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Définition et synonyme de : UNIFICATION, physique

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Article publié par Encyclopaedia Universalis UNIFICATION, physique L'effort d'unification de la description des phénomènes physiques est commun à toutes les approches scientifiques. Le souci de dégager des lois universelles de l'observation de phénomènes extrêmement variés guide constamment les réflexions des physiciens. Les observations astronomiques de Galilée démontrent dès 1610 que certaines lois de la physique – la formation des ombres sur la Lune par exemple – s'appliquent aussi bien au reste de l'Univers qu'au monde terrestre. Vers 1680, Isaac Newton unifie explicitement la gravité terrestre et la gravité céleste en affirmant que la pesanteur et le mouvement des planètes sont deux manifestations d'une unique force. On peut alors décrire par une équation mathématique les conséquences mesurables de l'attraction universelle des corps massifs. L'étude des phénomènes électriques, magnétiques et lumineux est caractéristique des succès de la démarche unificatrice. Il n'est certes pas évident que la foudre, l'orientation des boussoles et la réflexion des rayons lumineux soient des manifestations d'une même force fondamentale. Dès la e fin du xviii siècle, les expériences de Benjamin Franklin, de Henry Cavendish et de Charles de Coulomb montrent l'existence d'une force électrostatique variant avec la distance.
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UNIFICATION, physique

L'effort d'unification de la description des phénomènes physiques est commun à toutes les approches scientifiques. Le souci de dégager des lois universelles de l'observation de phénomènes extrêmement variés guide constamment les réflexions des physiciens.

Les observations astronomiques de Galilée démontrent dès 1610 que certaines lois de la physique – la formation des ombres sur la Lune par exemple – s'appliquent aussi bien au reste de l'Univers qu'au monde terrestre. Vers 1680, Isaac Newton unifie explicitement la gravité terrestre et la gravité céleste en affirmant que la pesanteur et le mouvement des planètes sont deux manifestations d'une unique force. On peut alors décrire par une équation mathématique les conséquences mesurables de l'attraction universelle des corps massifs.

L'étude des phénomènes électriques, magnétiques et lumineux est caractéristique des succès de la démarche unificatrice. Il n'est certes pas évident que la foudre, l'orientation des boussoles et la réflexion des rayons lumineux soient des manifestations d'une même force fondamentale. Dès la fin du xviiie siècle, les expériences de Benjamin Franklin, de Henry Cavendish et de Charles de Coulomb montrent l'existence d'une force électrostatique variant avec la distance. Que cette force prenne une forme mathématique fort semblable à celle de Newton (son intensité étant inversement proportionnelle au carré de la distance) ne semble pourtant qu'une coïncidence. D'ailleurs, lorsque les premiers courants électriques sont observés, ils paraissent différents de tous les phénomènes connus. Ainsi, Louis Guillaume Le Monnier peut-il écrire en 1755 dans l'Encyclopédie que le mot électricité décrit « les effets d'une matière très fluide et très subtile, différente par ses propriétés de toutes les autres matières fluides » connues. Vers 1800, l'invention par Alessandro Volta de la pile électrique permet de développer les recherches expérimentales puis d'établir les lois de l'électrocinétique et ainsi de commencer à cerner la nature des phénomènes électriques.

On a observé depuis longtemps l'aimantation du fer par la foudre, mais l'étude des rapports entre l'électricité et le magnétisme nécessite de disposer de sources beaucoup plus fiables. Les expériences de Hans Christian Œrsted (1820) et de Michael Faraday (1830) sur les influences mutuelles des courants électriques et des objets aimantés, et leur interprétation par Pierre Simon de Laplace et André Marie Ampère sont décisives en montrant de profondes analogies. Faraday, en analysant ces expériences, propose de décrire l'action de l'électricité en termes d'influence plutôt que de mouvement, introduisant ainsi sans le nommer le concept de champ. La géniale synthèse élaborée par James Clerk Maxwell en 1872 réalise l'unification classique des phénomènes électriques et magnétiques. Ces phénomènes se comprennent tous comme étant dus à la présence d'un champ électromagnétique qui donne naissance à des ondes se propageant à une vitesse égale à celle de la lumière. Les équations de Maxwell décrivent l'évolution couplée de ce champ et des particules chargées : l'intensité et la variation du champ dépendent des densités de charge et de courant, tandis que le mouvement des particules est affecté par les caractéristiques du champ électromagnétique présent. Une caractéristique essentielle de cette théorie est son caractère local : toute action instantanée à distance est impossible. L'action d'une particule chargée sur une autre se décompose en trois processus : rayonnement d'un champ par une source, propagation de ce champ dans le vide ou dans la matière, absorption de ce champ.

Cette unification électromagnétique s'étend aux phénomènes lumineux. La nature de la lumière a toujours fait l'objet de débats passionnés. Dès le xviie siècle se sont affrontés les tenants d'une conception ondulatoire, comme Christiaan Huygens, et les partisans d'une théorie corpusculaire, comme Newton puis Laplace. Au xixe siècle, les travaux d'Augustin Fresnel, de Thomas Young puis de Maxwell aboutissent à l'élaboration de la théorie classique de la lumière, identifiée à une onde de champ électromagnétique. La découverte des ondes radio en 1888 par Heinrich Hertz et celle des rayons X par Wilhelm Röntgen en 1895 élargit encore l'ampleur de cette unification.

L'existence du photon, quantum de champ électromagnétique proposé par Einstein pour résoudre les paradoxes liés à l'effet photoélectrique et, plus généralement, l'émergence du cadre quantique pour décrire les aspects les plus élémentaires de l'électromagnétisme, rendent en un sens encore plus évidente la profonde unité des phénomènes électriques, magnétiques et lumineux. Il n'y a en effet qu'un seul type de photon dont l'émission, la propagation et l'absorption rendent compte de la multitude d'effets observés. De masse et de charge électrique nulles, cette particule est définie par une énergie, par une quantité de mouvement et par un moment angulaire intrinsèque, le spin. Ces caractéristiques correspondent respectivement aux notions classiques de couleur, de direction de propagation et de polarisation. À ce niveau élémentaire, rien ne permet de distinguer un photon électrique d'un photon magnétique ou lumineux.

Il est important de noter que les lois de Newton s'écrivent aussi comme une théorie des champs, le champ gravitationnel étant créé par tout objet massif. Le rôle joué par la charge électrique pour caractériser l'intensité de la force est rempli alors par la masse de l'objet. Ainsi, à la fin du xixe siècle, tous les phénomènes physiques connus sont décrits à partir de deux interactions fondamentales dont les expressions mathématiques se ressemblent singulièrement. L'avènement de la théorie de la relativité générale en 1915 n'infirme pas ces similitudes et les rend même d'une certaine façon plus évidentes. On comprend pourquoi Albert Einstein a consacré tant d'efforts (infructueux), de 1922 à sa mort, pour fondre ces deux interactions en une théorie unique.

La mise en évidence de deux nouvelles forces fondamentales – les interactions nucléaires forte (en 1921) et faible (en 1933) – et leur étude systématique éloignent tout d'abord les physiciens de leur objectif. Les expériences, principalement avec les accélérateurs de particules, affirment davantage le caractère particulier de chacune de ces nouvelles forces : de portée minuscule, elles ne s'expriment qu'à l'échelle du noyau atomique ; d'intensités très différentes entre elles, mais aussi par rapport à la gravitation et à l'électromagnétisme, elles révèlent des propriétés de symétries tellement dissemblables que leur unification paraît une gageure.

La formulation théorique actuelle de ces interactions s'exprime dans le cadre de la théorie quantique des champs, le formalisme mis au point pour la description quantique des interactions électromagnétiques. Cette similitude formelle est généralement interprétée comme révélatrice d'une unité sous-jacente ; ainsi, le champ de l'interaction nucléaire forte est quantifié en gluons et celui de l'interaction faible en bosons W et Z, et ces particules de champ ont un certain nombre de caractéristiques communes avec les photons. L'émission, la propagation et l'absorption de ces particules expliquent, au moins qualitativement, la diversité des phénomènes étudiés en physique nucléaire et en physique des particules. De plus, une audacieuse hypothèse théorique proposée à la fin des années 1960 par Sheldon Glashow, Steven Weinberg et Abdus Salam bénéficie de la confirmation expérimentale de certaines de ses prédictions. Les phénomènes électromagnétiques et nucléaires faibles apparaissent alors comme les manifestations de deux aspects complémentaires d'une interaction unique, appelée électrofaible. Cette théorie réalise une unification des deux forces en décrivant leurs particules médiatrices (le photon et le boson Z) en termes de superposition de deux champs plus fondamentaux. Cette unification, toutefois, n'est pas complète dans le sens où les intensités ne sont pas définies par une unique constante de couplage.

Des théories encore plus ambitieuses d'unification des forces nucléaires et électromagnétiques ont été proposées, sans pouvoir encore, à ce jour, être vérifiées. Quant à l'unification avec la gravitation, les difficultés techniques sont telles qu'il y faut sûrement une révolution conceptuelle et théorique. D'ailleurs, n'est-ce pas trop demander à la physique que de parvenir à une théorie unifiée de tous les phénomènes matériels ? Le principe d'économie (de principes exprimés par un petit nombre d'équations fondamentales) que l'étude de la nature a révélé n'est-il pas compatible avec l'existence de trois ou quatre interactions fondamentales ?

Auteur: Bernard PIRE