Physique mathématique des particules enregistrées «Hocus-Pocus»

Dans les années 40, des physiciens novateurs sont tombés sur la couche suivante de la réalité. Les particules étaient dehors, et les champs – des entités expansives et ondulantes qui remplissent l’espace comme un océan – étaient dedans. Une ondulation dans un champ serait un électron, une autre un photon, et les interactions entre eux semblaient expliquer tous les événements électromagnétiques.

Histoire originale réimprimée avec la permission de Magazine Quanta, une publication indépendante de la Fondation Simons dont la mission est d’améliorer la compréhension publique de la science en couvrant les développements et les tendances de la recherche en mathématiques et dans les sciences physiques et de la vie.

Il y avait juste un problème: la théorie était collée avec des espoirs et des prières. Ce n’est qu’en utilisant une technique appelée «renormalisation», qui impliquait de dissimuler soigneusement des quantités infinies, que les chercheurs pourraient contourner les fausses prédictions. Le processus a fonctionné, mais même ceux qui développaient la théorie soupçonnaient qu’il s’agissait d’un château de cartes reposant sur une astuce mathématique torturée.

«C’est ce que j’appellerais un processus dippy», a écrit plus tard Richard Feynman. «Le fait d’avoir recours à un tel hocus-pocus nous a empêchés de prouver que la théorie de l’électrodynamique quantique est mathématiquement cohérente.»

La justification est venue des décennies plus tard d’une branche apparemment indépendante de la physique. Les chercheurs qui étudient la magnétisation ont découvert que la renormalisation n’était pas du tout une question d’infinis. Au lieu de cela, il a parlé de la séparation de l’univers en royaumes de tailles indépendantes, une perspective qui guide de nombreux coins de la physique aujourd’hui.

La renormalisation, écrit David Tong, théoricien de l’Université de Cambridge, est «sans doute l’avancée la plus importante de la physique théorique au cours des 50 dernières années».

Une histoire de deux charges

Selon certaines mesures, les théories de terrain sont les théories les plus réussies de toute la science. La théorie de l’électrodynamique quantique (QED), qui constitue l’un des piliers du modèle standard de la physique des particules, a fait des prédictions théoriques qui correspondent aux résultats expérimentaux avec une précision d’une partie sur un milliard.

Mais dans les années 30 et 40, l’avenir de la théorie était loin d’être assuré. Approcher le comportement complexe des champs a souvent donné des réponses absurdes et infinies qui ont amené certains théoriciens à penser que les théories des champs pourraient être une impasse.

Feynman et d’autres ont cherché de toutes nouvelles perspectives – peut-être même une qui ramènerait les particules au centre de la scène – mais sont revenus avec un hack à la place. Les équations de QED ont fait des prédictions respectables, ont-ils constaté, si elles étaient corrigées avec la procédure insondable de renormalisation.

L’exercice va quelque chose comme ça. Lorsqu’un calcul QED conduit à une somme infinie, coupez-le. Remplissez la partie qui veut devenir infinie dans un coefficient – un nombre fixe – devant la somme. Remplacez ce coefficient par une mesure finie du laboratoire. Enfin, laissez la somme nouvellement apprivoisée revenir à l’infini.

Pour certains, la prescription ressemblait à un jeu de coquille. «Ce ne sont tout simplement pas des mathématiques sensées», a écrit Paul Dirac, un théoricien quantique révolutionnaire.

Le cœur du problème – et une graine de sa solution éventuelle – peut être vu dans la façon dont les physiciens ont traité la charge de l’électron.

Dans le schéma ci-dessus, la charge électrique provient du coefficient – la valeur qui avale l’infini pendant le brassage mathématique. Aux théoriciens s’interrogeant sur la signification physique de la renormalisation, QED a laissé entendre que l’électron avait deux charges: une charge théorique, qui était infinie, et la charge mesurée, qui ne l’était pas. Peut-être que le noyau de l’électron avait une charge infinie. Mais dans la pratique, les effets de champ quantique (que vous pourriez visualiser comme un nuage virtuel de particules positives) ont masqué l’électron de sorte que les expérimentateurs n’ont mesuré qu’une charge nette modeste.

Deux physiciens, Murray Gell-Mann et Francis Low, ont développé cette idée en 1954. Ils ont relié les deux charges électroniques avec une charge «efficace» qui variait avec la distance. Plus vous vous rapprochez (et plus vous pénétrez dans la cape positive de l’électron), plus vous voyez de charge.

Leur travail a été le premier à lier la renormalisation à l’idée d’échelle. Cela laissait entendre que les physiciens quantiques avaient trouvé la bonne réponse à la mauvaise question. Plutôt que de s’inquiéter de l’infini, ils auraient dû se concentrer sur la connexion minuscule avec énorme.

La renormalisation est «la version mathématique d’un microscope», explique Astrid Eichhorn, physicienne à l’Université du sud du Danemark qui utilise la renormalisation pour rechercher des théories sur la gravité quantique. «Et inversement, vous pouvez commencer avec le système microscopique et effectuer un zoom arrière. C’est une combinaison d’un microscope et d’un télescope. »

Les aimants sauvent la journée

Un deuxième indice a émergé du monde de la matière condensée, où les physiciens se demandaient comment un modèle d’aimant grossier avait réussi à clouer les détails de certaines transformations. Le modèle d’Ising ne consistait guère plus qu’une grille de flèches atomiques qui ne pouvaient pointer que vers le haut ou vers le bas, mais il prédisait les comportements des aimants réels avec une perfection improbable.

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Written by Naruto Uzumaki

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