univers.

« Je trouve ce raisonnement beaucoup plus convaincant que le raisonnement abstrait d’Einstein. »

Lors du bootstrap, les physiciens déterminent comment des particules élémentaires ayant des quantités différentes de « spin », ou de moment angulaire intrinsèque, peuvent se comporter de façon constante. Ce faisant, ils redécouvrent les quatre forces fondamentales qui façonnent l’univers. Le cas le plus frappant est celui d’une particule ayant deux unités de spin : Comme l’a montré le prix Nobel Steven Weinberg en 1964, l’existence d’une particule de spin-2 conduit inévitablement à la relativité générale – la théorie de la gravité d’Albert Einstein. Einstein est arrivé à la relativité générale par des pensées abstraites sur la chute des ascenseurs et la déformation de l’espace et du temps, mais la théorie découle aussi directement du comportement mathématiquement cohérent d’une particule fondamentale.

« Je trouve que l’inévitabilité de la gravité et d’autres forces est l’un des faits les plus profonds et les plus inspirants de la nature », a déclaré Laurentiu Rodina, un physicien théorique de l’Institut de physique théorique du CEA de Saclay qui a contribué à moderniser et à généraliser la preuve de Weinberg en 2014. « A savoir que la nature est avant tout cohérente avec elle-même. »

Comment fonctionne le bootstrapping

Le spin d’une particule reflète ses symétries sous-jacentes, ou les façons dont elle peut être transformée qui la laissent inchangée. Une particule de spin-1, par exemple, revient au même état après avoir été tournée d’un tour complet. Une particule de spin-1/2 doit effectuer deux rotations complètes pour revenir au même état, alors qu’une particule de spin-2 semble identique après seulement un demi-tour. Les particules élémentaires peuvent seulement porter 0, 1/2, 1, 3/2 ou 2 unités de spin.

Pour déterminer le comportement possible des particules d’un spin donné, les bootstrappeurs considèrent les interactions de particules simples, telles que deux particules qui s’annihilent et en donnent une troisième. Les spins des particules imposent des contraintes à ces interactions. Une interaction de particules de spin-2, par exemple, doit rester la même lorsque toutes les particules participantes sont tournées de 180 degrés, puisqu’elles sont symétriques sous un tel demi-tour.

Les interactions doivent obéir à quelques autres règles de base : Le moment doit être conservé ; les interactions doivent respecter la localité, qui dicte que les particules se dispersent en se rencontrant dans l’espace et le temps ; et les probabilités de tous les résultats possibles doivent s’additionner pour atteindre 1, un principe connu sous le nom d’unité. Ces conditions de cohérence se traduisent par des équations algébriques que les interactions entre les particules doivent satisfaire. Si l’équation correspondant à une interaction particulière a des solutions, alors ces solutions ont tendance à se réaliser dans la nature.

Par exemple, considérons le cas du photon, la particule de lumière et d’électromagnétisme de spin-1 sans masse. Pour une telle particule, l’équation décrivant les interactions à quatre particules – où deux particules entrent et deux sortent, peut-être après collision et diffusion – n’a pas de solutions viables. Ainsi, les photons n’interagissent pas de cette façon. « C’est pourquoi les ondes lumineuses ne se dispersent pas les unes sur les autres et nous pouvons voir sur des distances macroscopiques « , a expliqué M. Baumann. Le photon peut cependant participer à des interactions impliquant d’autres types de particules, comme les électrons de spin-1/2. Ces contraintes sur les interactions du photon mènent aux équations de Maxwell, la théorie de l’électromagnétisme vieille de 154 ans.

Ou encore, prenez les gluons, des particules qui transmettent la forte force qui lie les noyaux atomiques entre eux. Les gluons sont également des particules de spin-1 sans masse, mais ils représentent le cas où il existe plusieurs types de la même particule de spin-1 sans masse. Contrairement au photon, les gluons peuvent satisfaire à l’équation d’interaction des quatre particules, ce qui signifie qu’ils s’auto-interagissent. Les contraintes sur ces auto-interactions des gluons correspondent à la description donnée par la chromodynamique quantique, la théorie de la force forte.

Un troisième scénario concerne les particules de spin-1 qui ont une masse. La masse est apparue quand une symétrie s’est rompue lors de la naissance de l’univers : Une constante – la valeur du champ de Higgs omniprésent – est spontanément passée de zéro à un nombre positif, imprégnant de masse de nombreuses particules. La rupture de la symétrie de Higgs a créé des particules de spin-1 massives appelées bosons W et Z, les porteurs de la force faible qui est responsable de la désintégration radioactive.

Ensuite,  » pour le spin-2, un miracle se produit « , a déclaré Adam Falkowski, physicien théorique au Laboratoire de physique théorique d’Orsay, en France. Dans ce cas, la solution de l’équation d’interaction entre les quatre particules semble à première vue être truffée d’infinis. Mais les physiciens constatent que cette interaction peut se dérouler de trois manières différentes, et que les termes mathématiques liés aux trois différentes options conspirent parfaitement pour annuler les infinis, ce qui permet une solution.

Cette solution est le graviton : une particule de spin-2 qui se couple à elle-même et à toutes les autres particules de force égale. Cette impartialité mène directement au principe central de la relativité générale : le principe d’équivalence, le postulat d’Einstein selon lequel la gravité est indissociable de l’accélération à travers l’espace-temps courbe, et que la masse gravitationnelle et la masse intrinsèque sont une seule et même chose. Falkowski a dit de l’approche bootstrap : « Je trouve ce raisonnement beaucoup plus convaincant que le raisonnement abstrait d’Einstein. »

Ainsi, en réfléchissant aux contraintes imposées par les symétries de base aux interactions fondamentales entre les particules, les physiciens peuvent comprendre l’existence des forces fortes et faibles qui façonnent les atomes, et des forces de l’électromagnétisme et de la gravité qui sculptent l’univers dans son ensemble.

De plus, les bootstrappeurs découvrent que de nombreuses particules de spin-0 différentes sont possibles. Le seul exemple connu est le boson de Higgs, la particule associée au champ de Higgs qui brise la symétrie et qui imprègne d’autres particules de masse. Une hypothétique particule de spin-0 appelée gonflage peut avoir été le moteur de l’expansion initiale de l’univers. Le manque de moment angulaire de ces particules signifie que moins de symétries limitent leurs interactions. Pour cette raison, les bootstrappeurs peuvent moins déduire des lois qui régissent la nature, et la nature elle-même a une licence plus créative.

Les particules de matière Spin-1/2 ont également plus de liberté. Elles constituent la famille des particules massives que nous appelons matière, et elles se différencient individuellement par leurs masses et leurs couplages aux diverses forces. Notre univers contient, par exemple, des quarks spin-1/2 qui interagissent avec les gluons et les photons, et des spin-neutrinos qui n’interagissent avec aucun des deux.

Le spectre de spin s’arrête à 2 parce que les infinis dans l’équation d’interaction des quatre particules tuent toutes les particules sans masse qui ont des valeurs de spin plus élevées. Des états de spin plus élevés peuvent exister s’ils sont extrêmement massifs, et de telles particules jouent un rôle dans les théories quantiques de la gravité comme la théorie des cordes. Mais les particules à spin élevé ne peuvent pas être détectées, et elles ne peuvent pas affecter le monde macroscopique.

Pays non découvert

Les particules de spin-3/2 pourraient compléter le modèle 0, 1/2, 1, 3/2, 2, mais seulement si la  » supersymétrie  » est vraie dans l’univers – c’est-à-dire si chaque particule de force avec un spin entier a une particule de matière correspondante avec un spin demi-entier. Au cours des dernières années, les expériences ont écarté plusieurs des versions les plus simples de la supersymétrie. Mais l’écart dans le spectre du spin frappe certains physiciens comme une raison de garder espoir que la supersymétrie est vraie et que les particules de spin-3/2 existent.

Dans son travail, Baumann applique le bootstrap au début de l’univers. Un article récent de Quanta décrit comment lui et d’autres physiciens ont utilisé les symétries et d’autres principes pour limiter les possibilités de ces premiers moments.

C’est « juste esthétiquement agréable », a dit Baumann, « que les lois sont inévitables – qu’il y a une certaine inévitabilité des lois de la physique qui peut être résumée par une courte poignée de principes qui mènent ensuite à des blocs de construction qui construisent ensuite le monde macroscopique ».

Via Nautilus

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