Steven Weinberg

C'est l'un des découvreurs de la théorie unifiée des forces nucléaires faibles et électromagnétique, le fameux modèle électrofaible qui avec la théorie de la chromodynamique quantique pour les forces nucléaires fortes entre les quarks constitue encore en 2021 le modèle standard de la physique des hautes énergies pour les forces entre quarks et leptons (la gravitation ne fait pas encore partie du modèle standard car son traitement quantique est encore insatisfaisant). On lui doit aussi des travaux importants sur la théorie quantique de la gravitation utilisés pour tenter de résoudre le paradoxe de l'évaporation quantique des trous noirs découvert par Stephen Hawking ainsi que des travaux en cosmologie en rapport notamment avec la constante cosmologique d'Einstein et l'accélération de l'expansion de l'Univers.

Née le 3 mai 1933 à New York aux USA, le prix Nobel Steven Weinberg est décédé à l'âge de 88 ans le 22 juillet 2021 à Austin (Texas). Pour le grand public, il est sans doute connu par son petit ouvrage du début des années 1970, le premier à vulgariser le tout jeune modèle standardmodèle standard à l'époque de la cosmologiecosmologie du Big BangBig Bang : Les Trois Premières Minutes de l'Univers.

Mais, pour les physiciensphysiciens d'aujourd'hui, Steven Weinberg est l'un des trois architectesarchitectes principaux de la théorie unifiée des forces nucléaires faiblesforces nucléaires faibles et électromagnétiques, utilisant le mécanisme de Brout-Englert-Higgs et son bosonboson éponyme, pour laquelle il recevra le prix Nobel de physiquephysique en 1979 avec Sheldon Glashow et Abdus Salam. La théorie électrofaiblethéorie électrofaible, comme on l'appelle maintenant, non seulement confortait la prédiction de l'existence du boson de Brout-Englert-Higgs (BEH) mais en prédisait trois autres, cousins du photonphoton mais doués de massemasse en raison de l'existence du boson BEH, le boson Z neutre et les bosons W existant sous forme chargée.

Weinberg et Salam avaient en fait complété en 1967 les idées avancées au début des années 1960 par Sheldon GlashowSheldon Glashow. Elles portaient déjà sur une unification de la lumièrelumière avec la force responsable de la radioactivitéradioactivité bêtabêta, intervenant aussi bien dans les désintégrations radioactives chauffant la Terre que dans les réactions thermonucléaires du SoleilSoleil et la physique des neutrinosneutrinos.

Toutes les principales prédictions du modèle électrofaible dit de Glashow-Weinberg-Salam ont par la suite été vérifiées dans des expériences menées au CernCern dont les plus emblématiques sont celles menées en 1983, prouvant l'existence des bosons Z et W, suivies bien sûr de celles du début des années 2010 avec le LHCLHC qui ont confirmé l'existence du boson BEH.

Un théoricien des forces nucléaires et de la gravitation quantique

On a de la peine à le croire aujourd'hui mais dans le cas de Weinberg, son prix Nobel repose sur un court papier de quelques pages, peu prolixe en calculs, intitulé en anglais « A Model of Leptons ». Il avait alors 34 ans et comme la majorité des théoriciens des particules élémentairesparticules élémentaires à ce moment-là, il cherchait une description des forces nucléaires fortes entre hadronshadrons.

Le modèle de quarksquarks constituant ces hadrons, comme les protonsprotons, les neutronsneutrons et les mésonsmésons pipi, découvert en 1964 par Murray Gell-Mann, collègue de Richard Feynman à Caltech, et indépendamment par George Zweig, alors en poste au Cern, et tout jeune thésard de Gell-Mann, le prix Nobel de physique 1969, ne s'était pas encore imposé. La découverte par Harald Fritzsch et Murray Gell-Mann des équationséquations de l'autre partie du Modèle standard de la physique des particules, la chromodynamique quantiquechromodynamique quantique (QCD ou Quantum Chromodynamics, en anglais) postulant l'existence d'autres cousins du photon, les gluons, était encore dans l'avenir.

Weinberg scrutait donc les arcanes des hadrons et des forces collant neutrons et protons dans les noyaux en travaillant sur une hypothèse. Il fera plus tard la déclaration suivante à ce sujet : « J'ai soudain compris qu'il s'agissait d'une théorie parfaitement valable, mais que ce n'était pas à l'interaction que j'avais en tête qu'il fallait l'appliquer. En effet, ce n'était pas à l'interaction forteinteraction forte que la théorie pouvait servir, mais bien aux interactions faible et électromagnétique ».

Steven Weinberg n'a pas travaillé que sur le monde des particules, on lui doit aussi des travaux dans le domaine de la cosmologie et de la relativité généralerelativité générale, notamment dans le mythique domaine de la gravitation quantiquegravitation quantique et en ce qui concerne l'énergie noireénergie noire. Dès les années 1960, il a ajouté une pierre de plus à l'édifice déjà construit par Suraj N. Gupta dans les années 1950, puis par Richard FeynmanRichard Feynman, montrant qu'il était possible de déduire les équations de la théorie de la relativité générale d'EinsteinEinstein à partir de la théorie quantique des champs et des principes de la théorie de la relativité restreinterelativité restreinte.

Vers le milieu des années 1960, Weinberg a ainsi découvert un théorèmethéorème concernant en anglais ce que l'on appelle les « soft gravitons », c'est-à-dire les gravitons mous en français, et il a montré que l'on pouvait déduire le principe d'équivalence d'Einstein de la théorie quantique relativiste des champs. Rappelons que les gravitons sont les cousins des photons et que ces particules découlent de l'applicationapplication de la théorie quantique au champ de gravitation. Bien que cette application ne soit pas sans problèmes graves, certains de ces calculs de gravitation quantique sont toutefois bien fondés et redonnent des résultats conformes aux expériences. Le « soft graviton theorem » de Weinberg est revenu sur le devant de la scène ces dernières années en contribuant à une piste prometteuse pour résoudre l’énigme du paradoxe de l’information avec les trous noirs quantiques de Hawking.

Weinberg a également été l'un des premiers soutiens à la théorie de supercordes, sans doute l'approche la plus prometteuse pour pénétrer dans l'UniversUnivers de la gravitation quantique et décrire l’écume de l’espace-temps pour reprendre le titre de l’ouvrage de Jean-Pierre Luminet.

Un grand enseignant et vulgarisateur de la physique moderne

On doit également à Weinberg des arguments laissant penser que la fameuse constante cosmologiqueconstante cosmologique introduite par Einstein pour construire le premier modèle cosmologique relativiste devait avoir une valeur faible et d'un certain ordre de grandeurordre de grandeur au maximum selon des considérations liées au Principe anthropique faible, prédiction couronnée de succès par la découverte de l'expansion accélérée du cosmoscosmos observable à la fin des années 1990.

Ces dernières années, Weinberg était toujours actif en publiant régulièrement sur arXiv des articles savants concernant la cosmologie. Il en a résulté un livre traitant justement de la cosmologie moderne et qui prolonge son célèbre traité introductif à la théorie de la relativité générale et l'astrophysiqueastrophysique et la cosmologie relativiste qu'il a publié au début des années 1970 sous le titre Gravitation and Cosmology : Principles and Applications of the General Theory of Relativity. Weinberg était alors professeur au célèbre MIT où il donnait justement des cours sur ces sujets, cours qui vont décider de la carrière d'un autre futur prix Nobel de Physique alors en thèse au MIT, George Smoot.

Ces dernières années aussi, Weinberg continuait de s'intéresser aux fondements de la mécanique quantiquemécanique quantique, qu'il ne trouvait pas satisfaisants comme Einstein avant lui ou un autre prix Nobel de physique, Roger Penrose. Il suivait les progrès du tout jeune domaine de l'information et des ordinateurs quantiquesordinateurs quantiques dont l'un des experts est son collègue et ami proche Scott Aaronson, qui lui rend d’ailleurs un hommage poignant sur son blog, ayant été en contact avec lui les derniers jours de sa vie.

On peut voir la marque de cet intérêt dans son cours de mécanique quantique, un ouvrage un peu atypique qui n'en fait pas vraiment un cours de débutant mais au savoir néanmoins soigneusement distillé et qui peut servir de préambule au long et impressionnant traité de théorie quantique des champs que Weinberg a produit au cours des années 1990-2000.

Comme cadeau final pour les étudiants et même pour les physiciens professionnels, Weinberg a également publié un cours d’astrophysique, bien que très calculatoire, et une sorte de résumé des fondements et de la structure de la physique moderne, des débuts de la physique atomique au XIX^e siècle à la physique nucléaire en passant par la mécanique quantique, la relativité et finissant par la théorie quantique des champs. Foundation of Modern physics peut donc être considéré comme un préambule aux précédents ouvrages de Weinberg et un compendium de la formation générale de tout physicien avant d'aborder sérieusement la relativité générale et la théorie quantique des champs avancée. Signalons quelques-uns des autres livres à destination du grand public écrits par Steven Weinberg To Explain the World : The Discovery of Modern Science  et  Dreams Of A Final Theory: The Search for The Fundamental Laws of Nature.