Voir la source de Théorie du tout

{{autre4|la théorie du tout en [[physique]]|son acception en [[philosophie]]|Théorie du tout (philosophie)}}
[[File:CMS Higgs-event.jpg|thumb|Un événement simulé dans le [[détecteur de particule]] du [[Grand collisionneur de hadrons]] du [[CERN]].]]
La '''théorie du tout''' est une [[théorie]] [[physique]] susceptible de décrire de manière cohérente et unifiée l'ensemble des [[interaction fondamentale|interactions fondamentales]]. Une telle théorie n'a pas été découverte à l'heure actuelle, principalement en raison de l'impossibilité de trouver une description de la [[gravitation]] qui soit compatible avec le [[Modèle standard (physique des particules)|modèle standard]] de la [[physique des particules]], qui est le cadre théorique utilisé pour la description des trois autres interactions connues ([[électromagnétisme]], [[interaction faible]] et [[interaction forte]]).

L'unification théorique des quatre interactions fondamentales régissant la physique dans son ensemble porte aussi le nom de superforce.

== Historique ==

La [[physique]] dans son ensemble procède d'une démarche unificatrice, cherchant à développer des [[théorie]]s susceptibles d'offrir la description d'un nombre croissant de [[Phénomène physique|phénomènes physiques]]. Elle cherche en particulier à développer une théorie cohérente qui décrive l'ensemble des [[interaction fondamentale|interactions fondamentales]].

=== L'interaction gravitationnelle ===
{{Article détaillé|Gravitation}}

Historiquement, la première unification effective en termes de théorie moderne a été réalisée par [[Isaac Newton|Newton]] en [[1687 en science|1687]], dont la théorie de la [[gravitation universelle]] expliquait à la fois la chute des corps sur [[Terre]] et le mouvement des [[planète]]s autour du [[Soleil]]. Il a synthétisé les travaux de [[Galilée (savant)|Galilée]] sur la chute des corps (1632) et de [[Johannes Kepler|Kepler]] sur les mouvements célestes (1619). Après Newton, il restait des divergences avec [[Gottfried Wilhelm Leibniz|Leibniz]], auxquelles [[Ruđer Josip Bošković|Bošković]] s'attaqua.

À la suite de sa publication sur la [[relativité générale]] en 1915, [[Albert Einstein]] a consacré les trente-cinq dernières années de sa vie à tenter d'unifier les interactions [[gravitation]]nelle et électromagnétique<ref>[[Pierre Fayet (physicien)|Pierre Fayet]], ''La Théorie du tout'', 1999, {{ISBN|2-7068-1412-8}}, Édition Maisonneuve & Larose : ''[[Sciences et Avenir]]'', page 66.</ref>.

=== L'interaction électromagnétique ===
{{Article détaillé|Loi de Coulomb (électrostatique){{!}}Loi de Coulomb}}

Dans la deuxième moitié du {{XIXe siècle}}, [[James Clerk Maxwell]] aborda et proposa finalement, en 1873, le cadre unifié permettant de décrire les phénomènes [[électricité|électriques]] et [[magnétisme|magnétiques]] : l'[[électromagnétisme]]. Il s'agit d'une synthèse des travaux d'optique ondulatoire de [[Augustin Fresnel|Fresnel]] (1821) et d'[[Hans Christian Ørsted|Œrsted]], [[André-Marie Ampère|Ampère]] et [[Michael Faraday|Faraday]] (1820) découlant de la théorie de [[Charles de Coulomb|Coulomb]] (1785)<ref>''La Théorie du tout'', Collectif, 1999, {{ISBN|2-7068-1412-8}}, Édition Maisonneuve & Larose : ''[[Sciences et Avenir]]'', pages 40 et 41</ref>. En 1931, [[Paul Dirac|Dirac]] prédit l'existence de [[monopôle magnétique|monopôles magnétiques]] sans lesquels la symétrie entre le [[magnétisme]] et l'[[électricité]] est incomplète<ref>Nicolas Kalogeropoulos, « Aimants : on tient enfin le monopôle magnétique ! », ''[[Science et Vie]]'', n°1108, janvier 2010, page 101.</ref>.

=== L'interaction électrofaible ===
{{Article détaillé|Interaction électrofaible}}

Au début du {{s-|XX}}, 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]]. Partant de la théorie de [[Steven Weinberg (physicien)|Weinberg]], [[Abdus Salam|Salam]] et [[Sheldon Glashow|Glashow]] décrite en 1967, le projet fut partiellement achevé en 1974 par [[Howard Georgi]] avec la découverte de l'[[interaction électrofaible]], unifiant électrodynamique quantique et interaction faible<ref name="larecherche-390-44" />{{,}}<ref>{{en}} H.Georgi et S. Glashow, ''Physical Review Letters'', 32, 438, 1974.</ref>. 

La convergence de l'[[interaction faible]] et [[Électromagnétisme|électromagnétique]] est estimée à des énergies proches de {{unité|e3 [[GeV]]}} et une température de {{unité|e16 [[kelvin]]}}s<ref>''La Théorie du tout'', Sylvie Vauclair, 1999, {{ISBN|2-7068-1412-8}}, Édition Maisonneuve & Larose : [[Sciences et Avenir]], page 17.</ref>. Le consensus actuel est que la théorie électrofaible a été testée avec succès. Néanmoins, la mise en évidence expérimentale du [[boson de Higgs]], de masse estimée à {{unité|150 [[GeV]]/c2}}, demeure essentielle pour le valider. Or, le boson de Higgs a été découvert en {{date-|juillet 2012}} autour d'une masse de {{unité|126 GeV/c2}}, grâce au [[Grand collisionneur de hadrons]]<ref>David Bailin, ''La Théorie du tout'', 1999, {{ISBN|2-7068-1412-8}}, Édition Maisonneuve & Larose : ''[[Sciences et Avenir]]'', page 58.</ref>. 

En 2007, [[Antony Garrett Lisi]] publie une [[Théorie du tout exceptionnellement simple]] en réunissant l'interaction électrofaible et la [[gravité]] pour formuler une ''force électronucléaire''<ref>[https://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0711/0711.0770v1.pdf] {{pdf}}, sur [[Arxiv]]</ref>. Cependant, cette théorie est invalidée quelques années plus tard, en 2010, par la publication des théoriciens Distler et Garibaldi d'un article scientifique ''There is No “Theory of Everything” Inside E<sub>8</sub>'' publié dans la revue ''Communications in Mathematical Physics''<ref>{{Article |langue=en |auteur1= |prénom1=Jacques |nom1=Distler |prénom2=Skip |nom2=Garibaldi |titre=There is No “Theory of Everything” Inside E8 |périodique=Communications in Mathematical Physics |volume=298 |numéro=2 |date=2010-09-01 |issn=1432-0916 |doi=10.1007/s00220-010-1006-y |lire en ligne=https://arxiv.org/pdf/0905.2658.pdf |consulté le=2020-05-15 |pages=419–436 }}</ref>''.''

=== L'interaction forte ===
{{Article détaillé|Interaction forte}}

Traditionnellement, on parle de ''théorie de Grande Unification'' pour synthétiser l'[[interaction électrofaible]] et [[Interaction forte|forte]]. Les constantes de couplage des [[Interaction électrofaible|interactions électrofaible]] et nucléaire forte semblent converger vers la même valeur à des énergies voisines de {{unité|e15 GeV}} et une température de {{unité|e28 K}}. La théorie de la grande unification (GUT, pour [[Grand Unified Theory]]) prédit qu'un proton a une durée de vie limitée : sa probabilité de se désintégrer pendant une année d'observation est estimée à 10{{exp|-32}}<ref>Bernard Pire, ''La Théorie du tout'', 1999, {{ISBN|2-7068-1412-8}}, Édition Maisonneuve & Larose : ''Sciences et Avenir'', page 65.</ref>.

Dans la [[gravité quantique]], qui s'exerce au niveau des [[atome]]s, la [[force gravitationnelle]] entre un [[électron]] et un [[proton]] est {{unité|e40 fois}} plus faible que la [[force électromagnétique]] qui s'exerce entre deux particules : une [[particule élémentaire|particule]] atteignant la [[masse de Planck]] d'environ 20 [[microgramme|µg]]<ref>Soit le poids d'un petit [[insecte]], par exemple une [[Siphonaptera|puce]].</ref> avec un [[Rayon (géométrie)|rayon]] ayant la [[longueur de Planck]] de {{unité|e-35 m}} serait ainsi la plus petite longueur ayant un sens [[physique]]<ref>Préface de Clovis Jacinto de Matos du livre de Luboš Motl, ''L'Équation Bogdanov - le secret de l'origine de l'univers ?'', [[Presses de la Renaissance]] (2008), {{ISBN| 2750903866}}, page 10 et 11.</ref>.

=== Supergravité ===
{{Article détaillé|Supergravité}}

Les théoriciens de la théorie du tout estiment que les intensités caractéristiques des quatre interactions fondamentales doivent se rejoindre à une énergie voisine de 10{{exp|19}} [[GeV]], ce qui correspond à des distances de l'ordre de {{unité|e-25 m}} et une température de {{unité|e32 K}}<ref>Pierre Fayet, ''La Théorie du tout'', 1999, {{ISBN|2-7068-1412-8}}, Édition Maisonneuve & Larose : ''[[Sciences et Avenir]]'', pages 17 et 67.</ref>. Cette [[Supergravité|superforce gravitationnelle]] serait liée aux [[particule élémentaire|particules élémentaires]] telles que le [[graviton]] et le [[tachyon]].

=== Théorie M ===
{{Article général|théorie M}}

== 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 [[interaction élémentaire|interactions élémentaires]]. 

Deux propriétés fondamentales n'ont toujours pas été démontrées mathématiquement dans le cas des interactions fortes<ref>[[Équations de Yang-Mills]].</ref> :

* d'une part, l’''existence'' d'une [[théorie quantique des champs]] cohérente ([[chromodynamique quantique]], fondée sur une théorie de Yang-Mills de la ''couleur'')<ref>Seules certaines théories dites ''libres'', c'est-à-dire sans interaction et donc plus simples, ont vu leur existence démontrée dans le cadre de la [[théorie constructive des champs]].</ref> ;
* d'autre part, l'existence d'un écart de masse qui ne permet l'observation des [[gluon]]s, particules élémentaires de la théorie quantique associée à la théorie de Yang-Mills, que sous forme de combinaisons massives appelées [[boule de glu]] (''glueball'' en [[anglais]]). Ce problème non résolu est intimement lié à celui du [[confinement de couleur]] qui affirme que seuls sont observables les [[État quantique|états quantiques]] de charge de couleur nulle. La difficulté principale de ces deux problèmes est liée au caractère hautement ''non [[Linéarité|linéaire]]'' de la théorie. 

La résolution de ces deux points constitue l'un des [[problèmes du prix du millénaire]]<ref>{{en}} [http://www.claymath.org/millennium/Yang-Mills_Theory/ ''Yang-Mills and Mass Gap''], [[Clay Mathematics Institute]].</ref>.

La [[théorie M]] est la candidate la plus prometteuse au titre de théorie du tout. En revanche la [[gravitation quantique à boucles]] est uniquement une théorie de la [[gravité quantique]], qu'elle ne cherche pas à décrire de manière unifiée avec les autres interactions.

Le [[Modèle standard (physique des particules)|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]].

Entreprise dès la fin des années 1970, la recherche des hypothétiques ''sparticules'' est une préoccupation majeure de la [[physique des particules]]. Les physiciens comptent sur le collisionneur [[Grand collisionneur de hadrons]] (LHC) du [[CERN]] qui peut explorer l'échelle d'énergie du téraélectrovolt ({{unité|1 T[[Électron-volt|eV]]}} = {{unité|1000 [[GeV]]}}).

== Une perspective médiatisée ==

{{Loupe|Théorie du tout exceptionnellement simple}}

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 [[Groupes de Lie|groupe de Lie]] exceptionnel [[E8 (mathématiques)|<math>E_8\,</math>]], a ainsi été fortement traitée par des journaux généralistes<ref>[https://www.lemonde.fr/web/article/0,1-0@2-3244,36-979858@51-979860,0.html « Une "théorie du tout" jette le trouble chez les physiciens »], ''[[Le Monde]]'', 19 novembre 2007.</ref> alors même qu'elle n'était qu'au stade de prépublication sur [[arXiv]]<ref>[[Antony Garrett Lisi]], [http://www.arxiv.org/pdf/0711.0770 ''An Exceptionally Simple Theory of Everything''], 6 novembre 2007.</ref>.

Cette théorie a depuis été invalidée du fait qu'elle ne peut pas tenir compte de la dissymétrie chirale de l'[[interaction électrofaible]]<ref>{{Lien web
|url=http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/la-theorie-du-tout-de-garrett-lisi-etait-mort-nee_23183/
|titre=La théorie du tout de Garrett Lisi était mort-née...
|auteur=Laurent Sacco
|date=30 mars 2010
|éditeur=[[Futura Sciences]]
|consulté le={{1er}} avril 2010
}}.</ref>.

== Controverses et critique du nom ==
[[Stanislas Lem]] inventa l'expression « théorie du tout » pour se moquer des théories d'un savant farfelu apparaissant dans plusieurs de ses romans<ref name="larecherche-390-44" />. À l'origine, l'expression « théorie du tout » est donc ironique, désignant une théorie qui semble exagérément généralisée. À cet égard, l'emploi de la majuscule (même s'il vient de l'anglais, langue employant généreusement les 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]] ».

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. Néanmoins, il est possible d'extrapoler le fait qu'elle est à la base de toutes les interactions énergétiques entre les atomes et qu'elle peut, jusqu'à un certain point, représenter, d'une manière probablement très complexe, une grande majorité d'interactions à un [[niveau d'énergie]] beaucoup plus faible que celui prédit par la théorie. En considérant que la théorie du tout serait une extrapolation de l'unification des forces électromagnétique et faible, et que l'électromagnétisme est la force qui gouverne le monde électronique, c'est-à-dire, la grande majorité des interactions moléculaires<ref>''Dernières nouvelles du cosmos'', [[Hubert Reeves]], Éditions du Seuil, octobre 2002, p.213 à 232 {{ISBN|2020552302}}</ref>.

[[John Ellis (physicien)|John Ellis]] fut le premier à introduire l'appellation ''Théorie du tout'' dans la littérature technique en 1986 dans la revue scientifique ''[[Nature (revue)|Nature]]''.

== Notes et références ==
{{Références|colonnes=2|taille=35|références=
<ref name="larecherche-390-44">''L'équation ultime pour la physique'', [[Lisa Randall]], ''[[La Recherche (magazine)|La Recherche]]'', n°390, octobre 2005, page 44.</ref>
}}

== Voir aussi ==
{{Catégorie principale}}

=== Liens externes===
* [https://www.franceculture.fr/emissions/la-methode-scientifique/theorie-du-tout-ou-rien "Théorie du tout : ou rien ?"], ''[[La Méthode scientifique]]'', [[France Culture]], 27 décembre 2018.

=== Articles connexes ===
* [[Grande unification]]
* [[Physique théorique]]
* [[Théorie du tout (philosophie)]]
* [[Théorie M]]
{{Portail|physique}}

{{DEFAULTSORT:Theorie du tout}}
[[Catégorie:Physique théorique]]
[[Catégorie:Théorie de la gravitation|Tout]]
[[Catégorie:Théorie du tout|*]]
[[Catégorie:Problème non résolu en physique]]