Traduction libre
2023-06-11
Pour progresser, la physique théorique doit cesser de penser en termes de points (qu’il s’agisse d’entités de la taille d’un point comme les particules, ou de points d’espace [Sur la notion de point et sa problématique, lire sur ce site Le point : la matérialisation du néant ?]) et, au contraire, penser en termes de configurations et de fluctuations de brins constituant le tissu sous-jacent de la réalité, affirme le Dr Schiller. Bien que son point de vue préserve encore des brins distincts, nous pensons qu’il s’agit d’un pas en avant vers une compréhension holistique de la nature en tant que comportement d’un substrat étendu, par opposition à la dynamique d’objets discrets.
Vue d’ensemble
Contrairement aux progrès de la physique expérimentale et de toutes les autres sciences, les progrès de la physique théorique fondamentale ont été lents au cours des cinq dernières décennies. Pourquoi tant d’efforts ont-ils été vains ? Il y a six raisons. La première raison est l’insistance à utiliser des points pour décrire les particules et l’espace. Cinq habitudes de pensée supplémentaires ralentissent encore plus la physique théorique fondamentale.
Le présent essai soutient que les six habitudes retardatrices peuvent être éliminées exactement de la même manière : les points doivent être remplacés par un autre type de concept fondamental. Ce nouveau concept est fourni par les composants communs de l’espace, des trous noirs, des particules, des fonctions d’onde et des forces. La distillation des composants corrects permet de répondre aux questions ouvertes de la physique fondamentale, y compris l’origine de toutes les couleurs dans la nature.
La nécessité d’un changement dans la physique fondamentale
Toute la science moderne, de Galilée à aujourd’hui, peut être considérée comme la recherche d’une description précise de tout ce qui est observé. Or, dans toutes les observations, il y a un mouvement. La description précise du mouvement est le sujet de la physique. La physique moderne peut être considérée comme la quête d’une description précise de tout ce qui bouge. En fait, seuls deux aspects de la nature sont en mouvement : les particules et la courbure de l’espace.
Grâce à sa volonté de décrire les particules et l’espace avec précision, la science a fait — et continue de faire — des progrès constants dans tous ses domaines, de la science des matériaux à la chimie, des géosciences à l’astronomie, de la physique à l’astrophysique, et dans toutes les sciences de la vie. Dans l’ensemble, grâce à cette dynamique, la science est une réussite fascinante.
Dans l’histoire de la réussite de la science, il y a une exception. Au cours des cinq dernières décennies, la physique théorique fondamentale — contrairement aux autres domaines de la physique — a stagné. Toutes les propriétés fondamentales connues de la nature ont été décrites en 1973. Elles concordent avec toutes les expériences. Néanmoins, d’importantes questions restent ouvertes. Depuis 50 ans, l’origine des interactions, l’origine des particules élémentaires et l’origine des constantes fondamentales restent inconnues. Par exemple, il n’y a pas d’explication sur l’origine de l’électricité et de la radioactivité, pas d’explication sur l’origine des électrons et des quarks, et pas d’explication sur la force avec laquelle les électrons interagissent avec les photons. Cette force est décrite par un nombre, la constante de structure fine, dont la valeur mesurée est 137,0359992 [2], mais dont l’origine est inconnue. Comme l’origine est inconnue, l’origine précise de chaque couleur dans la nature est également inconnue.
Pourquoi l’origine des couleurs est-elle inconnue ? Pourquoi l’origine des particules, des forces et de leur puissance n’est-elle toujours pas claire, malgré le grand nombre de chercheurs qui y travaillent ? Dans ce qui suit, il est avancé que six raisons ont empêché le progrès :
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L’habitude d’utiliser des particules ponctuelles et des points dans l’espace.
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L’hésitation à concevoir un modèle pour les trous noirs.
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L’hésitation à concevoir un modèle pour les particules et les fonctions d’onde.
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L’hésitation à concevoir un modèle pour l’espace.
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L’habitude de chercher une équation unifiée.
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L’hésitation à concevoir un modèle de forces.
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Il est intéressant de noter que la solution à chaque impasse est la même : la nature doit être décrite à l’aide d’un nouveau type de composants fondamentaux.
Les points n’existent pas
Les deux grandes réalisations de la physique du XXe siècle — la relativité générale [1-3] et le modèle standard de la physique des particules, agrandies par les neutrinos massifs de Dirac [4] — décrivent la nature avec une grande précision. Même si des indices de déviation apparaissent régulièrement, aucune donnée concrète ne contredit l’une ou l’autre de ces deux théories. Malgré d’énormes incitations à trouver des déviations, aucune n’a été confirmée. Les deux théories restent obstinément correctes et précises.
Lorsque l’on combine les deux théories de la physique, on obtient un résultat frappant. Il existe, dans la nature, une plus petite longueur mesurable [5-7]. La plus petite longueur mesurable est donnée par la longueur de Planck, soit environ 10-35 mètres. Cette valeur est incroyablement petite et loin de toute détection expérimentale. Aucune expérience ne l’a atteinte et il semble qu’aucune expérience ne le pourra jamais. Mais surtout, cette valeur n’est pas nulle. En bref, entre deux points de l’espace, il n’y en a pas toujours un troisième.
De même, il existe dans la nature le plus petit intervalle de temps mesurable. Le temps de Planck est d’environ 10-43 secondes. Là encore, la plus petite durée mesurable n’est pas nulle. Entre deux instants de temps, il n’y en a pas toujours un troisième.
L’existence de la plus petite longueur et du plus petit temps mesurables implique qu’une description correcte de la nature ne peut être basée sur un espace et un temps continus. L’espace et le temps ne sont pas continus. Il n’existe aucun moyen de confirmer que l’espace est constitué de points ou que le temps est constitué d’instants. D’un côté, ce résultat est fascinant. D’autre part, nous ne pouvons même pas penser ou parler de la nature sans espace et temps continus. En particulier, toutes les équations de la physique utilisent un espace et un temps continus.
Existe-t-il un moyen de sortir de ce dilemme ? Oui, il y en a une. Les points de l’espace et les particules ponctuelles doivent être remplacés par quelque chose à l’échelle de Planck. L’espace et les particules doivent tous deux avoir des composants à l’échelle de Planck. Dans les expériences habituelles, l’échelle de Planck n’est pas détectable, les composants peuvent être ignorés et nous pouvons utiliser des points. Lorsque l’on explore uniquement la relativité générale, les composants s’annulent en moyenne ; ils ne sont donc pas importants. Lorsque l’on explore uniquement la théorie quantique, les composants s’annulent en moyenne à nouveau ; là encore, ils ne sont pas importants. Mais lorsque la relativité générale et la théorie quantique sont combinées, et seulement dans cette situation, aux fondements de l’espace et du temps, lorsque nous voulons comprendre l’origine des forces et des particules, les composants à l’échelle de Planck deviennent inévitables.
Les trous noirs sont la clé des composants de la nature
Il y a 50 ans, Bekenstein et Hawking ont découvert que les trous noirs ont une entropie et une température [8, 9]. Ce résultat implique deux aspects importants : premièrement, la valeur de l’entropie (et de la température) est finie ; deuxièmement, les valeurs sont données par le rapport entre la surface du trou noir et le carré de la longueur de Planck. La valeur de l’entropie implique que les trous noirs sont constitués de composants qui ont une taille à l’échelle de Planck dans deux directions (on ne peut rien déduire de la taille dans la troisième direction). Les trous noirs sont donc constitués de composants dénombrables, ou discrets. Cela confirme les résultats qui découlent de la combinaison de la relativité générale et de la théorie quantique, comme on s’y attendait. Mais en fait, un nouveau résultat supplémentaire peut être déduit.
Les trous noirs sont de la matière très condensée. En d’autres termes, les trous noirs peuvent être considérés comme des particules très condensées ou comprimées. En même temps, les trous noirs sont des espaces très courbés. En d’autres termes, les trous noirs peuvent être considérés comme une configuration spécifique de l’espace. Par conséquent, les composants des trous noirs sont les mêmes composants de l’espace et de la matière. En d’autres termes, l’espace et les particules sont faits de composants communs.
Comment l’espace et les particules peuvent-ils être constitués des mêmes éléments ? L’espace et les particules sont différents : les particules sont comme des petits cailloux, petits et compacts, alors que l’espace est étendu, couvrant tout l’univers. Les composants communs doivent donc être à la fois petits et étendus. Les propriétés des trous noirs impliquent que les composants doivent être minuscules dans deux directions et grands dans une troisième. En d’autres termes, les composants communs de l’espace, de la matière et du rayonnement doivent être des brins de rayon de Planck aussi étendus que l’univers.
Les particules et les fonctions d’onde peuvent être illustrées
Les expériences et la théorie quantique montrent que les particules ne sont pas parfaitement comme le point. Les particules de matière, en particulier, sont décrites par des fonctions d’onde. Les expériences et la théorie quantique indiquent que les fonctions d’onde sont étendues et continues. Mais les fonctions d’onde sont-elles réellement continues ? Non, elles ne le sont pas.
À l’approche de l’échelle de Planck, aucune expérience ne peut prouver que les fonctions d’onde sont continues. En fait, toutes les expériences suggèrent que les fonctions d’onde sont des brins qui s’agitent extrêmement rapidement. Comme Dirac l’a découvert dès 1929, les brins ondulants expliquent le spin de ½ des particules de matière [10]. Il a également montré que les brins ondulants expliquent que les particules de matière sont des fermions et l’origine du quantum d’action ?. Comme Battey-Pratt et Racey l’ont découvert en 1980, les brins ondulants expliquent également les fonctions d’onde relativistes et l’équation de Dirac [11]. En particulier, les brins ondulants flous expliquent l’existence et l’extension spatiale des fonctions d’onde.
Si les fonctions d’onde sont des brins flous qui s’agitent, que sont les particules ? Il n’y a pas beaucoup d’options. Les particules doivent être des brins enchevêtrés. Ce que nous appelons habituellement la position d’une particule est alors la région où se trouve la région enchevêtrée. Ce que nous appelons habituellement la densité de probabilité est la région autour de la particule où les minuscules brins fluctuent. Ce que nous appelons habituellement la phase d’une particule est l’orientation moyenne dans l’espace de l’enchevêtrement. Ce que nous appelons habituellement les réactions des particules sont des changements dans l’enchevêtrement des brins.
Les brins sont-ils en contradiction avec les particularités de la théorie quantique ? Sont-ils des variables cachées ? Une exploration détaillée montre que les brins reproduisent effectivement la théorie quantique dans tous ses aspects [12]. Les brins ondulants ne sont pas des variables cachées, car les brins individuels ne sont pas observables. Les brins ondulants reproduisent effectivement les superpositions quantiques et la mécanique quantique. Les brins ondulants et enchevêtrés reproduisent l’enchevêtrement — presque intrinsèquement, pourrait-on dire. En bref, les brins ondulants reproduisent la théorie quantique dans tous ses détails à toutes les distances mesurables.
En d’autres termes, les brins fluctuants expliquent les fonctions d’onde. Les particules ne sont pas de petites parties ; les particules sont des enchevêtrements fluctuants. Les fonctions d’onde apparaissent lorsque les fluctuations des brins s’annulent en moyenne. En effet, la classification des différents types d’enchevêtrements permet d’obtenir les particules élémentaires connues. L’exploration de la rotation des écheveaux explique les valeurs de masse des particules élémentaires. Les brins enchevêtrés montrent donc comment aborder les questions ouvertes de la physique fondamentale.
L’espace est composé d’éléments étendus
La combinaison de la relativité générale et de la théorie quantique montre que l’espace ne peut pas être continu. L’espace est constitué de brins qui ondulent et fluctuent. L’espace vide ne contient pas de particules. L’espace vide est donc constitué de brins non enchevêtrés qui changent de forme de manière aléatoire. Tout cela peut-il être correct ? Il n’y a qu’une seule façon de le savoir.
Einstein a prouvé que l’espace peut se plier et bouger. L’espace se plie ou se courbe autour des corps massifs, et la courbure se déplace en même temps que les corps. En outre, l’espace peut se plier et bouger même en l’absence de corps proches : il y a des ondes gravitationnelles dans la nature. Les brins peuvent-ils reproduire toutes ces observations ? Il s’avère que oui.
De la même manière que les brins forment l’espace vide, les paires de brins torsadés reproduisent la courbure de l’espace. Un grand nombre de paires torsadées en mouvement reproduisent les ondes gravitationnelles. Des fils tissés très denses reproduisent l’horizon des trous noirs. Les trous noirs ne peuvent pas être comprimés davantage en raison du rayon minuscule des brins qui les composent. Une étude détaillée montre que les équations de champ de la relativité générale d’Einstein apparaissent lorsque les fluctuations des brins s’annulent en moyenne [13]. Un autre résultat a été obtenu : les paires de brins tordus ne sont possibles que dans trois dimensions spatiales. Les brins expliquent donc pourquoi nous vivons en trois dimensions.
En d’autres termes, l’espace est constitué de brins fluctuants. En faisant la moyenne des fluctuations des paires de brins torsadés, on obtient la relativité générale. Le calcul de la moyenne reproduit la physique des manuels scolaires.
La physique fondamentale n’est pas basée sur des équations
La physique décrit le mouvement à l’aide d’équations. Plus précisément, la physique décrit le mouvement comme une conséquence des interactions — la gravité, l’électricité, le magnétisme et les deux interactions nucléaires. La physique décrit tous les changements qui nous entourent à l’aide d’équations de mouvement. Mais sur ce sujet, les brins impliquent une conséquence surprenante.
Comme les limites de Planck de l’espace et du temps sont inaccessibles, les composants communs uniques de l’espace et des particules sont inobservables. Il n’est donc pas possible de déduire une équation unifiée pour le mouvement ou un lagrangien unifié pour des composants communs uniques [14]. Au lieu de cela, toutes les équations d’évolution connues, telles que les équations de champ d’Einstein ou l’équation de Dirac, émergent du comportement collectif d’un grand nombre de composants fondamentaux. L’émergence a déjà été constatée ci-dessus à la fois pour le mouvement des fonctions d’onde et pour le mouvement de l’espace vide.
En d’autres termes, la théorie quantique et la relativité générale résultent de l’établissement d’une moyenne sur des enchevêtrements fluctuants de la taille de Planck. Toute précision dans la nature découle de la moyenne d’un grand nombre d’enchevêtrements fluctuants. Inversement, la longueur de Planck implique l’absence d’une équation unifiée de la nature.
Les forces sont dues à des déformations
La déception liée à la recherche d’une équation unifiée est plus que compensée par un certain nombre de conséquences de la description des brins qui sont tout à fait fascinantes. En physique fondamentale, il existe trois interactions de jauge : la force électromagnétique, la force nucléaire faible et la force nucléaire forte. Dans la théorie quantique, les interactions sont des processus qui modifient la phase des fonctions d’onde. Les brins définissent la phase des particules comme l’orientation de l’enchevêtrement des particules, et la fonction d’onde comme les fluctuations de la forme des enchevêtrements. Par conséquent, les brins impliquent que les interactions sont des déformations des enchevêtrements.
Il est intéressant de noter qu’il y a près d’un siècle, Reidemeister et d’autres mathématiciens ont déduit un moyen de classer les déformations de l’enchevêtrement. Ils ont découvert que les déformations peuvent être classées en trois types de base, appelés les trois mouvements de Reidemeister. En explorant ces trois mouvements, on constate qu’ils génèrent exactement les symétries de jauge observées des interactions électromagnétique, nucléaire faible et nucléaire forte. Les ensembles d’un, deux et trois brins produisent précisément les groupes de jauge U(1), SU(2) et SU(3). En bref, les trois mouvements de Reidemeister sur les brins expliquent l’origine des trois forces de jauge dans la nature [15,16].
Pourquoi la découverte de l’origine des groupes de jauge a-t-elle été si longue ? Les brins ont été introduits par Dirac en 1929. Il a fallu attendre 1980 pour que Battey-Pratt et Racey en déduisent des fonctions d’onde. Dans un domaine de recherche indépendant, il a fallu une décennie supplémentaire pour découvrir que les changements de forme sont liés aux symétries de jauge. Mais à cette époque, seules des symétries de jauge commutatives ont été trouvées, car les formes compactes ne produisent pas de symétries non-commutatives. Au contraire, les interactions nucléaires sont non-commutatives : elles nécessitent des tethers (attaches). Ce n’est qu’il y a 15 ans qu’il est apparu clairement que les brins permettaient de déduire des groupes de jauge non commutatifs.
Qu’en est-il de la force des interactions ? Les brins impliquent que la force des interactions est due aux statistiques des fluctuations de forme dans les enchevêtrements de particules. Là encore, les mathématiques, et plus précisément la théorie des nœuds, permettent de progresser. Les enchevêtrements de brins impliquent que les charges sont quantifiées, comme on l’observe. Et les premiers calculs statistiques grossiers donnent des constantes de couplage qui concordent avec les mesures.
En d’autres termes, les brins impliquent que les équations de la physique ne résultent pas d’une équation fondamentale, mais qu’elles résultent toutes des statistiques des fluctuations des brins. En termes simples, toutes les lois — toutes les interactions et toutes les constantes de couplage — émergent des brins qui s’agitent. C’est le cas, par exemple, de la masse des particules élémentaires. Surtout, le célèbre nombre 137,0359992… semble être dû au nombre moyen de déformations d’enchevêtrement induites par le premier mouvement de Reidemeister dans les enchevêtrements chargés électriquement [12]. Les brins semblent donc expliquer l’origine de toutes les couleurs dans la nature.
Conclusion : renouveler la physique fondamentale
La combinaison de la relativité générale avec la théorie quantique des champs — c’est-à-dire avec le modèle standard de la physique des particules — implique que la théorie unifiée de la physique fondamentale est basée sur des composants fondamentaux communs et discrets qui sont à la fois étendus et de l’ordre du rayon Planck. Ces brins donnent à la fois l’espace et les particules quantiques. Hélas, les brins impliquent qu’aucun tee-shirt avec une équation d’évolution unifiée ne peut être conçu. Une telle équation n’existe pas. En revanche, toutes les équations d’évolution connues — telles que les équations du champ d’Einstein, l’équation de Dirac et les équations du champ de jauge — émergent du comportement collectif d’un grand nombre de brins fluctuants.
Les brins fluctuants expliquent l’origine des particules élémentaires et des interactions, ainsi que toutes les constantes fondamentales — les masses des particules élémentaires, leurs angles de mélange, les constantes de couplage, la constante cosmologique et la dimensionnalité de l’espace — à partir de leur comportement collectif et statistique. En particulier, toutes les couleurs sont dues aux fluctuations des brins. Les brins et leur comportement statistique expliquent ainsi toute la beauté de la nature qui nous entoure.
Les brins font également de nombreuses déclarations expérimentales. Elles ont été rassemblées et publiées. Jusqu’à présent, toutes les conséquences et prédictions déduites concordent avec toutes les observations.
Au total, l’utilisation de brins au lieu de points comme composants fondamentaux de l’espace et des particules offre une nouvelle façon de décrire la physique fondamentale. Les brins expliquent les particules élémentaires et les quatre forces. Les brins expliqueront toutes les couleurs dans tous leurs détails. Les brins permettront de prédire les valeurs de masse des neutrinos.
Bien que l’univers soit rempli de brins fluctuants qui relient tout, dans notre vie de tous les jours, les brins fluctuants ne sont pas remarqués. La chimie, la science des matériaux, la médecine, la biologie, la géologie, l’astronomie, l’ingénierie et la plupart des aspects de la physique ne sont pas affectés. Dans les sciences naturelles, l’exploration de la nature se poursuivra indépendamment des brins, et les découvertes et inventions se feront indépendamment de ceux-ci. Néanmoins, seuls les brins expliquent les particules, l’espace et toutes les couleurs qui nous entourent.
Les brins impliquent que chaque particule de notre corps est reliée, par eux, au reste de l’univers. À chaque mouvement, nous déplaçons un grand nombre de brins. Cette nouvelle description du mouvement exige un changement dans nos habitudes de pensée, mais seulement en physique fondamentale. L’exploration de la nature restera fascinante pendant longtemps.
Références
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[2] LIGO Collaboration and Virgo Collaboration and others, Tests of general relativity with GWTC-3, Physical Review D (Particles, Fields, Gravitation and Cosmology) (2022), arXiv:2112.06861 [gr-qc].
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[13] C. Schiller, Testing a conjecture on the origin of space, gravity and mass, Indian Journal of Physics 96, 3047 (2022).
[14] C. Schiller, From maximum force to physics in 9 lines towards relativistic quantum gravity, Zeitschrift fu?r Naturforschung A 78, 145 (2023), arXiv:2208.01038 [gr-qc].
[15] C.Schiller,Testing a conjecture on the origin of the standard model, Eur.Phys.J.Plus 136, 79(2021).
[16] C. Schiller, Testing a conjecture on quantum chromodynamics, International Journal of Geometric Methods in Modern Physics 20, 2350095 (2023).
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Le Dr Schiller, auteur du manuel « Motion Mountain », est né en 1960 et est d’origine italienne, allemande et européenne. Il est marié et père de deux enfants. Élevé dans les deux langues à Varèse (Italie), il a étudié la physique à l’Université de Stuttgart (Allemagne) et a obtenu son doctorat en physique à l’Université libre de Bruxelles (Belgique), dans le département d’Ilya Prigogine, grâce à une bourse de la Volkswagenstiftung. Il a également vécu en Suisse, au Royaume-Uni, en France, au Japon et aux Pays-Bas. Son nombre d’Erd?s est 5, tout comme son nombre d’Einstein — des chiffres typiques pour un physicien de son âge. Ses publications et prépublications sont disponibles sur ResearchGate et sur Google Scholar. Il écrit occasionnellement des tweets à l’adresse https://twitter.com/PhysicsFree et des toots à l’adresse https://mastodon.social/@MotionMountain.
Texte original : https://www.essentiafoundation.org/from-points-to-fluctuating-strands-advancing-theoretical-physics/reading/