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Le CPT : grand public

La Physique Théorique et le CPT

La démarche scientifique

Le but de la physique théorique est de décrire la nature et d'expliquer l'ensemble des phénomènes observés. Elle se base sur un petit nombre d'hypothèses et utilise une description mathématique et numérique de notre monde. La démarche scientifique fait des aller-retours permanents entre expériences, modèles et théories. Les observations et les expériences doivent être reproductibles : une seule mesure peut être trompeuse ! Décrire les phénomènes observés passe par une phase de modélisation où nous, les chercheurs, essayons de trouver les lois mathématiques qui les régissent. Ensuite, nous entrons dans une phase « explicative » des phénomènes où nous élaborons une théorie, qui doit nous aider à comprendre les liens qui unissent un ensemble de lois, et être capable de faire des prédictions de nouveaux phénomènes. Nous essayons d'expliquer le pourquoi d'un ensemble de phénomènes. Cependant, une théorie n'est jamais « vraie » car on ne peut que la réfuter, et elle n'est jamais « fausse » car elle est toujours limitée à un certain domaine de validité… Chaque théorie a un caractère provisoire.

« Ce qu'il y a de plus incompréhensible dans l'univers, c'est qu'il soit compréhensible. »
(Albert Einstein)

Nous, les physiciens théoriciens, possédons aujourd’hui une interprétation microscopique des phénomènes macroscopiques. L’atome est au centre de cette compréhension et les quatre interactions fondamentales rendent compte de la quasi totalité des observations. Nous sommes capables de construire une vision cohérente du monde en plaçant l’ensemble des phénomènes connus (correspondant aux divers domaines de la physique) sur trois branches qui partent de l’atome et vont vers trois infinis : infiniment grand, infiniment petit et infiniment complexe.

Plus notre connaissance avance et plus nous réalisons qu’elle n’est que partielle : la liste des questions sans réponse est sans fin. Nos prédécesseurs ont fait de grandes avancées, mais le souci de cohérence théorique et des observations expérimentales encore inexpliquées, nous poussent au doute et à la remise en question.

Les équipes du Centre de Physique Théorique s'intéressent à ces questions ouvertes qui peuplent les trois infinis.

- Sur la branche de l’infiniment grand, les observations astronomiques indiquent que 95 % du contenu de l’Univers nous est inconnu ! Quelle est la nature de la matière sombre ? L’énergie noire, responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers, est-elle une nouvelle force répulsive ? Est-ce une manifestation de l’énergie du vide quantique ? Faut-il modifier les lois de la relativité générale d’Einstein ? Telles sont les questions qui préoccupent l’équipe Cosmologie.

- Sur la branche de l’infiniment petit, le boson de Higgs, récemment découvert auprès du collisionneur à protons le plus puissant du monde (le LHC au CERN), n’explique pas tout, loin de là ! On comprend mieux, grâce à lui, l’origine des masses des particules, mais pas la sienne… Existe-t-il de nouvelles forces microscopiques ou de nouvelles particules ? A-t-on atteint le stade élémentaire de la matière ou un autre niveau de sous-structure va-t-il se révéler dans le futur ? Quelles expériences et mesures faudrait-il réaliser pour découvrir ces nouveaux phénomènes ? L’équipe Physique des particules s’attaque à ces problèmes.

La cosmologie (modèle du Big Bang) utilise la physique de ces deux branches, l’infiniment grand et l’infiniment petit. Cependant, il existe un problème majeur : les deux grandes théories qui décrivent ces deux infinis, la relativité générale et la mécanique quantique, ne sont pas compatibles. La physique moderne du XXe siècle est inachevée. Le CPT s’emploie à résoudre ce désaccord pour définir la physique du XXIe siècle. Deux équipes s’intéressent aux difficultés théoriques et mathématiques liées à ce problème. L’équipe Géométrie, Physique et Symétries étudie les structures mathématiques cachées derrière les lois de la physique. Ces travaux permettent à la fois le développement de nouvelles branches dans le domaine des mathématiques, tout en ayant des applications physiques immédiates, voire des prédictions expérimentales. L’équipe Gravité Quantique adopte une approche originale et prometteuse dans la description quantique de l’espace et du temps. La gravité quantique à boucles cherche à adjoindre des propriétés quantiques à la dynamique de l’espace-temps décrite par la relativité générale d’Einstein. Les domaines d’applications concernent, entre autres, les premiers instants de l’Univers et les trous noirs. Quelle est la structure mathématique de la théorie qui unifiera le monde quantique et celui de la relativité ? Quelles sont les prédictions mesurables et spécifiques de cette approche ? Ce sont les questions que se pose cette équipe.

- Sur la branche de l’infiniment complexe, les physiciens et mathématiciens cherchent à définir des méthodes et des outils pour décrire la complexité. La théorie du chaos, la physique non linéaire ou les systèmes dynamiques en sont des exemples. L’équipe Dynamique quantique et analyse spectrale s’intéresse à des aspects mathématiques rigoureux de cette branche de la physique. D’autres approches mathématiques, développées par l’équipe Systèmes dynamiques : théories et applications, fournissent des modèles très utiles dans des domaines très variés allant de la physique des plasmas à la biochimie et se rapprochent du monde expérimental. La complexité s’étudie aussi grâce aux outils de la mécanique statistique. L’équipe Physique statistique et systèmes complexes développe des modèles physiques de réseaux qui possèdent une multitude de connexions. Ces études ont des applications dans de nombreux domaines de notre société. L’équipe Nanophysique est au cœur de développements théoriques importants à l’échelle des atomes, où des propriétés quantiques singulières se manifestent. Les modèles étudiés par cette équipe sont à la base d’applications qui transformeront la technologie de notre société dans un futur proche.

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