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Rappel

4 forces fondamentales:

  • Gravitation
    • maintient les étoiles ensembles.
    • maintient les planètes en orbite autour du soleil.
  • Electro-magnétisme
    • maintient l’atome cohérent.
    • responsable de l’électricité et du magnétisme.
  • Interaction forte
    • maintient le noyau de l’atome entier (neutrons vs protons)
  • Interaction faible
    • responsable de la radioactivité.

La gravitation est trop faible pour qu’il soit possible d’unifier en une seule théorie ces 4 forces.

=> Conflit entre la théorie de la relativité et la mécanique quantique:

  • Relativité généraledécrit un Univers:
    • macroscopique
    • organisé
    • prévisible
  • Mécanique quantique décrit au niveau des particules un Univers:
    • microscopique
    • chaotique
    • imprévisible

Dans le modèle standard de la physique:

  • la mécanique quantique propose qu’il existe des particules messagèresqui sont responsables des 3 forces atomiques fondamentales:
    • électromagnétisme: les photons
    • interaction forte : les gluons
    • interaction faible: les bosons lourds
  • mais le modèle standard n’arrive pas à décrire la particule qui transmet la gravitation.

Théodore Kaluza

En 1919, un mathématicien allemand quasiment inconnu, Théodore Kaluza, a suggéré une idée extrêmement audacieuse et bizarre pour son époque:

  • Einstein a réussi à décrire la force de gravitation en terme de déformation et de courbes de l’espace-temps.
  • Il va tenter de faire une description similaire avec l’autre force connue: la force électro-magnétique:
    • Décrire le force électromagnétique en terme de déformations et courbes.
    • Mais des déformations et courbes de quoi?
    • Einstein avait déjà épuisé les déformations et courbes de l’espace et du temps pour décrire la force de gravitation.
    • Il n’y plus de dimensions disponibles à déformer ou courber.
  • Kaluza suggère alors que notre univers pourrait avoir en réalité plus de dimensions que les 3 dimensions de l’espace qu’on connaît:
    • Il pourrait donc y avoir des dimensions additionnelles qui d’une certaine manière on ne pourrait pas voir.
    • Pour décrire une force supplémentaire (en l’occurrence la force électro-magnétique), on aurait besoin d’une dimension supplémentaire.
    • => 4 dimensions de l’espace et plus 3.
    • Il imagina que la force électro-magnétique correspond à des courbes et déformation dans cette 4ème dimension.

Kaluza est confronté à 2 questions:

Question 1: où sont ces dimensions additionnelles?

  • Question résolue par Oscar Klein en 1926.
  • Klein propose deux types de dimensions:
    • Type 1: les grandes dimensions faciles à percevoir (3 dimensions de l’espace que l’on connaît + 1 dimension du temps).
    • Type 2: les dimensions infimeset enroulées sur elles-mêmes.
      • Des dimensions si petites, que bien qu’elles nous entourent, on ne les voit pas.
    • Exemple d’un long câbleobservé à longue distance – Si on imagine un câble vu de loin:
      • Pour l’observateur celui-ci ne représente qu’une droite.
        • Sans épaisseur.
        • Il semble très fin.
        • Un objet unidimensionnel.
      • Si on zoome, si l’on se rapproche assez près:
        • On voit qu’il a une certaine épaisseur.
        • On s’aperçoit qu’il y a bien une deuxième dimension.
          • Celle qui s’entoure autour du câble.
        • Des fourmis peuvent accéder à toutes les dimensions du câble:
          • Aller en avant et en arrière sur la longueur du câble.
          • Tourner autour du câble dans un sens ou dans un autre…=> nouvelle dimension
    • Au niveau microscopique de la structure de l’espace:
      • Il existerait des dimensions supplémentaires enroulées comme des petits anneaux.
      • Si on était des fourmis microscopiques on pourrait:
        • Marcher sur les dimensions classiques de notre espace spatial en 3d que l’on connaît.
        • Faire aussi le tour de ces infimes anneaux minuscules.

Question 2: Est-ce que cette théorie fonctionne?

  • Elle est confrontée à des problèmes.
  • Par exemple, on est pas arrivé à ce que la masse de l’électron s’intègre dans ce modèle.

La théorie des cordes

Elle n’a rien à voir avec les théorie des dimensions supplémentaires émises par Kaluza et Klein.
Mais on s’aperçoit qu’elle ressuscite leurs idées (dimensions).
La théorie des cordes tente de répondre à la question suivante:

  • Quels sont les éléments basiques, fondamentaux, indivisibles qui constituent le monde qui nous entoure?

Elle propose que les éléments élémentaires de la matière sont des brins d’énergie en oscillation semblable à des cordes:

  • Au plus profond de chaque particule, il existe des petits filaments d’énergie qui vibrent dans des dimensions additionnelles et que l’on ne peut pas observer, parce qu’elle sont courbées dans un espace trop petit.
  • Des cordes vibrantes infiniment petites, ouvertes ou fermées, qui composent toutes les forces et la matière de l’Univers
    • et non des particules ponctuelles comme le propose la mécanique quantique.
  • La matière au niveau fondamental serait donc constitué d’états vibrants, qui peuvent osciller selon différents schémas.
  • L’Univers serait donc construit d’un réseau constitué d’un nombre immense de minuscules filaments d’énergie en vibration.
  • Ce sont les modes d’oscillations de ces brins d’énergie vibrants qui décrivent les différentes particules de la matière:
  • Différents types de vibrations produisent différentes particules:
    • Bosons(force carriers – particules messagères)
      • gluon
      • photon (électro-magnétisme)
      • graviton (gravitation)
    • Fermions(supersymétrie => théorie des supercordes):
      • électron
      • quark
  • Et les particules sont responsable de la richesse du monde qui nous entoure et dans lequel on vit.

Ces dimensions supplémentaires seraient responsables de la vibration des cordes.

  • Sans ces dimensions supplémentaires, la théorie s’écroule.
  • La cohérence mathématique impose la présence de dimensions supplémentaires dans la théorie des cordes.

Le Graviton

Mais la théorie des cordes ne fonctionne pas dans un univers à 3 dimensions, ni à 4, ni à 5…

Les efforts des physiciens d’unir les différentes théories des cordes se voient avortés car deux calculs devant aboutir à la même réponse donnent des résultats différents!

Cependant un nouveau calcul mathématique démontre que le fait d’obtenir 2 résultats différents ne présente pas en sois une anomalie ni une incohérence (Schwartz, 1984).

  • Cette nouvelle découverte mathématique permet d’établir le maillon manquant:
    • une corde est une particule (mécanique quantique) étalée (relativité, selon Einstein l’espace-temps peut s’étirer).
    • le graviton est la particule qui représente au niveau quantique la modèle de gravitation d’Einstein.

Les 20 constantes de la Nature

Cette théorie ne s’applique pas seulement au graviton.

Quand les scientifiques observent le monde:

  • Il semble qu’il existe environ 20 nombres qui décrivent notre univers (la masse des particules, intensité des forces…).
  • 20 constantes fondamentales de la Nature.
  • Ils ont été mesurés avec précision.
  • Mais personne ne sait pourquoi ces nombres ont les valeurs particulières qu’ils ont.

Problème: Si ces valeurs qu’on connaît étaient autres, notre univers n’existerait pas !
Question:

  • Pourquoi ces nombres sont-ils si finement réglés pour permettre de donner naissance aux étoiles, au planètes, etc…?
  • Pourquoi ces nombres ont ces valeurs qui permettent l’existence de notre univers et pas d’ autres valeurs?

Réponse: La théorie des cordes suggère que les valeurs de ces 20 nombres sont liés aux dimensions extras

  • Les 20 nombres dépendent des vibrations des cordes:
    • Comme si on avait un plan quadrillé d’innombrables nœuds,
    • constitués de dimensions extras entre-mêlées.
    • Les dimensions supplémentaires se referment sur elle-mêmes.
    • Elles s’emmêlent avec des géométries très complexes.
    • Ces vibrations sont modulées par la géométrie des dimensions supplémentaires dans laquelle se déplace et évolue la corde.
  • Donc si on savait exactement à quoi ressemblent les dimensions supplémentaires (on ne le sait pas encore):
    • On serait capable de calculer les schémas de vibrations.
    • Et donc calculer la valeur de ces 20 constantes.
    • Et si la réponse que l’on obtient des calculs correspond aux valeurs observées pour ces nombres par les mesures et les expériences déjà effectuées.
  • On aurait la première explication fondamentale qui décrirait pourquoi la structure de l’univers est telle qu’elle est.

Théorie M

Plusieurs théories des cordes:

  • La théorie des cordes bosonique qui propose 26 dimensions spatiales.
  • La théorie des supercordes suggère l’existence de 6 nouvelles dimensions qui s’ajoutent aux 3 dimensions de l’espace et à celle du temps (10 dimensions au total).
  • Ces dimensions supplémentaires seraient responsables de la vibration des cordes.
  • Cependant 5 différentes variantesde la théorie des supercordes ont vu le jour:
    • Elles ont toutes la même validité théorique.
    • Toutes reposent sur les cordes et l’existence de dimensions supplémentaires.
    • Mais dans les détails elles ne s’accordent pas.
    • Certaines font états de cordes ouvertes, d’autres de cordes fermées
    • On a montré qu’il existerait de l’ordre de 10^500 théories des cordes possibles.
    • On a un “paysage” de théories plutôt qu’une théorie unique.

Seulement l’introduction du nouvelle dimension (la 11ème) a permis de réunir ces variantes au sein d’une seule et unique théorie, appelée la théorie M.

  • En fait, on s’est rendu compte que la théorie des supercordes fonctionne bien dans ce cas de figure particulier qui est celui de:
    • 10 dimensions spatiales
    • 1 dimension temporelle
  • Enoncée en 1995.
  • Elaborée par Edward Witten.
  • Elle regroupe toutes les différentes versions dans un cadre théorique plus large.
  • Elle assume que les différentes théories des cordes sont des solutions particulères dans un éventail de situations déterminées.
  • Elle démontre que les 5 théories des cordes déjà existantes ne sont en réalité que 5 manières de regarder la même chose.
  • Edward Witten a donné la lettre “M” à sa théorie
    • Pour permettre de choisir ultérieurement un nom plus approprié selon que sa théorie s’avère juste ou fausse.
    • Plusieurs interprétations selon les goûts : Magique, Mystérieuse ou Mystique, Mère…

Multivers

L’introduction de la 11ème dimension permet de représenter non pas un univers, mais décrit différents univers parallèles.
Elle introduit un nouveau type d’objet: les Membranes (Branes).

  • Il faut imaginer ces univers parallèles comme des membranes géantes qui cohabitent symphoniquement.
    • Certaines de ces membranes ou univers pourraient avoir les même lois physiques que le nôtre (contenir de la matières, des planètes…).
    • D’autres univers pourraient être régis par des lois physique totalement différentes.
  • Ces univers évolueraient dans les dimensions supplémentaires que décrit la théorie M.
  • A ces membranes sont rattachées des cordes vibrantes ouvertes et minuscules.
  • Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, l’univers formé par le tissu espace-temps peut s’étirer.
  • Selon la théorie M, les dimensions peuvent se courber, mais aussi se déchirer
    • et créer de cette manière des raccourcis qui peuvent relier un point d’une membrane avec un point d’une autre membrane (d’un univers vers un autre univers).

Le graviton, responsable de la force de gravitation, serait une corde vibrante fermée:

  • Elle n’a pas d’extrémité pour se rattacher à une membrane.
  • Elle est donc libre de s’échapper
  • De se transmettre d’un univers à un autre au moyen de ces raccourcis.
  • Il existerait un mode de vibration qui correspondrait à la gravitation à l’échelle microscopique, qui résoudrait enfin le problème de la gravitation quantique.
  • Ce modèle de graviton permet de résoudre le conflitqui oppose:
    • L’intensité infiniment grande des 3 forces atomiques (électromagnétisme, interaction forte et interaction faible).
    • L’intensité apparemment infiniment plus faible de la gravitation.
    • La gravitation serait aussi une force très importante, mais son intensité serait répartie entre plusieurs univers parallèles au moyen des gravitons qui passent d’une dimension à une autre.

BigBang

  • La théorie M permet aussi de mieux comprendre l’origine de l’univers, le fameux Big Bang.
  • Le Big Bang serait le résultat d’une collision entre différentes membranes dimensionnelles.
  • Ce qui laisse à penser que plusieurs Big Bang peuvent avoir eu lieu et d’autres à venir sont aussi envisageables.

Unification

La théorie des cordes semble donc unifier en une seule théorie unique M:

  • Toutes les lois de l’Univers et les 4 forces fondamentales (gravitation, électromagnétisme, interaction forte et interaction faible).
  • Elle pourrait décrire:
    • Non seulement n’importe que phénomène physique que nous observons dans l’Univers.
    • Mais aussi expliquer comment et pourquoi le Cosmos est tel qu’il est.

Mais la théorie des cordes possède aussi son talon d’Achille:

  • Aucune expérience ne peut la vérifier et la corroborer à des échelles aussi petites.
  • Physique expérimentale vs Physique théorique.
  • Les détracteurs diront que la physique se définit comme une science expérimentale basée sur l’observation.
  • La théorie des cordes est-elle donc de la physique ou plutôt une sorte de philosophie, un courant de pensée…?
  • Le framework très ouvert et polyvalent de la théorie des cordes permet d’ajuster un certain nombre de paramètres de manière à s’accommoder de pratiquement à n’importe quelle observation, connues ou à venir:
    • Il est toujours possible de modifier et adapter la théorie pour expliquer un nouveau phénomène.

LHC

Un des objectifs du nouvel accélérateur de particules du CERN (LHC):

  • Effectuer une collision de particules à de très hautes énergies qui pourrait éjecter des débrisde nos dimensions dans les autres dimensions.
    • Si la différence d’énergie avant la collision est plus grande que celle après la collision.
    • => une partie de l’énergie se serait égarée dans d’autres dimensions.
  • Tenter de prouver l’existence du gravitonen collisionnant à des très grandes vitesses des particules.
    • Graviton qui pourrait apparaître lors d’une collision.
  • Les expériences prévues pour ces prochaines années au CERN sont donc cruciales pour valider ou non cette nouvelle théorie M prometteuse d’unification des lois de l’Univers…
          • Multivers
  • L’introduction de la 11ème dimension permet de représenter non pas un univers, mais décrit différents univers parallèles.
  • Elle introduit un nouveau type d’objet: les Membranes (Branes)
    • Il faut imaginer ces univers parallèles comme des membranes géantes qui cohabitent symphoniquement.
      • Certaines de ces membranes ou univers pourraient avoir les même lois physiques que le nôtre (contenir de la matières, des planètes…)
      • D’autres univers pourraient être régis par des lois physique totalement différentes.
    • Ces univers évolueraient dans les dimensions supplémentaires que décrit la théorie M.
    • A ces membranes sont rattachées des cordes vibrantes ouvertes et minuscules.
    • Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, l’univers formé par le tissu espace-temps peut s’étirer.
    • Selon la théorie M, les dimensions peuvent se courber, mais aussi se déchirer
      • et créer de cette manière des raccourcis qui peuvent relier un point d’une membrane avec un point d’une autre membrane (d’un univers vers un autre univers).
  • Le graviton, responsable de la force de gravitation, serait une corde vibrante fermée:
    • Elle n’a pas d’extrémité pour se rattacher à une membrane.
    • Elle est donc libre de s’échapper
    • De se transmettre d’un univers à un autre au moyen de ces raccourcis.
    • Il existerait un mode de vibration qui corresponderait à la gravitation à l’échelle microscopique, qui résouderait enfin le problème de la gravitation quantique.
    • Ce modèle de graviton permet de résoudre le conflit qui oppose:
        • L’intensité infiniment grande des 3 forces atomiques (électromagnétisme, intéraction forte et intéraction faible).
        • L’intensité apparemment infiniment plus faible de la gravitation.
        • La gravitation serait aussi une force très importante, mais son intensité serait répartie entre plusieurs univers parallèles au moyen des gravitons qui passent d’une dimension à une autre.
  • BigBang:
    • La théorie M permet aussi de mieux comprendre l’origine de l’univers, le fameux Big Bang.
    • Le Big Bang serait le résultat d’une collision entre différentes membranes dimensionnelles proposées par la théorie.
    • Ce qui laisse à penser que plusieurs Big Bang peuvent avoir eu lieu et d’autres à venir sont aussi envisageables.


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Dossier: la théorie des cordes 2/2: bienvenue dans la 11e dimension!, 4.5 out of 5 based on 12 ratings
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