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Kenneth Wilson, le maître des transitions de phase, est décédé

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Kenneth G. Wilson a peu publié. Or ce prix Nobel de physique qui vient de nous quitter le 15 juin 2013 a révolutionné la physique de la fin du XXe siècle en perçant certains secrets des transitions de phase. Des particules élémentaires à la physique des polymères, sa théorie du groupe de renormalisation a tout bouleversé.

Le prix Nobel Kenneth G. Wilson n'était pas qu'un génie de la physique théorique. Tout au long de sa vie il a pratiqué le sport et était mordu d’activités de plein air. Étudiant à Harvard, c'était un champion de course à pied, et ce skieur chevronné a gravi le Mont-Blanc. Il était aussi passionné de danse folklorique. D’une nature très accessible, il préférait profiter de la plage avec ses élèves qu'assister à un dîner officiel auprès d'autres conférenciers. © Cornell University

Si les pairs de Kenneth G. Wilson l'avaient aveuglément soumis à la règle du « publish or perish », il aurait probablement été exclu de l'université, ou condamné à végéter dans une institution de second rang, en espérant poursuivre une carrière certes honorable mais sans relief. Son génie et ses capacités ont été, heureusement pour lui, suffisamment apparents pour qu'on lui laisse le temps et l'environnement nécessaires à la complétion des travaux qui lui vaudront le prix Nobel de physique en 1982.

Il faut dire qu'en 1954 et 1956, alors qu'il n'était pas encore en thèse à l'université d'Harvard, il s'était classé dans le top 5 des Olympiades mathématiques américaines, les Putnam Mathematical Competition. Il n'était pas le premier futur prix Nobel de physique à réussir cet exploit, puisque Richard Feynman y avait participé lui-aussi alors qu'il était étudiant au MIT. Enfin, Wilson a passé sa thèse avec Murray Gell-Man, l'un des découvreurs de la théorie des quarks et des équations de la chromodynamique quantique, la QCD.

Kenneth G. Wilson est un grand nom de la physique théorique. Ses travaux ont bouleversé la théorie quantique des champs, la mécanique statistique et ont des implications aussi bien avec la théorie des supercordes que dans la théorie de la dynamique des polymères. © Cornell University

Né le 8 juin 1936 à Waltham (Massachusetts), Kenneth G. Wilson avait de qui tenir puisque son père n'était autre qu'Edgar Bright Wilson. Ce chimiste de renom à Harvard s'était illustré par ses travaux sur la chimie quantique des molécules, et fut l'un des coauteurs du fameux Introduction to Quantum Mechanics With Applications to Chemistry avec le prix Nobel Linus Pauling. Kenneth G. Wilson vient de décéder, le 15 juin 2013 à l'âge de 77 ans, des suites des complications liées à un cancer, un lymphome. Il avait notamment eu comme thésard Paul Ginsparg, le créateur d'arxiv.

Des particules élémentaires aux phénomènes critiques

Kenneth G. Wilson a commencé sa carrière en travaillant sur la théorie des particules élémentaires, plus précisément sur la théorie quantique relativiste des champs. À la fin des années 1960 et surtout au début des années 1970, il se rend compte que le groupe de symétrie (en fait un semi-groupe), introduit en physique des particules par Gell-Mann pour préciser les techniques de renormalisation des infinies en électrodynamique quantique par Feynman, a des applications dans la théorie des transitions de phase. S'appuyant sur les idées de Michael Fisher et Benjamin Widom de Cornell, et de Leo Kadanoff de l'université de l'Illinois, il publie alors sa théorie du groupe de renormalisation.

Son article fait l'effet d'une bombe, et Pierre-Gilles de Gennes ne s'y trompe pas, car elle lui a immédiatement donné les clés qui lui manquaient pour résoudre des problèmes de physique des polymères sur lesquels il travaillait à l'époque. La théorie de Wilson permet surtout de mieux comprendre ce qui se passe dans divers systèmes physiques au voisinage d'un point critique qui signale une transition de phase du second ordre (ce qu'on appelle un phénomène critique). On peut s'en servir pour comprendre l'apparition de l'aimantation dans un milieu ferromagnétique avec le modèle d'Ising, ou encore ce qui se passe dans les liquides quantiques de Tomonaga-Luttinger.

Des phénomènes critiques à la gravitation quantique

Wilson n'allait pas en rester là car, se heurtant comme ses contemporains, à la non-linéarité des équations de Yang-Mills de la QCD, il entreprend d'utiliser les ordinateurs pour les résoudre et prédire, entre autres choses, la masse du proton. Il introduira au passage des équations que l'on appelle les boucles de Wilson pour les champs quantiques sur réseaux.

L'une des conséquences de ces boucles de Wilson est célèbre, puisqu'elle permettra le développement de la gravitation quantique à boucles (en anglais Loop Quantum Gravity soit LQG), qui nous livrera peut-être les secrets de la cosmologie quantique.