CZAMLINK: octobre 2014

source Liste structurée des théories physiques fondamentales:

Nous allons faire une petite liste des théories fondamentales de la physique, c'est-à-dire qui chacune énoncent des lois fondamentales qui « gouvernent » le monde, qui sont l'explication des phénomènes dits « physiques » (des objets ni vivants ni conscients) tels qu'ils nous apparaissent. Il ne s'agira pas ici d'en expliciter le contenu, mais seulement de nommer les gros titres de manière ordonnée et commentée, comme pour une séance d'introduction générale à une ou plusieurs années de cours de physique qui serait à développer par la suite. Ou pour une récapitulation générale à quelque moment que ce soit.

En un certain sens, on pourrait considérer absurde le fait même qu'il y ait plusieurs théories pour décrire le même univers. En effet, au niveau le plus fondamental, des explications les plus ultimes du monde, on aimerait disposer d'une théorie qui soit la cause et l'explication ultime de tout, pour être cohérent avec le fait que c'est à une réalité unique qu'on a affaire.

Mais au lieu de cela, on trouve un assemblage de différentes théories, dont chacune a pour rôle d'expliquer un aspect particulier de l'univers et des lois qui le gouvernent. Précisons d'abord: ce qui distingue une théorie particulière et la sépare du reste, c'est sa précision et son auto-suffisance (son unité) conceptuelle (mathématique).

Il y a d'abord une hiérarchie définie par l'ordre des explications: un phénomène peut s'expliquer par une théorie B, puis la théorie B elle-même peut s'expliquer par une théorie A. Alors B est une approximation (ou un épiphénomène) de la théorie A, valable à la limite d'approximation pour un certain type de situations dans lequel on peut se trouver à peu près enfermés, mais dont on peut aussi bien sortir.

Alors, des effets de A que ne décrivait pas B, peuvent se faire à nouveau sentir dès que la situation physique s'éloigne de celle où B s'appliquait, ou dès qu'on veut tester les résultats des expériences avec une meilleure précision. On dit que A est plus fondamentale que B, ou que B est une théorie phénoménologique vis-à-vis de A. Les théories A et B sont concevables séparément: la théorie B se suffit à elle-même sans avoir besoin de se souvenir qu'elle se déduit de A, et A est logiquement première et comporte des effets subtils incompréhensibles dans les termes de B.

Cette hiérarchie peut se réitérer sur plusieurs étapes successives. A savoir, des phénomènes particuliers sont expliqués par certaines lois dites phénoménologiques (moins fondamentales) qui elles-mêmes s'expliquent comme résultant de lois plus fondamentales, qui elles-mêmes s'expliquent par des lois plus fondamentales encore...

Peut-on ou non arriver au sommet d'une telle chaîne d'explications ? Qu'importe ! Telle est la ruse qui permet à la physique de se pratiquer: tout ce qui « compte » c'est que, dans des circonstances particulières auxquelles on a affaire, on dispose d'une certaine théorie explicative précise dont, rigoureusement, se déduisent les phénomènes considérés. On n'a pas besoin de chercher plus loin, car il n'y a pas de plus simple manière d'expliquer des phénomènes particuliers, qu'en termes de la théorie phénoménologique la plus plus proche.

Autrement dit, si A explique B qui explique un ensemble de phénomènes C, alors si on veut comprendre C il est plus simple de l'expliquer directement par B sans s'occuper de A, que comme conséquence de A. En effet, il n'y a pas de plus simple manière d'expliquer comment C résulte de A, que celle qui consiste à expliquer d'une part comment A explique B, d'autre part comment B explique C.

Ainsi et plus généralement, le fait même de savoir quelle théorie gouverne en principe un phénomène donné, ne suffit pas toujours à comprendre le phénomène. Il y a à cela une raison possible principale: la complexité parfois énorme des calculs et raisonnements intermédiaires, même si dans l'absolu il n'y a qu'un résultat possible. Une autre raison possible est l'ignorance des détails de la configuration initiale du sytème (car les lois ne font que préciser les relations entre causes et effets, autrement dit comment se succèdent temporellement les états physiques, mais ne précisent pas la situation physique initiale qui est cause d'un effet donné). Enfin il y a des indéterminations plus essentielles des effets, même en connaissant toutes les causes physiques: le hasard « absolu » quantique et l'effet papillon.

Une autre hiérarchie entre théories, est celle qui distingue une théorie cadre, d'une théorie spécifique.

L'exemple le plus simple est de dire que la vie de tous les jours a pour cadre l'espace (géométrie euclidienne), et l'écoulement du temps. En effet, tout ce qui peut se passer, se passe en un certain lieu, sur une certaine largeur, en un certain temps et sur une certaine durée. Aucun phénomène de la vie de tous les jours ne peut se décrire en échappant à ces catégories; mais ces catégories ne suffisent pas à préciser qu'est-ce qui, en l'occurence, peut se passer dans l'espace et le temps, ce qui doit faire l'objet d'une théorie plus spécifique.

Notamment, on passe d'une théorie cadre à une théorie spécifique en précisant des valeurs particulières de paramètres qui servent de constantes universelles, et qui dans la théorie cadre étaient regardées comme des variables libres (autorisées à prendre n'importe quelles valeurs supposée fixes).

Si donc une théorie A est le cadre d'une théorie B, alors A est concevable en elle-même, mais B n'est pas concevable séparément de A. La théorie A sert de langage pour formuler B, qui nécessite toutes les ressources de la théorie A pour pouvoir se comprendre. Mais cela n'est pas pour autant la même théorie: de A seule on ne peut pas déduire quelle est la théorie B qui intervient. On peut dire que la théorie B est contingente à la théorie A: elle est un cas particulier d'exercice de toutes les ressources de A.

En fait, une théorie cadre est en quelque sorte à une théorie spécifique ce qu'une théorie est à un système physique particulier, ou à la donnée d'une configuration initiale précise d'un système. Comme la gravitation de Newton est la théorie cadre de la description du système solaire: elle ne précise pas les masses des objets à un instant donné, qui font partie de la description du système solaire.

Ou plus précisément il en serait ainsi si ce système physique était seul dans l'univers. Ce à quoi on peut aussi bien se ramener abstraitement en imaginant un univers ne comportant que ce système. Bien sûr, le fait de se restreindre à un système physique particulier est hors-sujet dans la liste de théories universellement valables qu'on va dresser ici: on veut uniquement des théories vraies dans tout l'univers. Simplement, il serait en principe concevable que d'autres univers soient gouvernés par d'autres théories spécifiques à l'intérieur de la même théorie cadre que celle dans laquelle nous nous trouvons.

Le cadre le plus ultime de toutes les théories telles qu'elles sont normalement attendues en physique, c'est les mathématiques.

Malheureusement, le manque d'attention traditionnel envers la classification des théories physiques, fait qu'elles n'ont pas toutes reçu un nom officiel, de sorte qu'il faudra parfois en inventer.

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