Théorie du tout

La physique dans son ensemble procède d'une démarche unificatrice, cherchant à développer des théories susceptibles d'offrir la description d'un nombre croissant de phénomènes physiques. Elle cherche en particulier à développer une théorie cohérente qui décrive l'ensemble des interactions fondamentales.

Le problème principal est l'unification de la mécanique quantique et la théorie de la relativité générale, qui décrivent respectivement les phénomènes au niveau microscopique et au niveau macroscopique. Le terme gravité quantique décrit les théories qui réunissent ces deux théories. Mais pour être une théorie complète, la théorie du tout doit, en plus, inclure la description complète des quatre interactions élémentaires.

Deux propriétés fondamentales n'ont toujours pas été démontrées mathématiquement dans le cas des interactions fortes[14] :

• d'une part, l’existence d'une théorie quantique des champs cohérente (chromodynamique quantique, fondée sur une théorie de Yang-Mills de la couleur)[15] ;
• d'autre part, l'existence d'un écart de masse qui ne permet l'observation des gluons, particules élémentaires de la théorie quantique associée à la théorie de Yang-Mills, que sous forme de combinaisons massives appelées boule de glu (glueball en anglais). Ce problème non résolu est intimement lié à celui du confinement de couleur qui affirme que seuls sont observables les états quantiques de charge de couleur nulle. La difficulté principale de ces deux problèmes est liée au caractère hautement non linéaire de la théorie.

La résolution de ces deux points constitue l'un des problèmes du prix du millénaire[16].

La théorie M est la candidate la plus prometteuse au titre de théorie du tout. En revanche la gravitation quantique à boucles est uniquement une théorie de la gravité quantique, qu'elle ne cherche pas à décrire de manière unifiée avec les autres interactions.

Le modèle standard décrit correctement la physique microscopique observée en laboratoire, mais n'incorpore pas la gravitation d'une part et, par ailleurs, dans la mesure où son existence serait confirmée, on sait qu'il ne serait pas complet même au niveau microscopique, car il ne dévoilerait pas la matière sombre qui constituerait une majorité de la matière présente dans l'univers.

Entreprise dès la fin des années 1970, la recherche des hypothétiques sparticules est une préoccupation majeure de la physique des particules. Les physiciens comptent sur le collisionneur Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN qui peut explorer l'échelle d'énergie du téraélectrovolt (1 TeV = 1 000 GeV).

Le concept est particulièrement médiatisé, et fait parfois les gros titres de la presse spécialisée, voire de la presse généraliste. La théorie d'Antony Garrett Lisi, fondée sur le groupe de Lie exceptionnel ${\displaystyle E_{8}\,}$, a ainsi été fortement traitée par des journaux généralistes[17] alors même qu'elle n'était qu'au stade de prépublication sur arXiv[18].

Cette théorie a depuis été invalidée du fait qu'elle ne peut pas tenir compte de la dissymétrie chirale de l'interaction électrofaible[19].

Stanislas Lem inventa l'expression « théorie du tout » pour se moquer des théories d'un savant farfelu apparaissant dans plusieurs de ses romans[4]. À l'origine, l'expression « théorie du tout » est donc ironique, désignant une théorie qui semble exagérément généralisée. À cet égard, l'emploi de la majuscule (même s'il vient de l'anglais, langue employant généreusement les majuscules) est une manière d'insister encore sur cet effet. Dans sa parodie d'article de philosophie des sciences, Alan Sokal fustige l'orgueil des physiciens qui disent écrire une théorie du tout. Ironie du second ordre, puisque Sokal sait que le nom n'est pas celui donné par les découvreurs de la théorie, mais une moquerie à leur égard, comme le fut l'expression « Big Bang ».

Le nom de théorie du tout est quelque peu trompeur, car la connaissance d'une telle théorie (si elle existe) a peu de chances d'être susceptible d'apporter des éclairages nouveaux sur un problème de physique à partir du moment où celui-ci n'est pas directement lié à la structure des interactions fondamentales. Néanmoins, il est possible d'extrapoler le fait qu'elle est à la base de toutes les interactions énergétiques entre les atomes et qu'elle peut, jusqu'à un certain point, représenter, d'une manière probablement très complexe, une grande majorité d'interactions à un niveau d'énergie beaucoup plus faible que celui prédit par la théorie. En considérant que la théorie du tout serait une extrapolation de l'unification des forces électromagnétique et faible, et que l'électromagnétisme est la force qui gouverne le monde électronique, c'est-à-dire, la grande majorité des interactions moléculaires[20].

John Ellis fut le premier à introduire l'appellation Théorie du tout dans la littérature technique en 1986 dans la revue scientifique Nature.