Théorie de jauge, classe de la théorie quantique des champs, une théorie mathématique impliquant à la fois la mécanique quantique et la théorie spéciale de la relativité d’Einstein qui est couramment utilisée pour décrire les particules subatomiques et leurs champs d’ondes associés. Dans une théorie de jauge, il existe un groupe de transformations des variables du champ (transformations de jauge) qui laisse la physique de base du champ quantique inchangée. Cette condition, appelée invariance de jauge, confère à la théorie une certaine symétrie, qui régit ses équations. En bref, la structure du groupe des transformations de jauge dans une théorie de jauge particulière entraîne des restrictions générales sur la façon dont le champ décrit par cette théorie peut interagir avec d’autres champs et particules élémentaires.
La théorie classique du champ électromagnétique, proposée par le physicien britannique James Clerk Maxwell en 1864, est le prototype des théories de jauge, bien que le concept de transformation de jauge n’ait été pleinement développé qu’au début du XXe siècle par le mathématicien allemand Hermann Weyl. Dans la théorie de Maxwell, les variables de champ de base sont les forces des champs électriques et magnétiques, qui peuvent être décrites en termes de variables auxiliaires (par exemple, les potentiels scalaires et vectoriels). Les transformations de jauge dans cette théorie consistent en certaines altérations des valeurs de ces potentiels qui n’entraînent pas de changement des champs électriques et magnétiques. Cette invariance de jauge est préservée dans la théorie moderne de l’électromagnétisme appelée électrodynamique quantique (q.v.), ou QED. Les travaux modernes sur les théories de jauge ont commencé avec la tentative des physiciens américains Chen Ning Yang et Robert L. Mills (1954) de formuler une théorie de jauge de l’interaction forte. Le groupe de transformations de jauge de cette théorie traitait de l’isospin (q.v.) des particules en interaction forte. À la fin des années 1960, Steven Weinberg, Sheldon Glashow et Abdus Salam ont élaboré une théorie de jauge qui traite les interactions électromagnétiques et faibles de manière unifiée. Cette théorie, désormais communément appelée théorie électrofaible, a connu un succès notable et est largement acceptée. Au milieu des années 1970, de nombreux travaux ont été menés pour développer la chromodynamique quantique (QCD), une théorie de jauge des interactions entre quarks (voir quark). Pour diverses raisons théoriques, le concept d’invariance de jauge semble fondamental, et de nombreux physiciens pensent que l’unification finale des interactions fondamentales (c’est-à-dire gravitationnelle, électromagnétique, forte et faible) sera réalisée par une théorie de jauge. Voir aussi la théorie quantique des champs.