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La science des supercordes

Les physiciens d’aujourd’hui sont aux prises avec un dilemme. Ils ont accepté deux théories distinctes qui expliquent le fonctionnement de l’univers : La théorie générale de la relativité d’Albert Einstein, qui décrit l’univers à une très grande échelle, et la mécanique quantique, qui décrit l’univers à une très petite échelle. Ces deux théories ont été soutenues de manière écrasante par des preuves expérimentales.

Malheureusement, ces théories ne se complètent pas. La relativité générale, qui décrit le fonctionnement de la gravité, implique un univers lisse et fluide de déformations et de courbes dans le tissu de l’espace-temps. La mécanique quantique, avec son principe d’incertitude, implique qu’à une échelle infiniment petite, l’univers est un lieu turbulent et chaotique où les événements ne peuvent être prédits qu’avec des probabilités. Dans deux cas où les théories concurrentes doivent toutes deux être appliquées – pour décrire le big bang et la profondeur des trous noirs – les équations se brisent.

La plupart des physiciens ont du mal à accepter que l’univers fonctionne selon deux théories distinctes (et parfois contradictoires). Ils pensent qu’il est plus probable que l’univers soit régi par une seule théorie qui explique toutes les observations et les données.

La chasse à une théorie

Pour cette raison, les physiciens sont à la chasse à une théorie unifiée. Une telle théorie rassemblerait sous un même toit les quatre forces de la nature : la gravité, la plus faible des quatre, expliquée par la relativité générale ; l’électromagnétisme et les forces forte et faible, expliquées par la théorie quantique des champs. Einstein a poursuivi une théorie unifiée en essayant d’unir l’électromagnétisme et la gravité.

La théorie des supercordes, également appelée théorie des cordes, est la formulation actuelle de cette quête permanente. La théorie des cordes tente d’unifier les quatre forces et, ce faisant, d’unifier la relativité générale et la mécanique quantique. Elle repose sur une idée assez simple : toutes les particules sont constituées de minuscules brins d’énergie qui vibrent. (La théorie des cordes tire son nom de l’apparence de corde de ces brins d’énergie). Contrairement aux cordes ordinaires, ces cordes ont une longueur (environ 10 à 33 centimètres en moyenne) mais pas d’épaisseur. La théorie des cordes implique que les particules qui composent toute la matière que vous voyez dans l’univers – et toutes les forces qui permettent à la matière d’interagir – sont constituées de minuscules brins d’énergie vibrants.

La théorie actuellement acceptée et vérifiée expérimentalement sur le fonctionnement de l’univers à l’échelle subatomique soutient que toute la matière est composée de – et interagit par – des particules ponctuelles. Connue sous le nom de modèle standard, cette théorie décrit les particules élémentaires et trois des quatre forces fondamentales qui servent de blocs de construction pour notre monde (voir le tableau des particules élémentaires et le tableau des particules des forces fondamentales pour une liste de ces particules). Cette théorie ne comprend pas la gravité.

Dans la théorie des cordes, chaque type de particule élémentaire de matière – et chaque type de particule porteuse de force fondamentale qui sert de médiateur aux interactions entre les particules de matière – correspond à un modèle unique de vibration des cordes, un peu comme les différentes notes jouées par un violon correspondent à des vibrations uniques des cordes. La façon dont une corde vibre détermine les propriétés – telles que la charge, la masse et le spin – de la particule qu’elle constitue. Les équations de la théorie des cordes pourraient donner naissance à des particules élémentaires comme celles que l’on connaît actuellement (électrons, quarks, photons, etc.), mais comme il n’est pas encore possible de faire des prédictions numériques détaillées, il est difficile de savoir si l’assortiment de modèles de vibration possibles rend compte correctement de toutes les particules porteuses de matière et de force connues. Les cordes peuvent être soit ouvertes, soit fermées pour former une boucle. Le fait qu’une corde soit ouverte ou fermée détermine le type d’interactions qu’elle peut subir.

C’est la nature des cordes qui unifie la relativité générale et la mécanique quantique. En vertu de la théorie quantique des champs, les particules interagissent sur une distance nulle dans l’espace-temps. En vertu de la théorie générale de la relativité, la particule porteuse de force théorisée pour la gravité, le graviton, ne peut pas fonctionner à distance zéro. Les cordes permettent de résoudre ce dilemme. Parce qu’elles sont unidimensionnelles et ont une longueur, elles « étalent » les interactions sur de petites distances. Ce maculage lisse suffisamment l’espace-temps pour que le graviton puisse interagir avec d’autres particules de champ quantique, unifiant ainsi les deux ensembles de lois.

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Mais la théorie des cordes, malgré toute son élégance, a un prix. Pour que la théorie soit cohérente, l’univers doit avoir plus de trois dimensions spatiales. En fait, la théorie des cordes prédit un univers avec neuf dimensions spatiales et une dimension temporelle, soit un total de 10 dimensions. (La version la plus récente de la théorie des cordes prévoit 11 dimensions.) Les neuf dimensions spatiales sont constituées des trois dimensions étendues dont nous faisons l’expérience dans la vie de tous les jours, plus six dimensions théoriques minuscules et recroquevillées qui ne peuvent être vues avec les technologies actuelles. Ces six dimensions supplémentaires sont présentes en tout point du monde tridimensionnel qui nous est familier. L’existence de plus de trois dimensions spatiales est un concept si difficile à saisir que même les théoriciens des cordes ne peuvent le visualiser. Ils utilisent souvent des analogies pour aider à se représenter ces abstractions.

Par exemple, imaginez une feuille de papier avec une surface plane et bidimensionnelle. Si vous enroulez cette surface, elle formera un tube, et une dimension deviendra enroulée. Imaginez maintenant que vous continuez à rouler la surface jusqu’à ce qu’elle soit roulée si serrée que la dimension intérieure enroulée semble disparaître et que le tube ressemble simplement à une ligne. De manière similaire, les dimensions supplémentaires prédites par la théorie des cordes sont si étroitement enroulées qu’elles semblent disparaître dans l’expérience quotidienne.

Ces dimensions enroulées peuvent prendre certaines configurations complexes connues sous le nom de formes de Calabi-Yau. Malheureusement, des dizaines de milliers de variations de ces formes existent, et il est difficile de savoir lesquelles pourraient représenter correctement les dimensions supplémentaires de notre univers. Il est important de savoir lesquelles sont correctes, car c’est la forme de ces dimensions supplémentaires qui détermine les modèles de vibrations des cordes. Ces modèles, à leur tour, représentent tous les composants qui permettent à l’univers connu d’exister.

Ces dimensions supplémentaires pourraient être aussi petites que 10-35 mètres ou aussi grandes qu’un dixième de millimètre. Alternativement, les dimensions supplémentaires pourraient être aussi grandes ou plus grandes que notre propre univers. Si c’est le cas, certains physiciens pensent que la gravité pourrait fuir à travers ces dimensions supplémentaires, ce qui pourrait contribuer à expliquer pourquoi la gravité est si faible par rapport aux trois autres forces.

C’est une correspondance

La théorie des cordes prévoit également que chaque particule de matière connue possède une « super » particule porteuse de force correspondante, non encore découverte, et que chaque particule porteuse de force connue possède une « super » particule de matière correspondante, non encore découverte. Cette idée, connue sous le nom de supersymétrie, permet d’établir une relation entre les particules de matière et les particules porteuses de force. Appelées superpartenaires (voir « Particules et sparticules » ci-dessous), ces particules théorisées seraient plus massives que leurs homologues connues, ce qui pourrait expliquer pourquoi elles n’ont pas encore été observées avec les accélérateurs et détecteurs de particules actuels.

* Le graviton et le boson de Higgs n’ont pas encore été confirmés expérimentalement.Retrouvez une liste complète des particules et de leurs superpartenaires proposés dans « Particules élémentaires » à l’adresse www.pbs.org/nova/elegant/.

Le potentiel de ce que la théorie des cordes pourrait aider à expliquer est énorme. Elle pourrait révéler ce qui s’est passé au moment où l’univers a commencé. La théorie du big bang ne décrit que ce qui s’est passé après la première fraction extrêmement petite de seconde. Selon les théories conventionnelles, avant cela, l’univers a rétréci jusqu’à atteindre une taille nulle, ce qui est impossible. Sous les auspices de la théorie des cordes, il se peut que l’univers n’ait jamais rétréci jusqu’à disparaître, mais qu’il ait plutôt commencé à une taille minuscule – la taille d’une seule corde.

La théorie des cordes pourrait également aider à révéler la nature des trous noirs, qui, bien que prédits par la relativité générale, n’ont jamais été entièrement expliqués au niveau quantique. En utilisant un type de théorie des cordes, les physiciens ont décrit mathématiquement des trous noirs miniatures sans masse qui – après avoir subi des changements dans la géométrie des dimensions supplémentaires de la théorie des cordes – apparaissent comme des particules élémentaires avec une masse et une charge. Certains théoriciens pensent maintenant que les trous noirs et les particules fondamentales sont identiques et que leurs différences perçues reflètent quelque chose d’apparenté à des transitions de phase, comme l’eau liquide se transformant en glace.

La théorie des cordes ouvre également la porte à différentes hypothèses sur l’évolution et la nature de l’espace et du temps, comme l’aspect que pouvait avoir l’univers avant le big bang ou la capacité de l’espace à se déchirer et à se réparer ou à subir des changements topologiques.

Quand tout a commencé

La théorie des cordes n’est pas entièrement nouvelle. Elle a évolué depuis la fin des années 1960. À un moment donné, il y avait cinq variantes de la théorie. Puis, au milieu des années 1990, une théorie connue sous le nom de M-théorie a émergé et a unifié les cinq théories. La M-théorie est considérée comme la dernière étape de l’évolution de la théorie des cordes (voir « M-théorie, magie, mystère, mère ? » à droite).

La dernière incarnation de la théorie des cordes – la M-théorie – a révélé que les cinq versions précédentes de la théorie des cordes n’étaient que cinq aspects différents d’une seule théorie.

Aucune partie de la théorie des cordes n’a été confirmée expérimentalement. Cela s’explique en partie par le fait que les théoriciens ne comprennent pas encore assez bien la théorie pour faire des prédictions testables définitives. En outre, on pense que les cordes sont si petites – moins d’un milliardième de milliardième de la taille d’un atome – que les technologies telles que les accélérateurs et les détecteurs actuels ne sont pas assez puissants pour les détecter (voir « À la recherche du fondamental » ci-dessous). Si la théorie des cordes ne peut pas encore être vérifiée expérimentalement, les physiciens espèrent que certaines de ses facettes pourront être étayées par des preuves circonstancielles, comme la démonstration de l’existence de :

• des dimensions supplémentaires. Les physiciens espèrent que les accélérateurs de particules actuels ou futurs pourront contribuer à indiquer l’existence de dimensions supplémentaires. Les détecteurs pourraient mesurer l’énergie manquante qui aurait fui de nos dimensions vers ces dimensions supplémentaires, fournissant éventuellement la preuve que ces dimensions existent.

• Particules superpartenaires. Les chercheurs utiliseront les accélérateurs de particules actuels et de prochaine génération pour rechercher les particules superpartenaires prédites par la théorie des cordes.

• Fluctuations du rayonnement de fond. L’univers est imprégné d’un rayonnement uniforme de la très basse température de 2,7 degrés Kelvin. On pense qu’il s’agit d’un vestige de la température initiale très élevée du big bang. En comparant les températures de différents endroits du ciel distants d’environ un degré seulement, on a constaté des différences de température extrêmement faibles (de l’ordre du cent millième de degré Kelvin). Les scientifiques recherchent des différences de température encore plus petites, d’une forme spécifique, qui pourraient être des vestiges des premiers instants du big bang, lorsque les énergies nécessaires à la création des cordes ont pu être atteintes.

La recherche du fondamental

Bien que les physiciens utilisant des collisionneurs aient trouvé des preuves de la présence de la plupart des particules de matière et de force qui composent le modèle standard, ils sont toujours à la recherche d’une particule porteuse de force théorisée appelée le boson de Higgs. Ce graphique montre les énergies auxquelles certaines particules et unifications de forces ont été découvertes ou théorisées (cercles pleins) et indique les énergies qui peuvent être sondées avec les collisionneurs actuels ou prévus (cercles vides). Les physiciens espèrent que le grand collisionneur de hadrons du CERN, en Suisse et en France, dont la mise en service est prévue en 2007, pourrait révéler des preuves de la présence du boson de Higgs, ainsi que des indications sur la théorie du graviton et les insaisissables particules superpartenaires. L’unification des forces forte et électrofaible ou la découverte des cordes théoriques semblent exiger des énergies de sondage bien supérieures à ce que les technologies actuelles offrent. Certains théoriciens pensent toutefois que l’énergie des cordes pourrait être plus proche des énergies actuelles ou prévues des accélérateurs.