Ce mois-ci marque exactement 100 ans depuis qu’Albert Einstein a présenté le premier article décrivant entièrement la théorie générale de la relativité. C’était à la fois époustouflant et révolutionnaire.

En termes simples, la gravité est une propriété géométrique de l’espace-temps qui peut être incurvée. C’était comme regarder le monde de Newton à travers le fond d’un verre.

La relativité générale est basée sur les équations de champ d’Einstein, qui décrivent la relation entre la géométrie d’une description en quatre dimensions de l’espace-temps et l’énergie–moment contenue dans cet espace-temps.

La courbure de l’espace-temps est causée par la masse; plus il y a de masse, plus l’espace-temps est incurvé. Cette courbure peut induire des déviations ou des retards dans la propagation de la lumière.

Même près de chez nous, notre soleil – pas si massif que les étoiles – modifiera le chemin de la lumière près de lui. La théorie de Newton prédit une déviation de la lumière de 0.875 secondes d’arc au membre du soleil, tandis que la relativité prédisait une déviation de 1,75 seconde d’arc. Les observations pendant les éclipses solaires totales des champs d’étoiles de fond ont confirmé la valeur des Einstein.

Même si Einstein était mort peu de temps après ses travaux sur la relativité générale, il serait encore considéré par beaucoup aujourd’hui comme le plus grand physicien qui ait jamais vécu, et peut-être même le plus grand scientifique.

Vers une théorie unifiée des champs

Cependant, bien qu’il ait continué à travailler sur de nombreux problèmes jusqu’à sa mort en 1955, il est régulièrement décrit comme échouant dans un domaine particulier: la théorie unifiée des champs.

À partir des années 1920, Einstein a essayé de développer une théorie unifiée qui fusionnait la relativité générale et l’électromagnétisme, représentant les deux seules forces connues.

Une telle théorie décrirait un champ unique dans lequel toutes les forces sont médiées et les propriétés de toutes les particules – qui à l’époque n’étaient que des électrons et des protons, le neutron n’ayant été découvert qu’en 1932 – pourraient être déduites.

D’autres joueurs de la quête sont apparus. Theodor Kaluza a montré que si l’espace-temps avait cinq dimensions, alors quatre dimensions pourraient refléter la relativité générale et une pourrait représenter l’électromagnétisme. Dans le monde quantique en plein essor du milieu des années 1920, Oskar Klein a réduit la 5e dimension de Kaluza pour qu’elle soit compacte, offrant en quelque sorte une interprétation de la mécanique quantique.

Einstein s’est inspiré d’autres travaux si cela pouvait aider sa cause. Il a même examiné les variations de la base mathématique réussie de la relativité générale. Il est largement rapporté qu’il n’a pas soutenu la mécanique quantique, mais l’a promue (l’a subie?) étant un dérivé d’une théorie unifiée éventuelle.

De forts développements

D’une certaine manière, son orientation mathématique a entravé son acceptation des découvertes majeures en cours en physique comme la mécanique quantique. La découverte de deux nouvelles forces en plus de la gravité et de l’électromagnétisme – les forces nucléaires fortes et faibles – a également rendu son travail d’un champ unifié basé uniquement sur deux forces inaccessibles.

Les protons et les neutrons dans les noyaux atomiques devaient être maintenus ensemble par une forte force d’attraction. Les mésons, les particules porteuses de la force nucléaire forte, ont été découverts expérimentalement en 1947. Enrico Fermi en 1933 a essayé d’expliquer la désintégration bêta, qui était une transmutation radioactive entre protons et neutrons. C’était lié à une force nucléaire faible.

Finalement, Sheldon Glashow, Steven Weinberg et Abdus Salam ont annoncé une théorie unifiée de l’électromagnétisme et de la force nucléaire faible en 1968. Leur théorie électrofaible postule les particules porteuses de force faible – les bosons W et Z – qui ont ensuite été découvertes dans les années 1980.

Nous savons maintenant que toutes les forces en dehors de la gravitation sont liées mathématiquement, bien qu’avec quelques différences de phénomènes.

Les efforts d’aujourd’hui pour un champ unifié

La principale voie vers l’unification au cours des trois dernières décennies a été la théorie des cordes. Deux formes de théorie des cordes ont respectivement dix et vingt et une dimensions. Dans un étrange parallèle, la miniaturisation ou la compactification de nombreuses dimensions en théorie des cordes est l’équivalent moderne de la quantification d’une 5ème dimension par Klein.

Malgré le peu de pouvoir prédictif et les critiques s’attaquant à sa relation avec un multivers, aucun autre domaine de la théorie de l’unification n’apparaît aussi fructueux que la théorie des cordes.

Pendant trente ans, une théorie unifiée s’est avérée un adversaire digne d’Einstein. Il y a travaillé même son avant-dernier jour à l’hôpital de Princeton. J. Robert Oppenheimer était plus tard à la fois peu flatteur,

Pendant toute la fin de sa vie, Einstein n’a fait aucun bien. Il tourna le dos aux expériences pour réaliser l’unité de la connaissance.

envet envieux,

Bien sûr, j’aurais aimé être le jeune Einstein. Cela va de soi.

Un consensus semble exister: dans les années suivantes, Einstein a travaillé avec des œillères mathématiques, à l’abri des découvertes pertinentes et incapable de changer sa méthode d’investigation.

Comme l’a écrit James Joyce :

Un homme de génie ne fait aucune erreur. Ses erreurs sont volontaires et sont les portails de la découverte.

Échec et erreur sont des mots durs. Ils sont souvent les précurseurs de la découverte. Le champ unifié était l’ennemi juré d’Einstein pour diverses raisons. Malgré cela, beaucoup enviaient son génie précoce et nous devrions nous concentrer sur cela en particulier en cette année du centenaire de la plus grande révolution de la physique.