Où va la physique (et jusqu’où allons-nous) ?

L’avenir appartient à ceux qui s’y préparent, comme le savent bien les scientifiques qui demandent aux agences fédérales comme la NASA et le ministère de l’Énergie de financer la recherche. Des instruments coûteux tels qu’un télescope spatial ou un accélérateur de particules peuvent coûter jusqu’à 10 milliards de dollars.

Et donc en juin dernier, la communauté des physiciens a commencé à réfléchir à ce qu’ils voulaient faire ensuite, et pourquoi.

Il s’agit de l’autorisation d’un comité nommé par l’Académie nationale des sciences, appelé Physique des particules élémentaires : avancées et promesses. La chaire est coprésidée par deux éminentes scientifiques : Maria Spiropolo, professeure de physique Shang Yi Chen à Caltech, et le cosmologiste Michael Turner, professeur émérite à l’Université de Chicago et ancien directeur adjoint pour la science nationale. Fondateur et ancien président de l’American Physical Society.

Dans les années 1980, le Dr Turner faisait partie des scientifiques qui ont commencé à utiliser les outils de la physique des particules pour étudier le Big Bang et l’évolution de l’univers, et à utiliser l’univers pour en apprendre davantage sur la physique des particules. Le Dr Spiropoulou, né en Grèce, faisait partie en 2012 de l’équipe qui a découvert le boson de Higgs tant attendu à l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, mieux connue sous le nom de CERN ; elle est maintenant Il utilise des ordinateurs quantiques pour étudier les propriétés des trous de ver. Le rapport du comité est attendu en juin 2024.

Le Times a récemment rencontré les deux universitaires pour discuter des progrès du groupe, des frustrations des 20 dernières années et des défis à venir. La conversation a été modifiée pour plus de clarté et de concision.

Pourquoi ce comité est-il convoqué maintenant?

Tourneur: J’ai l’impression que les choses n’ont jamais été aussi passionnantes en physique des particules, en termes d’opportunités de comprendre l’espace et le temps, la matière et l’énergie, et les particules fondamentales – si elles sont même des particules. Si vous demandez à un physicien des particules où va le champ, vous obtiendrez de nombreuses réponses différentes.

Mais quelle est la grande vision? Qu’y a-t-il d’excitant dans ce domaine ? J’étais très enthousiasmé en 1980 par l’idée de la grande unification, et cela semble maintenant petit par rapport aux possibilités futures.

Vous faites référence aux grandes théories unifiées, ou GUT, qui étaient considérées comme un moyen de réaliser le rêve d’Einstein d’une équation unique englobant toutes les forces de la nature. Où en sommes-nous dans le monothéisme ?

Tourneur: Pour autant que nous sachions, les éléments de base de la matière sont les quarks et les leptons. Les règles qui le régissent sont décrites dans une théorie quantique des champs appelée modèle standard. En plus des blocs de construction, il existe des porteurs de force – le photon, de la force électromagnétique ; huit gluons, de forte force de couleur ; Les bosons W et Z de la force nucléaire faible et le boson de Higgs, qui explique pourquoi certaines particules ont une masse. La découverte du boson de Higgs a complété le modèle standard.

Mais la recherche de règles de base est loin d’être terminée. Pourquoi deux types de blocs de construction différents ? Pourquoi tant de particules « élémentaires » ? Pourquoi quatre pouvoirs ? Comment la matière noire, l’énergie noire, la gravité et l’espace-temps s’imbriquent-ils ? La réponse à ces questions est le travail de la physique des particules élémentaires.

spiropolo: La courbe est que nous ne comprenons pas la masse de Higgs, qui est d’environ 125 fois la masse d’un atome d’hydrogène.

Lorsque nous avons découvert le Higgs, la première chose à laquelle nous nous attendions était de trouver ces particules supersymétriques, car la masse que nous avons mesurée serait instable sans elles, mais nous ne les avons pas encore trouvées. (Si le champ de Higgs s’effondrait, nous pourrions éclater dans un monde différent – bien sûr, cela ne s’est pas encore produit.)

C’était un peu écrasant; Depuis 20 ans, je chasse les particules supersymétriques. Nous sommes donc comme des cerfs dans les phares : nous n’avons pas trouvé de supersymétrie, nous n’avons pas trouvé de matière noire sous forme de particule.

Tourneur: unir nos forces n’est qu’une partie de ce qui se passe. Mais c’est ennuyeux comparé aux grandes questions d’espace et de temps. La discussion sur ce que sont l’espace et le temps et d’où ils viennent relève désormais du domaine de la physique des particules.

Du point de vue de la cosmologie, le Big Bang est à l’origine de l’espace et du temps, du moins du point de vue de la relativité générale d’Einstein. Ainsi, l’origine de l’univers, l’espace et le temps sont tous liés. Et l’univers a-t-il une fin ? Existe-t-il un multivers ? Combien y a-t-il d’espaces et de temps ? Cette question a-t-elle un sens ?

spiropoloSoit dit en passant, l’uniformité pour moi n’est pas ennuyeuse. Je dis ça comme ça.

Tourneur: Je voulais dire relativement ennuyeux. C’est toujours très intéressant !

spiropolo: Notre indice le plus fort de l’unité de la nature vient de la physique des particules. À des énergies suffisamment élevées, les forces fondamentales – la gravité, l’électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles – semblent devenir égales.

Mais nous n’avons pas atteint l’échelle de Dieu dans nos accélérateurs de particules. Alors peut-être devrions-nous reformuler la question. À mon avis, la loi ultime est toujours un casse-tête en cours, et la façon dont nous le résoudrons passera par une nouvelle réflexion.

Tourneur: J’aime ce que dit Maria. Nous semblons avoir toutes les pièces du puzzle sur la table; Les quatre forces différentes que nous voyons semblent n’être que des facettes différentes d’une force unifiée. Mais ce n’est peut-être pas la bonne façon de formuler la question.

C’est la marque de fabrique de la grande science : vous posez une question, et elle s’avère souvent être la mauvaise question, mais vous devez poser une question pour découvrir que c’est la mauvaise question. Si c’est le cas, vous en demandez un nouveau.

La théorie des cordes – la « théorie du tout » tant vantée – décrit les particules et les forces fondamentales de la nature comme des cordes d’énergie vibrantes. Y a-t-il de l’espoir à l’horizon pour que nous puissions mieux les comprendre ? Cette prétendue rigueur n’apparaît qu’à des énergies des millions de fois supérieures à ce que peut atteindre n’importe quel accélérateur de particules imaginable. Certains scientifiques critiquent la théorie des cordes comme étant une science extérieure.

spiropolo: Il n’est pas testable.

Tourneur: mais c’est un outil mathématique puissant. Et si vous regardez les progrès de la science au cours des 2 500 dernières années, depuis les Milésiens, qui ont commencé sans mathématiques, jusqu’à aujourd’hui, les mathématiques ont été l’élément de la vitesse. Géométrie, algèbre, calcul newtonien, géométrie d’Einstein et non-riemannien.

spiropolo: Je serais plus audacieux et dirais que la théorie des cordes est un cadre, comme d’autres cadres que nous avons découverts, avec lequel nous essayons d’expliquer le monde physique. Le modèle standard est un cadre – et dans les gammes d’énergies que nous pouvons tester, le cadre s’est avéré utile.

TourneurUne autre façon de le dire est que nous avons de nouveaux mots et un nouveau langage pour décrire la nature. Les mathématiques sont le langage de la science, et plus nous enrichissons notre langage, plus nous pouvons décrire pleinement la nature. Nous devrons attendre et voir ce qui sortira de la théorie des cordes, mais je pense que ça va être gros.

Parmi les nombreux avantages de la théorie des cordes, il y a le fait que les équations contiennent des solutions à 10 degrés – décrivant 10 degrés différents d’univers possibles ou plus. Vivons-nous dans un multivers ?

Tourneur: Je pense qu’il faut faire avec, même si ça semble fou. Et le multivers me donne mal à la tête. Pas testable, du moins pas encore, ce n’est pas de la science. Mais c’est peut-être l’idée la plus importante de notre époque. C’est une des choses sur la table. Mal de tête ou pas, il faut faire avec. a besoin de monter ou de sortir ; Cela fait partie de la science ou cela ne fait pas partie de la science.

Pourquoi est-ce un triomphe que le modèle standard de la cosmologie ne dise pas ce que sont 95 % de l’univers ? Seulement 5% de celle-ci est constituée de matière atomique comme les étoiles et les personnes. 25% est une autre « matière noire », et environ 70% est quelque chose d’encore plus étrange – Mike l’a appelé « l’énergie noire » – qui provoque l’expansion de l’univers à un rythme accéléré.

Tourneur: C’est un grand succès, ouais. Nous avons nommé tous les principaux ingrédients.

Mais vous ne savez pas ce que sont la plupart d’entre eux.

spiropolo: On trébuche quand on atteint une grande profondeur. Et à un moment donné, nous devons changer de vitesse – changer la question ou la méthodologie. En fin de compte, comprendre la physique de l’univers n’est pas une promenade de santé. Plus de questions restent sans réponse que de réponses.

Si le monothéisme est la mauvaise question, quelle est la bonne ?

TourneurJe ne pense pas qu’on puisse parler d’espace, de temps, de matière, d’énergie et de particules élémentaires sans parler de l’histoire de l’univers.

Le Big Bang est comme l’origine de l’espace et du temps, et nous pouvons donc nous demander, qu’est-ce que l’espace et le temps vraiment ? Einstein nous a montré qu’ils ne sont pas seulement là où les choses se passent, comme le disait Newton. Elle est dynamique : l’espace peut se plier et le temps peut se déformer. Mais nous sommes maintenant prêts à répondre à la question : d’où viennent-ils ?

Nous sommes des êtres du temps, nous pensons donc que l’univers tourne autour du temps. C’est peut-être une mauvaise façon de voir l’univers.

Il faut garder à l’esprit ce que j’ai dit plus tôt. De nombreux outils en physique des particules sont longs à développer et très coûteux. Ces investissements rapportent toujours, souvent avec de grosses surprises qui changent le cours de la science.

Cela rend la progression difficile. Mais je suis optimiste quant à la physique des particules car les opportunités n’ont jamais été aussi grandes et le domaine est à la pointe de la science depuis des années. La physique des particules a inventé de grandes installations scientifiques mondiales, des installations nationales et maintenant mondiales. Si l’histoire est un guide, rien ne les empêchera de répondre aux grandes questions !

Le télescope spatial James Webb a mis trois décennies à être construit.

spiropolo : Espace – bingo !

Tourneur: Je veux dire, la science consiste à rêver grand. Parfois, les rêves sont juste hors de votre portée. Mais la science a permis à l’humanité de faire de grandes choses – les vaccins Covid, le grand collisionneur de hadrons, l’observatoire d’ondes gravitationnelles à interféromètre laser, le télescope Webb – qui élargissent notre vision et notre capacité à façonner notre avenir. Quand nous faisons ces grandes choses dans le présent, nous les faisons ensemble. Si nous continuons à rêver grand et à travailler ensemble, il y a encore plus de choses incroyables qui nous attendent.