La théorie du tout est une théorie qui viserait à unifier les 2 principales théories de notre univers. Cette théorie décrirait tout, on pourrait peut-être comprendre le big bang, les singularités et pleins d'autres mystères de l'univers !
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00:00 Imaginez une théorie qui puisse tout décrire.
00:11 Que tout notre univers ne tienne que sur une seule équation.
00:15 Que les trous noirs ne soient plus en mystère pour nous, et que la naissance de l'univers
00:22 ne soit plus en secret.
00:23 Notre univers est régi par 4 forces fondamentales, exactement comme les 4 cordes de ce violon.
00:29 Il y a 13,8 milliards d'années, ces forces étaient unifiées, jouant en parfaite harmonie,
00:33 à l'unisson, de manière coordonnée et synchronisée.
00:36 A l'heure actuelle, aucune théorie ne décrit cette force universelle.
00:40 Et celle qui le fera, on l'appellera peut-être la théorie du trou.
00:45 C'est la théorie où l'infiniment petit rencontre l'infiniment grand.
00:48 Les trous noirs sont comme des clés pour trouver cette théorie.
00:50 On la cherche, on ne sait pas si elle existe, mais on espère la trouver un jour.
00:54 Pour certains physiciens, ça serait un peu l'ultime découverte.
00:57 On pourrait comprendre une majorité des mystères qu'on trouve dans l'univers.
01:00 On trouverait des solutions aux problèmes des trous noirs, on unifierait toutes les
01:04 forces entre elles.
01:05 Bref, on pourrait peut-être expliquer tout.
01:07 C'est pas évident en fait que ceci existe, mais la théorie du trou pourrait être la
01:11 théorie des 4 interactions fondamentales que l'on connait aujourd'hui.
01:14 Alors pourquoi c'est si compliqué de trouver cette théorie du trou ? Et même, qu'est-ce
01:18 que c'est ? Est-ce utile de continuer de la chercher ? Et quels sont les candidats
01:22 à cette théorie ? C'est tout ce dont on va parler dans ce documentaire.
01:25 Depuis le XXe siècle, les théoriciens sont en quête de cette théorie.
01:34 Et même les plus grands sont passés à côté.
01:36 Einstein, Hawking, Witten, pas un seul n'a pu formuler une théorie qui tienne la route.
01:41 Mais la quête continue, et c'est la quête de la théorie du trou.
01:45 On est deux semaines avant la sortie de mon plus gros projet qui sort le 30 mars sur YouTube,
01:48 donc abonnez-vous pour être à l'affût.
01:50 Et bienvenue dans ce tout nouveau documentaire basé sur la théorie du trou.
01:53 Il est en collaboration avec la médiathèque de Valenciennes qui m'accueille dans leur
01:56 magnifique décor.
01:57 Et d'ailleurs sachez que c'est ce soir l'avant-première que je fais au cinéma.
02:00 Et merci à ceux qui viennent, j'ai hâte de vous rencontrer.
02:02 Pour ceux qui n'auront pas eu l'occasion de venir, le projet sortira donc le 30 mars
02:06 sur ma chaîne YouTube.
02:07 Abonnez-vous donc si c'est pas déjà fait pour pas louper ça.
02:08 Mais bref, qu'est-ce que la théorie du trou et comment on y parvient ?
02:12 Alors la théorie du trou c'est un cadre théorique qui serait censé expliquer, si
02:19 elle existe, toute forme de matière et interaction qu'il y a dans l'univers et même celle
02:24 qu'on ne connaît pas encore.
02:26 On a deux manières fondamentales de décrire notre univers.
02:28 La première c'est la Relativité Générale établie par Einstein en 1915, qui est la
02:33 théorie la plus belle de la physique.
02:34 C'est elle en fait qui décrit la force de gravitation.
02:38 Et pour rappel en fait, avant Einstein, on disait que la gravité était une force, mais
02:42 on ne savait pas comment elle agissait.
02:43 Et Einstein donc quand il arrive, il va expliquer que la gravité c'est en fait la conséquence
02:48 d'une courbure de l'espace-temps.
02:49 On ne va plus la décrire comme une force en fait, on va la décrire comme une déformation
02:53 géométrique du continuum espace-temps.
02:55 En vérité, c'est un peu abstrait ce genre de choses.
02:58 Au tout départ, c'est Isaac Newton qui révolutionne notre compréhension de l'univers
03:03 en développant sa théorie de la gravitation universelle.
03:05 A cette époque, la gravité était mal comprise.
03:08 Et ce, malgré les efforts des astronomes comme Kepler pour décrire les mouvements
03:12 des planètes de manière empirique.
03:14 Entre 1667 et 1679, des physiciens comme Robert Hooke ou Descartes proposaient des
03:20 lois de la gravitation, mais aucune ne semblait être parfaite.
03:23 Et c'est Hooke qui va lancer Newton sur la voie.
03:26 Pour formaliser ses idées, Newton a développé des calculs permettant de démontrer comment
03:31 la force de gravité agissait sur les objets en mouvement, et comment elle les maintenait
03:35 en orbite autour des autres.
03:36 Il affirme que la gravité est une force exercée à distance entre les objets dotés de masse,
03:41 puissant à distance sans contact physique direct.
03:43 Il a donc formulé cette idée dans sa célèbre loi de la gravitation universelle.
03:47 Cette théorie révolutionnaire a permis d'expliquer non seulement pourquoi les pommes tombaient
03:51 des arbres, mais aussi pourquoi les planètes orbitaient autour du soleil.
03:54 Si la lune tourne autour de la terre, ou que la pomme tombe de l'arbre, c'est à cause
03:58 d'un même phénomène, la gravité.
04:00 Le seul souci qu'on avait à cette époque, c'était d'expliquer comment cette force
04:03 agissait.
04:04 Il n'y avait pas de cordes entre deux astres qui les retenaient pour maintenir leur attraction
04:07 gravitationnelle.
04:08 C'est alors qu'arrive Albert Einstein, un jeune physicien ayant une très grande
04:13 renommée grâce à ses articles résolvant plusieurs problèmes.
04:16 En 1905, il avait publié sa théorie de la relativité restreinte qui unifiait l'espace
04:21 avec le temps.
04:22 Bien que cette théorie ait révolutionné notre compréhension de l'espace, du temps
04:25 et de la vitesse de la lumière, Einstein n'était pas satisfait car il ne prenait
04:29 pas en compte les effets de la gravitation.
04:31 Alors, il s'est lancé dans le développement d'une théorie plus générale, capable de
04:35 décrire la gravitation dans toutes ses manifestations.
04:38 A mon avis, c'est probablement la théorie la plus belle, la plus jolie de la physique
04:45 fondamentale au moins.
04:46 En tout cas, selon moi, c'est un coup de génie.
04:50 Je pense que c'est assez extraordinaire.
04:53 C'est cette idée qu'a eue Einstein que l'interaction gravitationnelle est de nature
04:58 géométrique.
04:59 La gravitation est vue comme un courboure de l'espace-temps qui est affecté par la
05:04 présence d'une masse ou d'énergie.
05:09 On sait que dans la relativité générale, la masse et l'énergie sont liées par la
05:13 fameuse formule E=mc².
05:15 D'abord, il y a eu la relativité restreinte qui a unifié la masse et l'énergie.
05:20 C'est la même chose.
05:21 La relativité générale unifie en quelque sorte l'espace-temps et toute forme d'énergie.
05:25 En gros, ce que dit Einstein, c'est que toute forme d'énergie, que ce soit des masses
05:29 telles que nous, un visage, la Terre, le Soleil, les étoiles, vont courber l'espace-temps.
05:35 Ce qui crée l'interaction gravitationnelle entre deux corps, c'est une déformation
05:41 de l'espace-temps.
05:42 Et cette idée de décrire l'interaction gravitationnelle d'un point de vue géométrique
05:48 a été, selon moi, je ne suis pas un spécialiste de l'histoire des sciences, mais un véritable
05:51 changement de paradigme dans la façon dont on va vraiment comprendre l'interaction
05:55 entre les corps.
05:56 La relativité générale développée par Einstein entre 1907 et 1915 repose sur l'idée
06:01 fondamentale que la gravitation est une manifestation de la courbure de l'espace-temps, causée
06:07 par la présence de masse et d'énergie.
06:09 Contrairement à la vision newtonienne de la gravitation comme une force agissant à
06:12 distance, la relativité générale décrit la gravitation comme une déformation de l'espace
06:17 et du temps autour d'objets massifs.
06:19 En d'autres termes, Newton voit la gravité comme une force, et Einstein la décrit avec
06:23 la géométrie de l'espace-temps.
06:24 Et donc, l'un des premiers postulats d'Einstein c'était de dire, voilà, la gravitation,
06:29 c'est de la géométrie.
06:30 Si je suis capable de comprendre la géométrie de l'espace-temps, je vais être capable
06:33 de comprendre la gravitation.
06:34 Et effectivement, il est arrivé en fait à décrire la gravitation de cette façon-là
06:40 en introduisant des outils mathématiques de nature géométrique.
06:43 Donc ça, c'est la première étape.
06:45 C'est en gros dire, voilà, je suis capable en gros de dire que la gravitation, je la
06:49 redécris comme de la géométrie.
06:50 C'est déjà une prouesse assez extraordinaire.
06:51 Elle prédit aussi quelque chose qui à l'époque, à l'époque d'Einstein, était inimaginable
06:57 et impossible à vérifier expérimentalement.
06:59 Elle prédit par exemple les trous noirs, qui sont des objets où l'espace-temps est
07:04 fondré sur lui-même, ou elle prédit les zones gravitationnelles, qui sont des déformations
07:11 d'un espace-temps qui propage à la vitesse de la lumière.
07:13 Et cette théorie marche encore aujourd'hui.
07:15 Du moins, tant que personne n'aura prouvé qu'elle est fausse.
07:18 Newton est totalement vrai, est une théorie extraordinaire pour comprendre la physique
07:23 tant qu'on ne va pas trop dans l'infiniment petit et tant qu'on ne va pas trop vite.
07:27 Et là, ça devient fou.
07:28 Maxwell a tout à fait raison de décrire les ondes électromagnétiques par ses équations
07:33 tant qu'on n'a pas besoin d'invoquer des deux photons, par exemple, auquel cas les
07:38 équations de Maxwell ne marcheront plus.
07:39 Il me semble que les physiciens n'ont pas vraiment tout de suite perçu la dimension
07:45 géniale de la relativité générale quand Einstein l'a sorti, parce que je pense qu'elle
07:50 changeait tellement fortement notre façon de voir les choses que c'était difficile
07:53 peut-être d'avoir envie de plonger dans ces mathématiques pour arriver à décrire
07:57 l'univers d'une façon tellement ésotérique, tellement complexe.
08:00 Mais cette théorie ne se limite qu'à la force de gravitation.
08:03 En fait, avec la relativité générale, on ne peut décrire que la gravité.
08:07 Sauf que dans notre univers, on connaît trois autres forces.
08:11 Ces trois forces-là, on réussit à les décrire, mais dans le cadre d'une autre théorie
08:15 qu'on appelle la théorie de la mécanique quantique.
08:17 Il s'agit là d'une théorie qui décrit toutes les mécaniques du monde de l'infiniment
08:21 petit.
08:22 Dans ce monde-là, tout est différent de ce que l'on connaît à notre échelle.
08:25 Cet infiniment petit-là, c'est le monde des particules.
08:28 Tout ce qui nous entoure, mais à une taille extrêmement petite, des millions de fois
08:33 plus petite que notre propre taille.
08:35 Et la mécanique quantique, c'est une branche fondamentale de la physique qui s'intéresse
08:39 aux comportements et aux interactions des particules subatomiques.
08:41 Donc les électrons, les quarks, les photons, qui sont des particules de lumière et d'autres
08:46 encore.
08:47 La mécanique quantique, ça a été la capacité qu'ont eu les physiciens à construire des
08:50 théories pour comprendre l'infiniment petit.
08:53 Jusque là, la physique était souvent la physique de ce qu'on voit, ce qu'on ressent,
08:57 ce qu'on entend.
08:58 Et donc on arrive à faire, en gros, développer des explications des phénomènes grossièrement
09:03 que l'on observe.
09:04 Et là, l'idée c'était vraiment d'aller plus loin, c'est d'arriver à me dire
09:07 "eh bien, ce monde là, je n'y ai pas accès et je n'ai aucune intuition dessus.
09:11 Comment je vais réussir à écrire ces lois ?" Et la mécanique quantique, c'est
09:15 ça.
09:16 C'était la capacité qu'ont eu les physiciens à extirper des lois physiques dans un monde
09:21 auquel on a strictement aucune intuition.
09:23 Au fil du XXe siècle, les physiciens ont su améliorer sa théorie et la pousser à
09:27 son maximum.
09:28 Elle nous a permis de réaliser des merveilles, qu'on pourra expliquer plus tard.
09:32 C'est en établissant toutes ces nouvelles lois qu'on a compris que le monde quantique
09:35 représentait un monde bien différent du nôtre.
09:37 Plus on zoom dans le monde du très petit, et plus tout devient étrange.
09:41 Beaucoup trop étrange même.
09:43 Les particules ne vont pas se comporter de la manière dont on s'y attend.
09:45 C'est par exemple le cas avec le neutrino.
09:48 Pour avoir un exemple beaucoup plus concret, il y a une particule qu'on appelle le neutrino.
09:51 Et le neutrino, en fait, il y en a trois.
09:55 Enfin, il y a en gros trois neutrinos différents.
09:58 Et lorsqu'on a, lorsque le soleil crée des neutrinos, en fait il va créer des neutrinos
10:03 qui vont être dans la superposition de ces trois êtres différents.
10:06 Et au moment où on va le mesurer, quelquefois on va dire "tiens, c'est un neutrino électronique".
10:11 Ah non, tiens, c'est un neutrino caoïque.
10:14 Donc il peut y avoir des oscillations, comme ceci, où la caractéristique de cette particule
10:19 élémentaire va varier.
10:20 Ça c'est typique, enfin c'est un exemple très très caractéristique de ce qu'on
10:23 appelle la superposition d'états.
10:24 Ces lois sont contre-intuitives.
10:26 C'est pour cette raison qu'elles nous paraissent surprenantes.
10:29 Mais si nous vivions tous les jours dans le cadre de ces lois-là, elles nous paraîtraient
10:32 pas si surprenantes que ça.
10:34 En mécanique antique, une particule peut être à la fois une onde et une particule ponctuelle.
10:38 C'est le principe de dualité d'onde corpuscule.
10:40 Prenons la lumière par exemple.
10:43 La lumière peut être à la fois une particule simple, donc un photon, mais c'est aussi
10:47 une onde.
10:48 Ce n'est pas l'un ou l'autre, c'est les deux en même temps.
10:51 Et cette idée-là est bien réelle, puisqu'elle a été confirmée par des expériences.
10:54 En mécanique antique, déjà on ne peut pas connaître au même temps, avec grande précision,
11:00 la position et la vitesse d'une particule.
11:03 Si on connaît très très bien la position d'une particule, on connaîtra mal sa vitesse
11:08 et vice-versa.
11:09 Ensuite, on ne peut pas vraiment prédire sa position dans le futur ou sa vitesse dans
11:15 le futur, mais on peut prédire très très bien, par contre, la probabilité que cette
11:22 particule ait une certaine position ou une certaine vitesse dans le futur.
11:26 On n'a pas l'intuition de ce qui se passe dans le monde quantique, en tout cas le commun
11:30 déjà n'a pas cette intuition-là, parce que l'intuition c'est précisément le vécu,
11:35 c'est précisément l'expérience qu'on a pu passer à observer un phénomène et au
11:38 bout d'un moment on acquiert l'intuition que les choses vont se passer à peu près
11:42 de la même façon dans des conditions similaires.
11:44 En mécanique quantique, on n'a pas cette idée-là et donc on a développé ces lois
11:48 qui ont effectivement abouti à des prédictions qu'on pourrait qualifier d'étranges, surprenantes,
11:54 mais en tout cas clairement fascinantes.
11:55 Tout est quantique dans un certain sens.
11:58 Même les objets macroscopiques satisfont les lois de la mécanique quantique.
12:04 Par exemple, si on prend une balle de tennis, on sait que sa position et sa vitesse ne peuvent
12:10 pas être calculées avec la même précision à la fois, donc ça dissuade le principe
12:15 d'incertitude d'Heisenberg.
12:16 Mais l'incertitude sur la balle de tennis est si petite que pour la balle de tennis
12:24 ça n'a aucun sens, ça ne va pas changer un match durant un grand match.
12:30 Disons que l'indétermination, l'incertitude sur sa position par exemple, est beaucoup
12:35 plus petite que la taille de la balle de tennis.
12:37 Donc quand on s'intéresse au monde macroscopique, elle n'est pas vraiment importante pour
12:45 le mouvement macroscopique.
12:46 La mécanique quantique nous permet de décrire trois des quatre forces dans l'univers.
12:50 Il y a la théorie la plus commune, c'est l'électromagnétisme.
12:54 Cette chaise est une ensemble par des forces électromagnétiques.
12:59 Cette force, c'est celle qui est responsable des interactions entre les particules chargées
13:04 électriquement.
13:05 Elle peut être attractive ou répulsive selon la charge des particules, et elle a en théorie
13:09 une portée infinie.
13:10 C'est grâce à elle que l'électricité existe et qu'une ampoule peut rayonner.
13:14 Les lois de l'électromagnétisme formulées par Maxwell au 19e siècle unifient les phénomènes
13:20 électriques et magnétiques.
13:21 On s'est en fait rendu compte à cette époque que ces deux mécanismes étaient gouvernés
13:24 par une seule et même force.
13:26 Il y a des forces qu'on appelle nucléaires, il y a la force nucléaire forte qui explique
13:30 pourquoi les éléments d'un noyau, qui sont les neutrons et les protons, ont tellement
13:35 ensemble.
13:36 On s'attendrait que les protons auraient tendance à se repousser parce qu'ils ont
13:40 la même charge positive.
13:42 Cette force est la plus puissante de toutes les autres forces.
13:44 Elle surpasse de très loin la gravitation qui est toute dernière dans le classement
13:48 de puissance des forces.
13:49 Et elle est 100 fois plus puissante que l'électromagnétisme.
13:51 Par contre, alors que la force de gravitation a une portée extrêmement longue, celle-ci
13:56 a une portée très courte.
13:57 Elle n'est de l'ordre que 1 millionième de milliardième de mètre.
14:01 Mais aussi elle explique pourquoi les particules élémentaires qui forment les neutrons et
14:06 les protons, qui sont appelés quarks, sont ensemble.
14:11 On l'a découvert dans les années 1930 par le physicien japonais Yukawa, qui a proposé
14:16 l'existence d'une particule porteuse de force appelée le gluon.
14:19 Et c'est donc cette particule qui est le gluon qui est responsable de l'interaction
14:23 entre les particules dans le cadre de cette force.
14:25 Quand on prend des noyaux d'éléments d'atomes lourds comme l'uranium et le plutonium
14:32 et on les brise, on libère aussi beaucoup d'énergie.
14:35 C'est ce qui se passe dans une centrale nucléaire et c'est ce qui s'est passé
14:39 de façon plus dramatique à Hiroshima et Nagasaki par exemple.
14:43 Ensuite il y a la force nucléaire faible.
14:47 C'est une force un peu moins connue, c'est la responsable de certaines désintégrations
14:53 nucléaires par exemple un neutron qui se désintègre dans un proton.
14:58 Si un neutron peut se désintégrer dans un proton, c'est grâce à cette force qu'il
15:01 va permettre à un quark de changer de type.
15:04 Cette force a été théorisée dans les années 1930 par Enrico Fermi.
15:07 Et finalement la quatrième force, c'est la force la plus faible, au moins elle est
15:12 très importante, c'est la force gravitationnelle qui explique pourquoi les corps massifs s'attirent.
15:18 Cette force est la première à avoir été découverte.
15:21 Et c'est celle qu'on décrit grâce à la relativité générale.
15:24 Contrairement aux autres forces, elle n'a pas de médiateur.
15:26 Il n'existe pas de particules à notre connaissance responsables de cette force.
15:31 Et s'il devait en exister une, on l'appellerait le graviton.
15:35 Au tout début de l'univers, lors de la période qui a suivi immédiatement le Big
15:39 Bang, les 4 forces fondamentales étaient initialement unifiées en une seule force.
15:43 Ce stade est souvent appelé l'ère de la grande unification.
15:46 A ce moment là, les conditions extrêmement chaudes et denses de l'univers primordial
15:50 ont permis à ces forces d'interagir de manière à ne former qu'une seule force,
15:54 qu'on appelle la superforce.
15:55 Cette superforce n'a pu exister que dans un univers hyper dense, de 10 puissance -33
16:00 mètres, où l'univers n'avait donc que la taille de Planck, la plus petite taille
16:05 possible.
16:06 Cette température ayant permis l'existence d'une superforce était d'environ 1000
16:09 milliards de degrés Celsius.
16:11 A ce stade, la température de l'univers était si élevée que les effets quantiques
16:15 dominaient.
16:16 Les 4 forces étaient donc unifiées sous une forme, et au fur et à mesure que l'univers
16:20 s'est refroidi et dilaté, une série de transitions de phases s'est produite, séparant
16:24 progressivement les forces fondamentales et permettant leur séparation.
16:27 Ce processus de séparation des forces est souvent décrit comme une succession de brisures
16:31 de symétrie.
16:32 Cette brisure de symétrie a conduit à une réorganisation des interactions entre les
16:36 particules et a finalement donné naissance aux 4 forces distinctes que nous connaissons
16:41 aujourd'hui.
16:42 La première brisure de symétrie est survenue à des énergies extrêmement élevées,
16:46 quelques fractions de secondes après le Big Bang.
16:49 Ça aurait conduit à la séparation de la force gravitationnelle des 3 autres forces
16:52 fondamentales, regroupées en la force électronucléaire.
16:56 Ensuite, une autre période connue sous le nom de brisure de symétrie électrofaible
17:01 est survenue à environ 10 puissance -36 secondes après le Big Bang.
17:04 C'est le moment où la force forte s'est découplée de la force électrofaible, et
17:08 à ce moment-là, il existe donc 3 forces dans l'univers.
17:11 A 10 puissance -12 secondes après le Big Bang, l'univers était suffisamment froid
17:16 pour que les forces électromagnétiques et faibles se manifestent individuellement, établissant
17:20 ainsi la configuration actuelle des 4 forces fondamentales telles que nous les connaissons
17:24 aujourd'hui.
17:25 De nos jours, nous souhaitons savoir comment ces 4 forces auraient pu être liées au
17:28 tout début.
17:29 Et à chaque fois, les physiciens ont tenté d'unifier toutes les forces entre elles.
17:33 On veut toujours en fait tenter d'unifier le plus de choses entre eux pour avoir quelque
17:36 chose de cohérent et qui nous permette d'avancer dans la physique.
17:39 Et ce sera la fameuse théorie qui nous permettra peut-être de tout unifier.
17:43 Et bon, pour comprendre comment ces 3 forces fondamentales sont unifiées en mécanique
17:46 quantique, il faut revenir un peu dans le passé, au moment où on a découvert la force
17:50 de gravitation.
17:51 Si on regarde l'histoire de la physique, on voit qu'on a constamment vérifié possibilités
17:56 d'unifier différents phénomènes sous un cadre plus général et disons aussi plus
18:03 profond et unificateur.
18:05 Avant le 17ème siècle, on pensait que les lois physiques qui décrivent la chute d'une
18:12 pomme et d'un arbre étaient très différentes des lois physiques qui décrivent les mouvements
18:17 de la Lune autour de la Terre par exemple.
18:20 Or finalement, on s'est rendu compte que c'était la même chose et on a trouvé la
18:23 force de gravitation.
18:24 Un autre exemple très classique, c'est l'unification des phénomènes électriques et magnétiques.
18:30 Par exemple, l'électricité, la foudre, un phénomène que l'on connaît tous.
18:35 On pourrait penser que c'est un phénomène différent que le magnétisme, par exemple
18:40 l'orientation des guidons d'un compas dans les champs magnétiques de la Terre.
18:45 Mais en fait déjà au 18ème siècle, les marins avaient vu que pendant une tempête,
18:50 les guidons d'un compas étaient perturbés par les foudres.
18:54 Et en fait au cours du 19ème siècle, on a réalisé que finalement les phénomènes
18:59 électriques et magnétiques pouvaient être mis sur le même cadre qui s'appelle l'électromagnétisme.
19:04 Pour trouver la force électromagnétique, on a donc dû unifier électricité et magnétisme.
19:09 Mais on peut aller encore plus loin.
19:11 Dans les années 1960, on a réussi à unifier l'interaction faible avec l'électromagnétisme
19:17 pour donner la force électrofaible.
19:19 L'unification des forces fondamentales d'un point de vue théorique repose sur des efforts
19:23 considérables de la part des physiciens pour développer des modèles mathématiques et
19:27 des théories physiques cohérentes.
19:28 C'est donc le cas de la théorie électrofaible.
19:30 Elle s'appuie sur des principes de symétrie pour expliquer les interactions électromagnétiques
19:36 et faibles.
19:37 En fait, à forte température, ces deux forces semblaient agir de la même manière, dans
19:40 le cadre d'une seule force.
19:42 Et par la suite, on a pu lier cette force à une autre et ça a donné la grande unification.
19:46 Mais la mécanique quantique seule ne nous a pas permis de faire tout ça.
19:50 Il a fallu améliorer cette théorie.
19:52 Au fil du temps, on s'est retrouvé limité avec la mécanique quantique.
19:54 Cette théorie ne permettait plus d'expliquer certains phénomènes, donc on l'a comme
19:58 amélioré avec la théorie quantique des champs.
20:01 En gros, cette théorie a unifié entre guillemets deux théories qui existaient déjà, la relativité
20:05 restreinte et la mécanique quantique.
20:07 Et attention là, on parle bien de relativité restreinte et pas de relativité générale.
20:11 C'est Einstein qui l'a formulé en 1905 et il vise à unifier l'espace et le temps
20:16 pour donner l'espace-temps et expliquer les phénomènes relativistes.
20:19 C'est à dire que si tu te déplaces à un pourcentage élevé de la vitesse de la lumière
20:22 par exemple, ton temps et ton espace seront dilatés.
20:26 C'est exactement ça que va prédire la relativité restreinte.
20:29 Finalement on va avoir la théorie quantique des champs et les interactions entre les
20:32 particules vont être décrites comme des excitations du champ quantique.
20:37 La théorie quantique des champs a joué un rôle crucial dans l'unification des trois
20:40 forces fondamentales, électromagnétisme, faible et forte.
20:45 En fournissant un cadre théorique cohérent pour décrire les interactions entre les
20:48 particules à des énergies très élevées, on a pu par la suite décrire ce qu'on appelle
20:52 le modèle standard.
20:53 Oui alors le modèle standard est le cadre théorique développé entre les années 50
21:01 et 70 pour expliquer dans le cadre de la mécanique quantique les trois forces, donc la force
21:07 électromagnétique, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible, pour marier
21:12 ces forces avec la mécanique quantique.
21:15 En fait le cadre vraiment de base, qui est à la base du modèle standard s'appelle
21:22 la théorie quantique des champs.
21:23 La théorie quantique des champs, c'est une extension de la mécanique quantique grâce
21:27 à la théorie de la relativité restreinte, et elle nous a permis de faire des développements
21:30 très intéressants.
21:31 Déjà, on a l'idée de champ.
21:33 Alors un champ c'est quand on attribue un nombre, un certain valeur, par exemple ça
21:39 pourrait être la température ou une force, à toute position dans l'espace et dans
21:46 les temps.
21:47 Un champ quantique est un concept fondamental en physique théorique.
21:50 Il permet de décrire la nature quantique des particules élémentaires et leur interaction.
21:54 Il s'agit avant tout d'un objet mathématique qu'on appelle un champ, et il attribue une
21:58 valeur à chaque point de l'espace et du temps.
22:01 La théorie quantique des champs a pu répondre à une question essentielle.
22:04 Pourquoi l'électron contenu dans ma main a exactement les mêmes propriétés quantiques
22:08 de masse, spin, de charge électrique qu'un autre électron contenu dans une étoile a
22:13 des milliards d'années de lumière d'ici ? Et grâce à l'introduction de champs
22:16 quantiques, la théorie quantique des champs décrit les particules élémentaires en tant
22:20 qu'excitation des champs quantiques.
22:22 En théorie quantique des champs, l'élément fondamental c'est les champs, les particules
22:27 c'est des excitations de ces champs.
22:29 Par exemple, les photons sont des particules de lumière, mais ce sont des excitations
22:35 d'un champ électromagnétique.
22:38 Comme ces champs quantiques baignent l'intégralité de l'espace, alors il est normal qu'une
22:43 perturbation puisse donner une même particule, et ce, indépendamment de l'endroit où
22:47 on se trouve.
22:48 Cette théorie va donc nous permettre de comprendre l'interaction électromagnétique quantifiée.
22:52 Bon, ce principe est un peu complexe, mais il faut juste comprendre qu'on a trouvé
22:55 des similitudes entre ces deux forces pour nous permettre de les lier quand elles sont
23:00 à haute énergie.
23:01 Les théories de la grande unification représentent une tentative importante de réaliser une
23:05 unification complète des forces fondamentales.
23:08 Ces théories visaient unifier les forces électromagnétiques faibles et fortes en
23:11 une seule force, à des énergies encore plus élevées.
23:14 En fait, dans cette théorie, on a des outils en plus qui nous permettent en quelque sorte
23:19 de trouver ces similitudes-là entre les forces.
23:21 Et donc c'est ce qu'on va faire à nouveau dans le cadre de la grande unification pour
23:24 lier la force électro-faible avec la force forte.
23:27 La théorie quantique des champs a été la base de ce qu'on appelle donc le modèle
23:29 standard.
23:30 Le modèle standard c'est un peu comme le manuel qui décrit le comportement des particules
23:34 subatomiques.
23:35 Elle nous dit comment elles interagissent, leur masse, etc.
23:37 Et c'est ce modèle standard qui a démontré comment 3 des 4 forces pouvaient être liées,
23:42 au sein d'une seule et même équation.
23:43 Et enfin, on arrive à la grande unification.
23:45 Cette théorie quantique des champs nous fournit une description des 3 forces fondamentales
23:49 de l'univers.
23:50 Electromagnétisme, faible et forte.
23:52 Et par la suite, on a fait comme un classement de toutes les particules de matière et d'énergie
23:56 qui existaient dans notre univers.
23:58 Ça donnait le modèle standard de la physique des particules.
24:01 A partir de là, tout était quantifié.
24:03 On savait que telle particule avait telle masse ou telle spin.
24:06 A partir de là, on a unifié toutes les forces entre elles, et ça a donné la grande unification.
24:10 Mais on a crié victoire trop vite.
24:12 Il nous manque quelque chose, et pas des moindres.
24:15 C'est la force la plus importante, la force de gravitation.
24:18 Celle qu'on a découverte en tout premier.
24:19 Alors que toutes les forces sont décrites par des médiateurs, donc par exemple l'électromagnétisme
24:23 est décrite avec l'échange de photons, et bien c'est pas le cas pour la gravitation.
24:28 On décrit cette force à grande échelle comme une courbure de l'espace-temps, et rien
24:31 d'autre.
24:32 Sauf que quand on plonge dans un trou noir par exemple, on arrive à un moment où tout
24:35 se rétrécit et devient infini.
24:37 On parle là de singularité.
24:38 Dans cette région, la relativité générale rencontre le monde de la mécanique quantique,
24:43 et c'est là que tout se chamboule.
24:44 On sait pas en fait décrire la force de gravitation dans le monde de l'infiniment petit.
24:48 On sait pas faire.
24:49 Et c'est là qu'on trouve tout le problème.
24:50 On sait appliquer les lois de la mécanique quantique à la relativité générale, mais
24:54 ça donne des résultats qui sont pas prédictifs, dans un certain sens.
24:58 Et pour comprendre en fait pourquoi c'est si difficile d'aller concilier, peut-être
25:01 que je peux donner deux arguments.
25:02 Un argument de nature très théorique, et puis un autre un peu plus avec les mains.
25:05 Celui de nature théorique me dit que, voilà, la quantification, on la connaît très bien
25:11 quand on veut l'appliquer aux particules élémentaires.
25:13 Une particule, elle vit, elle se développe, elle évolue dans un espace-temps.
25:17 Et donc on a besoin d'un espace-temps pour quantifier la particule.
25:20 La gravitation quantique, ça veut dire que même cet espace-temps, il doit être quantifié.
25:24 C'est-à-dire que cet espace-temps, il n'existe plus en tant que tel dans l'absolu.
25:26 C'est un objet qui devient quantique, qui deviendrait quantique.
25:29 C'est-à-dire qu'il est un peu flou, ça veut dire qu'il est sujet aux relations d'incertitude
25:33 d'Eisenberg.
25:34 Ça veut dire qu'il y a une superposition d'espaces-temps.
25:36 Il n'y en a pas qu'un seul, il peut y en avoir plusieurs à la fois.
25:38 Donc en fait, si on commence à se poser la question de ce que c'est que la gravité
25:42 quantique, tout de suite on commence à avoir le vertige parce que, voilà, l'espace dans
25:45 lequel on vit, qu'est-ce qu'il devient ? Ces notions de superposition d'états, qu'est-ce
25:51 que ça signifie ? Et donc ça, ça donne un petit peu l'idée de la difficulté qu'on
25:54 peut rencontrer en fait en voulant quantifier les deux, sans parler des difficultés techniques.
25:59 Autrement dit, si on veut concilier mécanique quantique et relativité générale, il faudrait
26:03 admettre que le monde que nous voyons à notre échelle soit régi par les lois de la mécanique
26:07 quantique.
26:08 Sauf qu'on perd ces lois, qui sont valables dans le monde du très petit, lorsqu'on agrandit
26:11 notre échelle.
26:12 Si on dit que la Lune se trouve ici, à cet instant T, eh bien on sait que ce sera le
26:17 cas.
26:18 On ne calculera pas de probabilité comme on l'aurait fait dans le cadre de la mécanique
26:21 quantique.
26:22 Également, plus on se rend dans le monde de l'infiniment petit, moins la force gravitationnelle
26:25 devient flagrante.
26:26 Les masses deviennent ridicules, et les atomes ne s'agirent pas entre eux grâce à la force
26:30 de gravité.
26:31 Dans ce monde, ce sont les trois autres forces de l'univers qui prennent le dessus.
26:34 Et parce que nous n'avons pas de traces de la gravitation en mécanique quantique,
26:37 nous ne savons pas comment la décrire dans le cadre de cette théorie.
26:40 On a pourtant tenté, notamment en supposant l'existence du graviton.
26:44 On peut aussi développer la relativité générale, donc la théorie d'Einstein, dans le cadre
26:51 de la théorie quantique des champs.
26:54 Il faut assumer à la base qu'il y a une particule, ou un champ, qui s'appelle le
26:59 graviton, qui ne couple pas comme les photons à des charges, mais qu'il couple à toute
27:06 forme d'énergie.
27:07 Il faudrait pouvoir expliquer la force gravitationnelle et les trois autres forces au sein d'une
27:11 seule et même théorie.
27:12 La gravité quantique, c'est observer des objets massifs à des échelles très petites.
27:17 C'est ça, je vous dis, c'est la rencontre de l'infiniment grand et de l'infiniment
27:20 petit.
27:21 Je prends des objets très lourds et j'essaie de les comprimer dans un espace très petit.
27:25 J'essaie de sonder l'espace à ces échelles qui sont très petites, dans lesquelles les
27:30 lois de la physique quantique et les lois de la gravitation jouent un rôle équivalent.
27:36 Et qu'est-ce qui se passe quand je prends un objet massif dans un monde très petit ?
27:40 Il va se créer un trou noir, parce que j'ai une très forte densité.
27:43 Tout de suite, si j'essaie de sonder la gravité quantique, je vais créer des horizons, je
27:47 vais créer un trou noir.
27:48 Et ce trou noir-là va m'empêcher finalement de regarder ce qui se passe à l'échelle
27:52 quantique.
27:53 Quand on veut concentrer dans un volume très petit beaucoup d'énergie, en relativité
27:58 générale, qu'est-ce qui se passe ? C'est qu'on va former un trou noir.
28:02 Quand on décrit, quand on essaie d'extrapoler la théorie quantique des champs appliquée
28:07 à la gravitation, on se retrouve avec des infinis.
28:11 C'est dans les trous noirs que la relativité générale et la mécanique quantique se rencontrent.
28:15 Il est impossible pour nous, du moins pour l'instant, de les comprendre, puisque ces
28:18 deux théories ne peuvent pas être expliquées en même temps.
28:21 Et la singularité centrale des trous noirs fournit une passerelle entre les deux théories.
28:25 Si on commence à mélanger les deux, on va rencontrer des difficultés conceptuelles
28:32 et techniques qui vont être assez difficiles à surmonter.
28:36 C'est pour ça que c'est complexe.
28:38 Si je veux comprendre la gravité quantique, il faut que fondamentalement je comprenne les
28:41 trous noirs.
28:42 Si beaucoup de physiciens de la gravité quantique s'intéressent aux trous noirs, c'est pour
28:46 cette raison-là.
28:47 On pense que le trou noir va nous dire énormément de choses sur ce que doit être une théorie
28:50 de la gravité quantique.
28:51 Parce qu'il a une singularité, et on s'attend à ce qu'une théorie de la gravité quantique
28:57 résolve la singularité.
28:58 Et parce qu'il a une thermodynamique extrêmement curieuse.
29:01 Il s'évapore.
29:02 Il a des propriétés, de ce point de vue, qui sont assez folles.
29:08 Et on aimerait arriver à ce que la théorie de la gravité quantique nous dise quelque
29:12 chose sur cette thermodynamique.
29:13 Autrement dit, trouvez une théorie du tout, et vous comprendrez les singularités.
29:17 Puisqu'à l'heure actuelle, ce qui se cache dans les trous noirs reste secret.
29:20 La relativité générale dans laquelle les trous noirs sont décrits explique qu'au
29:24 centre même des trous noirs se cache une singularité.
29:26 Un point de densité infinie, où la physique s'effondre, et où les mathématiques nous
29:30 donnent des résultats infinis.
29:31 La singularité, c'est donc ça le problème.
29:33 Enfin, c'est ça du moins, qui nous fait rendre compte des problèmes qu'on a, et
29:37 des limites.
29:38 Sauf qu'il existe une autre singularité, et pas n'importe laquelle.
29:41 C'est la première à être apparue.
29:43 La singularité initiale.
29:45 C'est celle-là qui aurait en fait donné naissance à notre univers, avec le Big Bang.
29:48 En fait, quand on remonte le temps dans notre univers, on s'en rend compte que tout notre
29:52 univers était condensé en un seul point, au tout début.
29:55 A tel point qu'on arrive à un espace, à une géométrie, et à un temps extrêmement
29:59 petit.
30:00 On est là donc 10 puissance - 30 secondes, après le Big Bang.
30:03 Donc c'est une fraction de nanosecondes après l'instant zéro.
30:06 Et avant ce temps-là, on sait pas ce qu'il y a, puisqu'on arrive au moment de la singularité
30:10 initiale.
30:11 Et la logique voudrait que l'énergie dans notre univers soit au plus haut pendant cette
30:15 période-là.
30:16 Ce sera en fait le plus haut niveau d'énergie que notre univers n'ait jamais connu.
30:19 C'est pour ça en fait que le Big Bang, c'est l'événement le plus puissant de
30:23 l'univers.
30:24 Avec cette chaleur extrême, cette énergie folle, et cette densité maximale, toutes les
30:27 forces de notre univers auraient dû être ensemble.
30:30 Il devrait exister en fait en cet instant-là, une seule et unique force.
30:34 Mais ça évidemment c'est hypothétique, et on sait pas si ça a vraiment été le
30:38 cas.
30:39 Mais c'est ce qu'on aimerait savoir.
30:40 Si un jour on réussit à trouver ça, et à le comprendre, et bien peut-être qu'on
30:43 aura trouvé cette fameuse théorie du tout.
30:45 Donc quand on remonte, quand on considère les conditions de l'univers, quand on s'approche
30:51 du Big Bang, donc quand l'univers était extrêmement chaud, a priori on connaît
30:56 très très bien les lois de la nature, jusqu'aux énergies qu'on a testées avec les accélérateurs
31:04 des particules.
31:05 Après on peut essayer de formuler des modèles qui expliquent ce qui s'est passé auparavant.
31:13 On peut introduire de nouvelles théories.
31:15 Quand on remonte le temps, on arrive au moment de la formation des premières galaxies, puis
31:20 des premières étoiles, puis des premiers atomes, et enfin, on remonte l'inflation
31:24 cosmique, et on arrive à l'endroit où l'univers était extrêmement chaud.
31:27 Plus on remonte le temps, et plus l'univers est dense.
31:30 Mais il n'est pas assez chaud, puisqu'il faut encore remonter d'une fraction de nanosecondes
31:33 encore.
31:34 Les 4 forces fondamentales sont toutes séparées.
31:37 Plus on remonte, plus la chaleur remonte.
31:39 Et enfin, la force électromagnétique se lie à la force faible.
31:42 On remonte encore, et la force électrofaible se lie à la force forte.
31:45 En ce point, le plus petit possible, on arrive à la singularité initiale.
31:49 La toute première singularité de l'univers.
31:51 Et c'est à ce moment là que la force gravitationnelle joue deux paires avec les autres forces.
31:55 Il n'existe qu'une seule et unique force à ce moment là de l'univers.
31:59 Tout l'univers tient sur une seule et même caution.
32:01 Et tout ça parce qu'il est dense et qu'il est chaud.
32:04 Mais on parle de conditions extrêmes, des conditions inimaginables pour nous.
32:08 Les atomes n'existent même pas encore, enfin même, les particules n'existent pas.
32:12 La matière ne s'est même pas encore formée.
32:13 Il n'y a qu'une seule force primaire, une force primordiale.
32:16 La super-force.
32:17 Ça remonte de plus en plus dans les passés, les énergies dans l'univers en montent.
32:22 Donc on peut penser qu'en effet la théorie qui décrit les premiers instants de l'univers
32:28 est une théorie qui unifie les autres.
32:32 Mais pour l'instant c'est spéculatif, c'est-à-dire il y a beaucoup de modèles différents,
32:36 mais aucun modèle a été vraiment testé ou prouvé.
32:40 Si ces forces sont liées, c'est parce qu'elles ont ce qu'on appelle des constantes de couplage.
32:45 La constante de couplage va donc définir entre guillemets si une force est faible ou forte.
32:50 Chaque force est caractérisée par une constante de couplage, c'est un nombre.
32:55 Si ce nombre est inférieur à 1, comme par exemple dans la force électromagnétique
33:00 et dans la force nucléaire faible, la force est faible.
33:05 Alors que quand la constante de couplage est supérieure à 1, cette force est forte.
33:11 Donc par exemple, quand on essaye de séparer un électron et un proton, c'est possible,
33:18 mais c'est possible en disant que plus on les sépare, plus la force entre les deux devient faible.
33:26 Alors que si on essaye de séparer le quark, c'est impossible à basse énergie.
33:30 Parce que la force devient de plus en plus grande quand on essaye de les séparer.
33:36 Mais cette constante peut varier, et elle varie selon l'énergie à laquelle on la mesure.
33:40 Plus l'énergie monte, et plus elle devient semblable à celle qu'on a connue au début de l'univers.
33:44 Et en général, on voit que quand on va à des hautes énergies,
33:48 la constante de couplage de la théorie électromagnétique et faible devient grande,
33:55 alors que quand on va à des hautes énergies,
33:58 la constante de couplage de la théorie nucléaire forte devient plus petite.
34:03 C'est pour ça que par exemple, on peut séparer des quarks quand on va à des très hautes énergies.
34:08 Quand on va à des très hautes énergies, les quarks sont même libres.
34:12 Donc elles ne forment plus des protons et des neutrons.
34:14 Ainsi, les constantes de couplage des quatre forces ont tendance à se rapprocher.
34:17 Cette théorie qui unifierait toutes les forces, on l'appellerait la théorie du tout.
34:21 Et dans cette même théorie, on décrirait l'électromagnétisme,
34:24 la force nucléaire forte, la force nucléaire faible, et la force gravitationnelle.
34:29 Étant donné que les trois premières forces sont décrites par la mécanique antique,
34:32 et que la dernière ne l'est que par la relativité générale,
34:34 si on trouve cette théorie qui les unifie toutes,
34:37 alors on aura, par logique, trouvé la théorie qui unifie les deux théories fondamentales.
34:42 On y décrirait peut-être l'espace-temps, mais d'une manière particulière,
34:45 qui permettrait d'également y décrire toutes les autres forces.
34:47 C'est ça, la fameuse théorie du tout.
34:49 On ne sait pas si elle existe, pourtant on a quand même des candidats à cette théorie.
34:53 Une des théories qui permet de résoudre les infinis
34:57 qu'on a décrit quand on essaie de quantifier la relativité générale est la théorie des cordes.
35:03 C'est une théorie très riche mathématiquement, mais aussi extrêmement complexe.
35:08 Pour l'instant, ça reste encore une théorie spéculative,
35:11 dans le sens qu'on n'a pas prouvé que c'est ça qui nous permet de compléter la relativité générale
35:18 pour avoir une théorie du tout.
35:19 Une autre théorie qui pourrait être candidate,
35:21 c'est la fameuse théorie de la gravitation quantique à boucle.
35:24 En vrai, rien de sûr, mais pour en savoir plus,
35:26 je vais sortir un documentaire à ce sujet-là dans un mois tout au plus.
35:30 Et n'oubliez pas que le documentaire le plus important de ma chaîne
35:32 pour vous remercier des 100 000 abonnés sortira dans deux semaines.
35:35 Notez donc le samedi 30 mars à 11h.
35:38 En attendant, nous voilà sur Terre.
35:40 Toujours à essayer de comprendre notre univers.
35:42 Est-ce que finalement, on réussira un jour ?
35:44 Bien ça, j'aimerais bien avoir votre avis dessus.
35:46 Si vous voulez en apprendre plus sur les tons noirs, je vous laissez voir cette vidéo-là,
35:49 qui est en collaboration avec l'Agence Spatiale Européenne.
35:51 On se retrouve donc dans deux semaines avec le documentaire en lien avec les 100 000 abonnés.
35:55 Merci à vous d'avoir suivi cette vidéo.
35:56 Merci à la médiathèque de Valenciennes de m'avoir accueilli dans leur magnifique décor.
36:00 Le lien de leur site est en description.
36:02 C'était Zopoulos. Bye.
36:04 [Musique]
36:08 [Sous-titres réalisés para la communauté d'Amara.org]