La théorie quantique des champs épouse les idées d’autres théories quantiques pour décrire toutes les particules comme des « excitations » qui surviennent dans les champs sous-jacents. Le physicien britannique Paul Dirac a lancé le bal à la fin des années 1920 avec son équation décrivant le comportement des électrons relativistes – et de la plupart des autres particules de matière.
La théorie quantique standard développée par Niels Bohr et Werner Heisenberg dans les années 1920 est très bien pour décrire le fonctionnement de particules individuelles de manière isolée et à des vitesses lentes. Mais pour expliquer leurs interactions dans le monde réel, vous avez besoin de quelque chose de plus.
En particulier, vous devez marier la théorie quantique à la relativité restreinte, la théorie d’Einstein sur la distorsion de l’espace et du temps pour les choses voyageant à grande vitesse. La relativité restreinte dit que la masse et l’énergie sont interchangeables, comme en témoigne l’équation E = mc2. Le principe d’incertitude quantique de Heisenberg, quant à lui, dit que les particules peuvent emprunter de l’énergie du vide pendant un certain temps.
L’équation de Dirac avait une piqûre dans la queue: il a prédit l’existence d’une particule identique à l’électron de toutes les manières, à l’exception de la charge électrique opposée. Le positron, la première particule d’antimatière, a été dûment découvert dans les rayons cosmiques quelques années plus tard. C’était la première d’une toute nouvelle ménagerie de particules que les théoriciens ont proposée au fur et à mesure que les théories quantiques des champs évoluaient – et qui est apparue plus tard dans la réalité.
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Deux théories quantiques des champs sont au cœur du modèle standard de la physique des particules. Fruit de plusieurs décennies de travail théorique, méticuleusement confirmé par l’expérience, ce modèle couvre le fonctionnement de trois des quatre forces de la nature à travers des interactions de particules de bosons porteuses de force avec des fermions générateurs de matière.
L’électrodynamique quantique (QED) est la théorie unifiée « électrofaible » de l’électromagnétisme et de la force nucléaire faible, qui régit les processus nucléaires tels que les désintégrations bêta radioactives qui sont cruciaux, par exemple, dans la façon dont le soleil brûle son combustible.
La chromodynamique quantique (QCD), quant à elle, est la théorie de la force nucléaire forte. Transmise par des bosons appelés gluons, cette force forte et à très courte portée lie les quarks ensemble pour former des particules telles que des protons et des neutrons.
Le couronnement du modèle standard a eu lieu en 2012, avec la découverte du boson de Higgs, prédit près de cinq décennies plus tôt. La masse est la propriété la plus solide de la matière, et la masse d’une particule fondamentale est déterminée par son degré d’interaction avec le boson de Higgs. Selon une théorie proposée pour la première fois en 1964, le champ de mélasse associé au Higgs fournit une traînée qui varie selon le type de particule.
Ce qui nous manque encore, cependant, c’est une théorie quantique des champs de la gravité. Seule des quatre forces, la gravité n’a pas de particules attachées à elle, et est plutôt expliquée par la théorie générale de la relativité d’Einstein comme la déformation de l’espace-temps – une bouilloire de poissons très différente. Jean-Paul Delevoye