Questions ouvertes rencontrées en chemin. Certaines trouveront réponse ; d'autres resteront ouvertes à jamais.
La question ultime. La physique peut décrire comment l'univers fonctionne, des plus petites particules aux plus grandes structures. Mais elle ne peut pas expliquer pourquoi il existe un univers. Certains physiciens soutiennent que la mécanique quantique permet aux univers d'apparaître spontanément à partir du "rien," mais cela suppose déjà l'existence de lois quantiques. La question se situe peut-être au-delà de la portée de la science.
La théorie quantique des champs nous dit que même l'espace "vide" bouillonne de paires particule-antiparticule virtuelles. Le vide lui-même possède de l'énergie (le problème de la constante cosmologique). Certains proposent que notre univers est une fluctuation quantique du vide, mais alors on doit demander : pourquoi le vide existe-t-il ? Chaque réponse repousse la question d'un niveau.
Eugene Wigner a appelé cela "l'efficacité déraisonnable des mathématiques." Des structures abstraites inventées par des mathématiciens pour leur beauté, parfois des siècles avant, finissent par décrire la réalité physique avec une précision extraordinaire. La géométrie riemannienne, inventée dans les années 1850, est devenue le langage de la relativité générale en 1915. La théorie des groupes décrit parfaitement les symétries des particules. Les maths sont-elles découvertes ou inventées ?
Le temps apparaît dans chaque équation de la physique, et pourtant sa nature reste profondément mystérieuse. En mécanique newtonienne, le temps s'écoule uniformément. En relativité, le temps est tissé dans l'espace-temps et peut se dilater. En mécanique quantique, le temps est un paramètre, pas un opérateur. En thermodynamique, l'entropie donne au temps une direction (la flèche du temps). Certaines théories de gravité quantique suggèrent que le temps pourrait être émergent plutôt que fondamental.
Nous pouvons calculer les prédictions quantiques à 12 décimales, et pourtant nous ne sommes pas d'accord sur ce que la théorie signifie. L'interprétation de Copenhague dit que la fonction d'onde est un outil de calcul, pas une description de la réalité. Les mondes multiples disent que chaque résultat quantique se produit réellement. La théorie de l'onde pilote dit que les particules ont des positions définies guidées par une onde. Chaque interprétation donne une image radicalement différente de la réalité, mais toutes font les mêmes prédictions.
Elle ne "sait" rien du tout. Dans la formulation par intégrales de chemin de Feynman, une particule ne choisit pas un seul chemin. Elle explore simultanément tous les chemins possibles entre deux points. Chaque chemin contribue un facteur de phase $e^{iS/\hbar}$ où $S$ est l'action. Près du chemin classique, les chemins voisins ont des phases similaires et s'additionnent constructivement. Loin du chemin classique, les phases sont aléatoires et s'annulent. La trajectoire classique émerge comme le chemin d'interférence constructive.