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Théorie des Cordes

Le Rêve d'Einstein

Albert Einstein a essayé pendant toute sa vie de résoudre le plus grand mystère de l'Univers, il a cherché une théorie si puissante qu'elle décrirait tous les mécanismes de l'univers, la théorie du tout, mais le temps lui a manqué...

Combiner toutes les lois de l'univers en une seule et unique théorie est devenu le Saint Graal de la physique moderne, et elle pense avoir peut-être réalisé le rêve d'Einstein avec une nouvelle théorie baptisée la "Théorie des Cordes". Selon cette théorie, nous vivons sans doute dans un univers en 11 dimensions avec des univers parallèles au coin de la rue. Un univers élégant composé entièrement de la musique des cordes. Cette théorie repose sur une idée extrêmement simple : elle postule que tout dans l'univers, de la plus infime particule à l'étoile la plus lointaine, est fait d'un même ingrédient. Des brins d'énergies vibrant incroyablement petits qu'on appelle des cordes. Tout comme une corde de violoncelle peut donner naissance à une grande variété de notes musicales, les cordes minuscules de notre théorie vibrent selon une multitude de modes différents constituant ainsi tous les éléments de la nature. En d'autres termes, l'univers est comme une formidable symphonie cosmique, résonnant de toutes les notes que peuvent produire les vibrations de ces petits brins d'énergie.

LA GRAVITÉ (G) ET LA RELATIVITÉ

La quête de l'unification a commencé avec l'accident le plus célèbre de toute l'histoire des sciences. On raconte qu'en 1665, un jeune homme assit sous un arbre voyant une pomme tomber devant lui. Avec cette chute, Isaac Newton a révolutionné notre image de l'univers. Il affirme que la force qui attire les pommes vers le sol et la force qui maintient la lune en orbite autour de la Terre ne font qu'une. D'un seul coup, il unifie les cieux et la terre en une théorie unique qu'il appelle gravité (G). La gravité était la première force qu'on comprenait scientifiquement mais trois autres encore allaient suivre. Mais il y a un problème, si ces lois décrivent la force de la gravité avec une grande précision, il n'a pas la moindre idée de la façon dont elles fonctionnent. C'est un petit employé d'un bureau suisse va changer cela. Einstein médite sur le comportement de la lumière. C'est à 26 ans qu'Einstein va faire une découverte stupéfiante. La vitesse de la lumière est une sorte de limite de vitesse cosmique, une vitesse que rien ne peut excéder. L'ennui, cette idée va à l'encontre de la vision Newtoniènne de la gravité. Une expérience résume ce problème. Imaginons que d'un coup le soleil disparaisse complètement du système solaire. D'après Newton, les planètes sortiraient immédiatement de leur orbite pour dériver dans l'espace. Newton envisageait la gravité comme une force agissant instantanément, mais Einstein savait que la lumière se propage pas instantanément, il faut 8 minutes au rayon du soleil pour parcourir les 150 millions de km qui le sépare de la terre, et puisqu'il avait montré que rien, ni même la gravité, ne voyage plus vite que la lumière, comment la terre pourrait quitter son orbite avant que le dernier rayon du soleil l'ait atteint.
Si Newton se trompe, pourquoi les planètes ne tombent-elles pas ? Pourquoi les planètes sont en orbites ? Or les équations de Newton permet de calculer leur trajectoire. Einstein devait donc résoudre se dilemme. Il trouva la réponse dans un nouveau genre d'unification. Il a fini par envisager les trois dimensions de l'espace et la dimension unique du temps, comme lié dans un même tissu d'espace-temps. Il espérait que cette compréhension de la géométrie quadridimentionnel de tissu d'espace-temps lui permettrait de parler simplement d'objets évoluant le long des surfaces de cet espace-temps. Ce tissu uni et déformé est distendu par des objets lourds comme les planètes et les étoiles. Et c'est cette déformation ou courbure de l'espace-temps qui crée se que l'on ressent comme la gravité. Une planète est en orbite non parce que le soleil la contrôle (Newton), mais simplement parce qu'elle suit les courbes du tissu spatial, courbes causées par la présence du soleil.
Qu'arrive-t-il maintenant si le soleil disparaît dans notre expérience ? La perturbation gravitationnelle qui en résulte, va former une vague qui se propage à travers le tissu spatial, de la même manière que des ondulations se propage à la surface de l'eau quand on jette un galet dans une mare. Nous ne sentirions donc aucun changement dans notre orbite jusqu'à que cette vague atteigne la terre. Einstein calcule que ces ondulations de gravité voyagent exactement à la vitesse de la lumière. Il résout le conflit avec Newton de savoir à quelle vitesse la gravité se propage. Les forces de gravitation sont des courbes et des distorsions dans le tissu même de l'espace et du temps. Il l'appelle la relativité générale. Mais Einstein n'est pas totalement satisfait !

L'ÉLECTRICITÉ et LE MAGNÉTISME (EM)

Son nouvel objectif est d'unifier de la nouvelle image de la gravité et l'unique autre force de l'époque connue : l'éléctromagnétique trouvé par Maxwell (EM) qui unifie l'électricité et le magnétisme. Einstein en conclu que pour construire une théorie du tout, il ne lui reste plus qu'à fusionner sa vision de la gravité avec l'éléctromagnétisme, mais lorsqu'il commence ses recherches, il s'aperçoit que la différence d'intensité entre ses 2 forces l'emporte sur leurs similarités. On a tendance à penser que la gravité est une force très puissante, mais comparée à l'électromagnétisme elle est en réalité terriblement faible. L'électromagnétisme produit la lumière, l'électricité et l'attraction magnétique.
Expérience : si on se jette d'un toit, qu'est-ce qui nous empêche de traverser le sol et de descendre tout droit jusqu'au au centre de la terre ? La réponse est l'éléctromagnétisme, tout ce que nous voyons est constitué de petits éléments de matière, d'atomes, et la coquille externe de l'atome contient une charge électrique négative, si bien que quand nos atomes entre en collisions avec ceux du ciment, ses charges électriques se repoussent avec une telle force qu'un petit morceau de trottoir peut résister à toute la gravité terrestre et arrêter notre chute. En réalité la force éléctromagnétique est des milliards et des milliards de fois plus puissante que la gravité. La gravité agit à l'échelle des gigantesques conglomérats de matière, planètes, soleil, nous... tandis qu'à l'échelle des atomes, la gravité est extrêmement faible. Einstein ne résoudra pas son rêve d'unification.

LA MÉCANIQUE QUANTIQUE

Dans les années 20, un groupe de jeunes scientifiques volent la vedette à Einstein, conduit par le physicien danois Niels Henrik David Bohr, découvrent une nouvelle facette de l'univers. Les atomes s'avèrent constitués de particules encore plus petites, le noyau désormais familier de protons et de neutrons, autour duquel gravitent des électrons, hors les théories d'Einstein et de Maxwell ne peuvent expliquer comment ses petits grains de matière interagissent les uns avec les autres à l'intérieur de l'atome. La gravité ne suffisait pas étant beaucoup trop faible et l'éléctromagnétisme ne suffisait pas... Aucune théorie n'explique alors cet étrange nouveau monde... Mais vers la fin des années 20, ça va changer, la mécanique quantique développe une théorie capable de décrire le monde microscopique avec beaucoup de succès. Les théories d'Einstein décrivent un univers organisé et prévisible. Mais Bohr n'est pas d'accord et proclame qu'à l'échelle des particules, le monde est un jeu de hasard, c'est un jeu d'incertitude, de prévoir les probabilités d'avoir un résultat plutôt qu'un autre. Depuis 80 ans, la mécanique quantique nous dit avec succès, tout est toujours régit par le hasard. Si il y a mille possibilités et que la mécanique quantique ne peut pas nous dire laquelle arrivera, alors les milles se réaliseront, dans des univers parallèles... Même dans notre propre univers, il y a une chance que des choses qu'on pense impossible, puissent en fait se produire. Ainsi, il existe une possibilité que des particules traversent un mur ou une barrière que l'on considère comme impénétrable. Einstein disait, "dieu ne joue pas aux dés". Pourtant toutes les expériences montrent qu'il a tord, et que la mécanique quantique décrit effectivement le fonctionnement du monde à l'échelle subatomique.

L'INTERACTION FORTE (S) ET FAIBLE (W)

La mécanique quantique est extraordinairement exacte, il n'est jamais arrivé qu'une prédiction de la mécanique quantique contredise une observation. Les chercheurs s'aperçoivent que la gravité et l'électromagnétisme ne sont pas les seules interactions régissant l'univers. En sondant la structure de l'atome, ils découvrent 2 nouvelles forces : La première, "l'interaction forte" (S), agit comme une super glu, elle maintient le noyau de chaque atome en liant les neutrons aux protons. La seconde, "l'interaction faible" (W), permet aux neutrons de se transformer en protons tout en émettant des radiations. L'interaction faible, force qui est à l'origine de la désintégration radioactive.
À l'échelle quantique l'interaction qui nous est la plus familière, la gravité (G), est totalement éclipsé par l'électromagnétisme (EM) et ces 2 nouvelles forces (S & W). Les interactions faibles et fortes peuvent nous paraître obscures, mais il y un aspect de leur puissance qui le matin du 16 Juillet 1945, allait changer le court de l'histoire. La première bombe atomique. Cette bombe d'1,5 m, équivalente à 20.000 tonnes de TNT, libéra l'interaction forte qui maintient les neutrons et les protons soudés dans le noyau de l'atome, en brisant cette glu et en explosant l'atome, ils libèrent une quantité inimaginable d'énergie destructrice. On peut encore détecter les traces de cette explosion grâce à l'autre force nucléaire, l'interaction faible, parce qu'elle est responsable de la radioactivité et aujourd'hui près de 50 ans plus tard, les niveaux de radiations sont, ici au Mexique, encore 10 fois supérieure au niveau normal !
Alors, même si comparé aux forces électromagnétiques ou à la gravité, les forces nucléaires agissent à une échelle qui semble minuscule, leur impact sur la vie quotidienne est tout aussi considérable. Alors quelle est la place de la gravité, de la relativité générale à l'échelle quantique ? Comment mettre la relativité générale et la mécanique quantique dans le même paquet ?

Lorsqu'en 1933, Einstein s'installe à Princeton, la communauté des physiciens qui étudient l'atome, Einstein choisit délibérément de ne pas s'intéresser aux résultats de ses expériences, ce qui veut dire que les lois de la mécanique quantique n'ont aucunes places dans ces recherches ultérieures, il a mené une révolution et s'est laissé distancé. Il mourra le 18 Avril 1955, et la quête de l'unification devient un bras mort de la physique. Depuis la physique s'est divisé en deux familles n'arrivant pas à s'entendre.
Prenons le cas des trous noirs. Depuis peu on a confirmé leur existence, on connaît leur immense champ gravitationnel. Si on essaye de comprendre ce qui se passe dans les profondeurs d'un trou noir, où une étoile toute entière est compressée en un point minuscule, faut-il faire appelle à la relativité générale parce que l'étoile est incroyablement lourde, ou à la mécanique quantique parce qu'elle est minuscule ? Tout le problème est là. Le centre d'un trou noir étant à la fois petit et lourd, on ne peut éviter d'utiliser les deux théorie en même temps. Mais quand on essaye de les réunir dans le domaine des trous noirs, elles se heurtent et tout s'effondre, leur prédictions sont incohérentes. Aujourd'hui avec la théorie des cordes, nous avons peut-être trouvé un moyen d'unir la théorie de l'infiniment grand et l'infiniment petit, pour donner un sens à l'univers, à toutes les échelles et en tous lieux. La théorie des cordes affirme que tout dans l'univers, toutes les forces et toute la matière, se compose d'un seul ingrédient, de minuscules brins d'énergie vibrant appelées cordes. Elle peut frétiller de plusieurs manières différentes, comme une corde de violoncelle, chaque note décrit une particule différente. Mais si elles existent, les cordes seraient si petites qu'on pense ne jamais les voir...

Doc ARTE - Juillet > 2003

L'Univers Élégant

La relativité générale qui décrit le monde des étoiles et des galaxies, et la mécanique quantique qui décrit l'infiniment petit, sont incroyablement exactes chacunes dans leur domaines, mais ne sont pas compatibles. On va remonter à la naissance de l'univers au big bang pour comprendre.

À cet instant une violente explosion s'est produite dans un minuscule volume. Puis au cours des 14 milliards d'années qui ont suivi, l'univers s'est dilaté et refroidit pour donner naissance aux étoiles, galaxies et planètes que nous voyons. Mais si on reprend le film à l'envers, tout ce qui est en train de s'éloigner se rapproche à nouveau, l'univers devient plus petit et plus chaud... Au moment où on arrive au big bang, le projecteur se bloque. Lorsqu'on les combine, nos 2 théories physique s'effondrent.

Pour décrire l'univers sur une grande échelle, on utilise la relativité générale qui explique comment fonctionne la gravité, elle voit l'espace comme une sorte de trampoline, que tous les objets lourds viennent étirer et déformer, et se sont toutes ces déformations qui crées se que nous ressentons comme la gravité. La gravitation qui maintient la terre en orbite autour du soleil, provient simplement du fait que notre planète suit les courbes et les contours que créé le soleil dans le tissu spatial. La mécanique quantique brosse un portrait de l'espace tellement différent qu'on croirait que ces théories nous parle de deux univers qui n'ont absolument rien à voir.

LA MÉCANIQUE QUANTIQUE

Pour comprendre le conflit qu'il règne entre ces deux théories, il faut descendre loin dans l'infiniment petit. Les lois de l'infiniment petit à l'échelle atomique, nous montre que le tissu de l'espace devient agité et chaotique. Et pour finir, si on continue de descendre, nous arrivons dans un monde tellement turbulent qu'il défit le sens commun. Ici bas, l'espace et le temps sont si tordus et si déformés que les concepts traditionnelles de droite et de gauche, de haut et de bas, et d'avant et d'après disparaissent. Il n'y a aucun moyen de dire avec certitude si on est ici, ou bien là, ou bien les deux à la fois. Ou d'être ici, avant d'arriver là.
Dans l'univers quantique, on ne peut cerner quoique ce soit avec précision. C'est un endroit mouvementé et frénétique par nature. L'image fluctuante et saccadée de l'espace et du temps que prédit la mécanique quantique et en opposition directe avec le modèle géométrique lisse et ordonné que donne la relativité générale. Pourtant les physiciens croient que tout, depuis la danse effrénée des particules subatomiques jusqu'au tournoiement majestueux des galaxies, devrait pouvoir être expliquer par une seule grand principe physique, une seule équation générale. Tous les phénomènes naturels, de la fission de l'atome à la naissance des étoiles ne sont rien d'autres que les interactions des 4 forces avec la matière.

NAISSANCE DE LA THÉORIE DES CORDES

En 1968, un physicien italien, Gabriele Veneziano, recherche des équations pouvant expliquer l'interaction forte, la colle puissante qui maintient, les neutrons et les protons à l'intérieur des noyau d'atomes. L'histoire raconte qu'un jour il trouve un livre sur l'histoire des mathématiques et trouve une équation énoncée 200 ans auparavant par un mathématicien suisse, Léonhard Euler. Il découvre que cette équation semble décrire l'interaction forte, il publie un article et devient à jamais célèbre. L'équation d'Euler acquiert alors sa dynamique propre.
Puis Léonard Susskind, découvre qu'elle décrit une particule dotée d'une structure interne qui pouvait vibrer. Qu'il s'agissait d'une corde, un peu comme un élastique ou un élastique coupé en deux, et que cet élastique pouvait se contracter ou s'étirer, mais aussi oscillé, il correspondait exactement à l'équation. La théorie des cordes vient de naître. Mais était rejetée par la communauté scientifique et aurait pu disparaître.

Pourtant, dans les années 70 et 80 avec les accélérateurs modernes, on créait tellement de nouvelles particules qu'il n'y avait plus assez de lettres pour les nommer. Et les physiciens font une prédiction étrange : d'après eux les particules pourraient aussi expliquer les forces de la nature. C'est comme si 2 joueurs se renvoyaient une balle. Les joueurs seraient des particules de matière, et la balle qu'ils se renvoient, serait une particule de force. On l'appelle une particule messagère. Par exemple, dans les cas du magnétisme, de la force électromagnétique, la balle représente un photon et plus nous échangeons de ces particules messagère, plus forte est l'attraction magnétique. Et les scientifiques ont prédit que c'est cet échange de particules messagère qui crée ce que l'on ressent comme une force. Les expériences ont confirmées ces prédictions avec la découverte des particules messagère de l'électromagnétisme, de l'interaction forte et de l'interaction faible. En se servant de ces particules découvertes, les chercheurs se rapprochent du rêve d'Einstein. L'unification des forces. Les expériences montrent que quand on revient au condition de chaleur extrême du big bang, l'électromagnétisme et l'interaction faible se fondent et s'unissent en une seule force dite, électrofaible (EW = W + EM). Et si on rembobine encore le film cosmique, la force électrofaible s'unirait à l'interaction forte pour donner une grande super force, (EWS). Même si ce n'est pas encore prouvé, la mécanique quantique était capable d'expliquer le fonctionnement de trois des forces à l'échelle subatomique, le modèle standard.

Mais pourtant, le modèle stand art passe sous silence la force la plus connue, la gravité. En 1973, John Schwarz travaille sur la particule sans masse et les anomalies que prédit la théorie des cordes. Après plus de 4 ans de recherche, il se demanda si ces équations décrivaient la gravité. Cela voudrait dire qu'il fallait revoir complètement la taille de ces cordes. Si on suppose que les cordes sont 100 milliards de milliards de fois plus petites qu'un atome, l'un des défauts de la théorie devient une qualité. Il apparaît que la mystérieuse particule dont il a essayé de se débarrasser est un graviton. La particule longtemps cherchée censée transmettre la gravité au niveau quantique. La pièce qui manquait au modèle stand art vient de se mettre en place. Si les cordes décrivent la gravité à l'échelle quantique, elles doivent être la clé de l'unification des 4 forces. Schwarz travaillant avec Michael Green, prouvent en 1984, que la théorie des cordes n'avait plus d'anomalies et devenait la théorie du tout. Cette nouvelle version élégante de la théorie des cordes semblait décrire tous les éléments constitutifs de la nature. Toutes les particules qui composent tout ce qui existe dans l'univers sont fait d'éléments encore plus petits, de minuscules brins d'énergies semblable à des cordes. Chacunes de ces cordes est d'une petitesse inimaginable, si on grossissait un atome à la taille du système solaire, une corde ne serait pas plus grande qu'un arbre. De même que les différentes vibrations ou fréquence d'une corde d'un violoncelle crée des notes différentes, les différents modes de vibrations des cordes donnent aux particules leur caractéristiques particulières comme leur masse et leur charge. Par exemple, la seule et unique différence entre les particules qui nous composent et les particules qui transmettent la gravité et les autres forces, c'est la façon dont vibrent ses minuscules cordes. Idée élégante qui résout le conflit vers l'unification. Malheureusement aucune expérience ne peut vérifier par l'observation ce qui se passe à cette échelle. Seul l'avenir pourra le dire. Et pour cela, l'observation que pour une fourmis par exemple, la fait de se promener sur une corde à linge, en pouvant aller dans le sens des aiguilles d'une montre et son sens contraire de la corde, une dimension supplémentaire. L'idée qu'il y aurait des dimensions supplémentaires existent autour de nous constitue le fondement de la théorie des cordes. En fait mathématiquement, la théorie nécessite non pas une, mais 6 dimensions supplémentaires, tordues et enroulées en des formes complexes.

Mais comment ses minuscules dimensions pourraient avoir une influence sur notre vie quotidienne ? Selon la théorie des cordes, la forme est primordiale. Les dimensions spatiales influencent la manière dont les cordes bougent et vibrent en fonction de l'étirement et la compression des dimensions ! Les scientifiques ont découverts 20 nombres, 20 constantes fondamentales dans la nature qui donnent à l'univers les caractéristiques que nous lui connaissons. Ces nombres sont la masse de l'électron, l'intensité de la gravité, la force électromagnatique et l'interaction forte et faible, et tant qu'on lui donne les bonnes valeurs, l'univers est celui que nous connaissons. Mais si l'on change ses nombres, même de façon minime, les conséquence sont spectaculaires, et l'univers tel que nous le connaissons disparaît. Alors qu'est-ce qui dans la nature règle les valeurs de ces 20 constantes aussi précisément ?
La réponse pourrait être dans les 6 dimensions supplémentaires de la théorie des cordes. Les minuscules formes font vibrer une corde exactement comme il faut pour produire un photon, et en font vibrer une autre d'une façon différente pour produire un électron. C'est dimensions pourraient bel et bien déterminer toutes les constantes de la nature, et permettre à la symphonie cosmique de rester accordée.

Au fil des ans, les efforts des théoriciens des cordes ont été si fructueux, qu'ils ont bâti 5 versions différentes de la théorie. Toutes reposes sur les cordes et les démentions supplémentaires, mais dans les détails, elles ne s'accordent pas. Certaines font état de cordes ouvertes, d'autres de cordes fermées. Deux d'entres elles prévoient même 26 démentions. Ces 5 versions paraissent toutes aussi valables, mais laquelle décrit vraiment notre Univers ?

Ce qu'Einstein ne Savait Pas Encore

Imaginez que nous soyons capable de contrôler l'espace ou le temps ! On pourrait faire alors des choses étonnantes. On serait peut-être à même d'aller d'ici à là, ou encore du présent au passé en un seul instant. Nous sommes tous persuadés que ce genre de voyage n'est pas possible, et c'est probablement le cas. Mais il est clair que l'idée que nous nous faisons de la nature, de l'espace et du temps, peut nous sembler un peu avoir changer, et ce que l'on croyait comme de la science fiction, nous paraît presque à notre porté aujourd'hui. Tous cela grâce à une révolution en physique, la théorie des cordes.

Cette nouvelle théorie radicale part d'un postulat extrêmement simple. C'est qu'absolument tout dans l'univers, la terre comme des bâtiments, ou encore les forces comme la gravité ou l'électricité, sont composés de minuscules brins d'énergie en vibration qu'on appelle des cordes. Et ces cordes, aussi petites soient-elles, vont changer absolument tout dans notre compréhension de l'univers.
Exemple, prenons une ville-univers comme Manhattan, tout déplacement prend un certain temps et le plus court trajet est la ligne droite, et il y a une limite pour la vitesse (celle de la lumière), il y a bien une limite incompressible au temps qu'on peut gagner sur ce trajet... Cette univers-Manhattan correspond à une vision classique de l'espace, qui se présente comme une grille plate, statique et immuable. Pourtant lorsqu'Einstein étudie la structure de l'univers, ces conclusions sont tout autre ! Il affirme que l'espace n'est pas statique, qu'il peut se tordre et s'étirer. Il peut même y avoir des structures spatiales inhabituelles, appelées trou de ver (pont ou tunnel entre 2 régions éloignées de l'espace, une sorte de raccourci cosmique)... Pour créer un trou de ver, il faut former un trou en déchirant ou en perçant le tissu spatial ! Mais pour Einstein c'est impossible, l'espace peut s'étirer et se tordre mais ne peut se déchirer.
La théorie des cordes nous montre qu'Einstein n'avait pas toujours raison. Si on pouvait rapetisser jusqu'à atteindre près d'un millionième de milliardième de notre taille normale, on pourrait entrer alors dans le monde de la mécanique quantique, les lois qui régissent le comportement des atomes. C'est le monde de la lumière, de l'électricité et de tous les phénomènes opérant à l'échelle de l'infiniment petit. Ici la structure de l'espace est aléatoire et chaotique, les déchirures sont peut-être des événements anodins. Mais si c'est le cas, comment expliquer le fait qu'une déchirure du tissu spatial n'engendre pas de catastrophes cosmiques ? C'est là qu'intervient la puissance des cordes. Les cordes apaisent le chaos, et lorsqu'une seule et unique corde danse à travers l'espace, elle le balaie et forme ainsi un tube. Celui-ci peut agir à la manière d'une bulle, en venant entourer la déchirure faisant office de bouclier protecteur. En fait ce sont les cordes qui permettent à l'espace de se déchirer. Ce qui veut dire que l'espace est beaucoup plus dynamique et plus changeant que ce qu'Einstein avait prévu. Ce qui est certain c'est que la théorie des cordes montre clairement, c'est que l'univers est probablement encore plus étrange que ce que nous avons jamais tenté d'imaginer. Ainsi, la théorie des cordes établie que nous sommes entourés de démentions cachées, de mystérieux endroits situés au-delà de l'espace tridimensionnel qui nous ait familier. Ce que nous considérons comme notre univers, pourrait être qu'une toute petite partie d'un ensemble beaucoup plus grand. Peut-être vivons nous sur une membrane tridimensionnelle qui flotte au sein d'un espace de démentions supérieures. Il y a peut-être des mondes entiers juste à côté de nous, mais complètement invisibles. Ces autres mondes seraient littéralement des univers parallèles.

LA THÉORIE M

L'un des principaux attraits des cordes est leur ambivalence. Tout comme les cordes d'un violoncelle peuvent vibrées à différentes fréquences, produisant des notes de musiques distinctes, les minuscules brins vibrent et dansent de différentes manières, générant toutes les particules fondamentales de la nature. Par ailleurs, la théorie des cordes nous offre une possibilité étonnante, si l'on parvient à maîtriser le rythme des cordes, on pourra expliquer toute la matière et toutes les forces de la nature, des particules subatomiques les plus infinitésimales, aux galaxies les plus lointaines. Et de devenir la théorie du tout... Et nous avons produits 5 théories des cordes... Jusqu'à ce qu'en 1995, Edward Witten va ébranler la communauté scientifique. Il conçoit une nouvelle approche spectaculaire de la théorie des cordes. Tels des reflets dans un mur de miroir, nos 5 théories s'avèrent n'être que 5 manières différentes de regarder la même chose. La théorie des cordes était enfin unifiée... La théorie M... Magique, Mystère, ou M à l'envers W...
Avant la théorie M, les cordes semblaient opérer dans un monde qui avait 10 démentions. La dimension temporelle, les 3 démentions spatiales familières, auxquelles s'ajoutait 6 démentions supplémentaires si minusculement enroulées qu'elles étaient invisibles. Mais M est une théorie qui va encore plus loin, et impose encore une nouvelle dimension spatiale, portant le nombre à 11 démentions. Et on sait qu'il faut 11 dimensions pour que cette théorie ait un sens. La dimension supplémentaire de Witten, permet à une corde de s'étirer jusqu'à former une sorte de membrane ou "brane", qui peut être tridimensionnelle, voire davantage, et à supposer qu'elle dispose d'une énergie suffisante, elle peut atteindre une taille considérable, pourquoi pas aussi étendue qu'un univers ! Et nous voyons apparaître là les démentions parallèles...

PROBLÈME DE LA GRAVITÉ

Revenons à la gravité, lorsque quelque chose tombe par terre, il se casse, pourtant la gravité est une force très faible, et on la surmonte à chaque instant, nos muscles ou un aimant peuvent mettre la gravité en échec. Les aimants véhiculent une force différente, la force électromagnétique (EM), cette même force qu'on a dans la lumière et dans l'électricité. Et cette force électromagnétique est bien plus puissante que la gravité, de l'ordre de 1 avec 39 zéros derrière, en comparaison la gravité est extrêmement faible. Pendant de nombreuses années la faiblesse de la gravité laissait les scientifiques perplexe. Et la théorie des cordes, nous dit qu'en fait la gravité n'est pas faible, c'est juste une apparence. Et pour une raison ou une autre nous ne percevons pas sa puissance.
Prenons l'exemple de la surface d'une table de billard représentent la brane univers, et les boules de billard, les atomes et particules qui composent l'univers. Cependant lorsque les boules ou particules entrent en collision, il y a quelque chose qui s'échappe de la table, des ondes sonores... C'est pourquoi on entend les collisions... Alors l'idée, c'est que la gravité est peut-être semblable aux ondes sonores, et n'est pas confiner à notre membrane, elle serait capable de s'échapper de cette partie d'univers qui est la notre. Ou alors l'exemple de la tartine de pain, qui représente notre univers, si on lui met de la confiture, elle peut se déplacer librement à la surface de la tartine, mais ne peut s'y échapper, elle reste collée. Mais imaginons que la gravité soit différente, comme du sucre, cette matière va tomber se la surface tartine. Mais pourquoi la gravité serait-elle différente de tout les phénomènes que nous connaissons de l'univers ? Depuis la théorie M, tout est question de formes. Les cordes ne sont pas seulement des boucles fermées, on pense que toute la matière et la lumière autour de nous, sont constitués de corde ouvertes dont les extrémités sont rattachées à notre membrane tridimensionnelle. Mais les boucles fermées existent bien, et l'une d'elle transmet la force de gravité, on appelle un "graviton" (G). Ces boucles étant fermées, leurs extrémités ne peuvent se rattacher, et les gravitons sont donc libres de s'échapper dans d'autres dimensions. La force de gravité s'en trouve donc diluée et parait ainsi plus faible que les autres forces de la nature. Une propriété qui laisse entrevoir une possibilité fascinante. Si il y a des univers parallèles sur d'autres membranes, on pourra peut-être les percevoir grâce aux ondes gravitationnelles.

FUTURES PREUVES ?

Certains théoriciens des cordes, suggèrent que le big bang n'est pas le début de l'univers, qu'il pourrait avoir exister depuis toujours... Si on vivait tous sur une membrane géante plongée dans un espace de dimensions supérieures, comme le dit la théorie des cordes. Si les branes se déplacent dans des dimensions supplémentaires, imaginons deux branes abritant des univers parallèles, dérivant dans la dimension supérieure, qui rentrent en collision.

Toute l'énergie de la collision se libère dans le big bang, elle déclenche l'expansion que nous voyons et elle chauffe toutes les particules de l'univers pour produire cette grosse masse rougeoyante.

Les partisans de cette théorie proposent que le big bang ne serait pas un événement spécial et qu'il se serait produit à mainte reprise. Un scénario appelé à se reproduire, une brane serait en train de se diriger sur nous en ce moment même et se reproduira indéfiniment dans le futur...

LA SUPERSYMETRIE

C'est ce principe qui a transformé la théorie dite "des cordes" en celle des "supercordes". Le but de la supersymétrie est de placer sur un même plan les fermions (matière) et les bosons (rayonnement). On ne sait pas trop si l'Univers est organisé ainsi, mais cela permettrait d'éclaircir de nombreux mystères. Pour réaliser ce tour de force, il est nécessaire de doubler voir plus le nombre de particule existantes. Et pour permettre l'existence de ces nouveaux venus, il faut de l'espace, et donc de nouvelles dimensions ! Ce qui aboutit alors à un Univers à 11 dimensions : 1 de temps, 3 d'espace que nous connaissons, et 7 que nous n'avons pas encore observées... Comment est-ce possible ? La réponse est que ces dimensions seraient enroulées sur elles-mêmes à très petite échelle (encore celles de Planck, 10-35m). Les cordes étant de la même taille, elles leur seraient accessibles. Quant à nous, nos expériences ne permettent pas de faire des mesures à ce niveau.

Dans les accélérateur de particules, on recherche les gravitons pour prouver l'existance des cordes, au Fermilab ou au LHC, on y recherches les particules supersymétriques (S). On aurait du mal à croire qu'une telle élégante et une telle beauté mathématique soit erronée. Cordes vibrantes, superpartenaires, univers parallèles et dimensions supplémentaires, on doit encore chercher pour confirmer toutes ces idées novatrices et unifier les lois physiques...

Doc ARTE > Juillet > 2003
 

   
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