Théorie des cordes: un rêve qui ne se matérialise pas

2023/12/01 Erguin Dorronsoro, Aitor - Ingeniari elektronikoa Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

Depuis de nombreuses années, nous entendons la théorie des cordes (string theory en anglais). Il a été considéré comme la dernière destination de la physique théorique, une théorie qui va affleurer les lois physiques les plus profondes de la nature.

En physique théorique, le modèle standard et la relativité générale sont les deux principales théories aujourd'hui testées expérimentalement. Le premier décrit le monde microscopique et quantique; le second décrit l'interaction gravitationnelle que le second interagit à l'échelle astronomique. Les physiciens essaient depuis des décennies d'unir les deux théories à la recherche de ce que serait la théorie de tout, et la théorie des cordes est celle qui suscite le plus d'intérêt dans cette recherche.

Neuf dimensions spatiales

La théorie des cordes est structurée dans les années 1980. Depuis lors, il a subi deux révolutions et est en constante évolution, mais repose essentiellement sur des cordes unidimensionnelles beaucoup plus petites que des protons et des électrons. Ces cailles seraient le seul élément indispensable de toute la matière. Les cordes donneraient et selon la fréquence de cette vibration, chaque corde vibre une ou plusieurs particules élémentaires (électrons, gravitons, neutrinos, etc.). l'imaginerait. C'est-à-dire qu'un électron ne serait qu'une corde qui vibre à une fréquence précise.

Cependant, la théorie des cordes a un problème. La description des cordes donne des résultats absurdes s'ils sont exprimés en trois dimensions spatiales; mathématiquement, une théorie appropriée exige que les cordes vivent dans neuf dimensions spatiales. Où sont ces dimensions si nous n'avons que trois dans notre quotidien? Car on dit que les six dimensions manquantes sont enroulées en elles-mêmes. Par analogie, on entend ce que cette spirale signifie le mieux.

Une fourmi vit à la surface d'un tube d'eau du jardin. La marche de la fourmi se produit en deux dimensions: avant et arrière du tuyau et droite gauche. Si elle agit à droite ou à gauche, elle commencera à tourner dans la circonférence du tuyau et, si la direction est maintenue, elle reviendra à la même position initiale. Supposons que maintenant la fourmi a une lumière rouge sur le dos et que depuis le toit d'une maison de 10 mètres de haut nous regardons le cours de la fourmi. De cette distance, l'épaisseur du tube n'est pas visible, donc la marche à droite de la fourmi n'est pas visible. Pour sa part, l'avancement et le recul se font le long du tube, donc il se distingue (Figure 1).

Selon la théorie des cordes, les êtres humains vivent sur le toit de l'analogie supérieure. Bien qu'une seule dimension soit observée sur le toit, la nature présente trois dimensions. Mais comme dans le cas de la fourmi il y a une dimension enroulée supplémentaire sur une échelle plus petite, qui pour elle est la gauche et la droite, dans la nature il y aurait aussi six dimensions spirales microscopiques, si petites que nous ne pouvons pas mesurer ou observer.

Supersymétrie

Mathématiquement robuste et pour beaucoup la théorie des cordes est belle, et la beauté a beaucoup de valeur pour juger de nouvelles théories. Mais, en plus de beau, une théorie doit faire des prédictions vérifiables pour être acceptée par les physiciens, et c'est là le principal problème de la théorie des cordes. En 40 ans, il n'y a pas eu d'observations ou d'expériences qui compromettent la théorie des cordes. Les ondes gravitationnelles annoncées par la relativité générale ont été observées pour la première fois 100 ans plus tard, nous sommes donc encore à temps pour juger la théorie des cordes. Le problème est que nous n'attendons pas une meilleure technologie pour faire des observations, mais que la théorie même des cordes n'est pas en mesure de réaliser des prédictions concrètes qui peuvent être vérifiées expérimentalement. Elle est loin d'être une théorie formelle et complète et, dans la mesure où elle n'a pas de formulation concrète, elle ne peut pas donner de prédictions sur la nature.

En plus de neuf dimensions, pour avoir du sens, les physiciens ont besoin d'une caractéristique appelée supersymétrie. Si la nature possède cette caractéristique, chaque particule de base que nous connaissons actuellement devrait avoir une paire supersymétrique. Par exemple, le couple supersymétrique de l'électron serait le sélectron. On s’attendait à ce que des particules supersymétriques soient présentes parmi les agneaux lors des dernières expériences du LHC (Large Hadron Collider, un gigantesque accélérateur de particules à Genève), comme le boson Higgs est apparu en 2012. Les résultats n'ont cependant pas donné de signes de ces particules et la recherche de la supersymétrie est en attente d'expériences plus énergiques.

Principe anthropique et multiverseux

On espérait que la théorie des cordes allait publier les vérités les plus profondes sur la nature, qui répondrait à des questions que le modèle standard ne peut pas expliquer, comme pourquoi l'électron a la masse et non une autre. Au fil des ans, au fur et à mesure que la théorie se développe, il semble s'éloigner de la prévision concrète de la nature. Les dernières recherches ont montré comment ce beau mécanisme mathématique de la théorie des cordes est capable de construire des lois physiques complètement différentes de la nature. Autrement dit, si la théorie des cordes se développait complètement, les lois physiques qu'elle annoncerait ne seraient pas seulement celles que nous voyons aujourd'hui (compatibles avec le modèle standard et la relativité générale), mais que, selon la manière dont ses dimensions spatiales s'enroulent, elle aurait la capacité de prévoir n'importe quelle loi physique (figure 3). Autrement dit, il est capable de donner comme résultat nos lois physiques, mais il est également capable de donner comme résultat des lois physiques différentes d'un autre univers hypothétique. C'est ce qu'on appelle le paysage des cordes (string landscape) et c'est aujourd'hui un sujet important de recherche.

Si la théorie des cordes peut donner une bonne loi physique, pourquoi l'univers a-t-il des lois physiques que nous percevons et non d'autres ? En définitive, tous sont acceptables dans la théorie des cordes.

Ce problème existait déjà avant la théorie des cordes. Pourquoi avez-vous, par exemple, la force de gravité et pas une autre? Si elle avait plus de force, après le Big Bang, toute la matière serait compactée plus rapidement et il n'y aurait pas de galaxies et de planètes. S'il avait une force légèrement inférieure, cette matière se disperserait plus rapidement et alors aucune galaxie ne se produirait. Pourquoi avez-vous assez de force pour permettre la formation de galaxies, de planètes et d'êtres humains? La plupart des physiciens souhaiteraient trouver la réponse dans les lois physiques les plus profondes, où il y avait des raisons physiques ou mathématiques pour déterminer la force gravitationnelle. Mais il y a une autre possibilité, le soi-disant principe anthropique, qui dit qu'il est impossible d'avoir une force gravitationnelle différente, car dans ce cas, il n'y aurait pas d'êtres humains qui l'observent et le mesurent. Autrement dit, si une force de gravité déterminée est nécessaire pour avoir un univers humain, cette force de gravité sera mesurée dans l’univers dans lequel ils se trouvent.

De nombreux adeptes de la théorie des cordes optent pour le principe anthropique. Les cordes peuvent expliquer de nombreux univers différents, mais les lois physiques que nous pouvons voir sont des lois qui permettent aux êtres humains d’être vivants et non d’autres. Certains physiciens prétendent que cette attitude est de se résigner à la recherche des lois physiques les plus profondes; que la théorie des cordes n'étant pas arrivée aux résultats attendus initialement, n'ayant pas trouvé les lois physiques de base, c'est de laisser l'explication de notre nature selon le principe anthropique.

Ces dernières années, on a également donné une explication scientifique de l'utilisation du principe anthropique. L'un d'eux est multiverset, où notre univers ne serait que l'un des millions d'autres univers. En combinant la théorie des cordes, l'incertitude de la mécanique quantique et les théories les plus récentes sur l'inflation cosmique, certains scientifiques pensent qu'il est théoriquement possible de créer d'autres univers d'un univers, avec des lois physiques similaires mais non identiques. Ainsi se produirait un processus entre univers semblable à la théorie de l’évolution des êtres vivants et le résultat serait des millions d’univers, dans lesquels chacun aurait des lois physiques différentes. Dans cette perspective s’insère facilement le principe anthropique: s’il y a différents univers avec des lois différentes, nous serons évidemment dans l’univers qui a des lois qui permettent aux êtres humains.

Nécessité de nouvelles théories

En plus de sa beauté mathématique et de sa capacité à décrire tout univers possible, la théorie des cordes manque un pronostic vérifiable. Jusqu'à ce que l'on annonce quelque chose qui n'a pas été observé jusqu'à présent ou qu'on explique un effet qui a déjà été observé mais que nous ne sommes pas en mesure d'expliquer pour le moment, la théorie des cordes ne sera qu'une idée incomplète, peut-être complètement erronée quant à la description de la réalité.

De nombreux scientifiques demandent pourquoi il continue à susciter tant d'intérêt quand il n'a pas fait un seul pronostic en 40 ans et qu'il ne sera jamais en mesure de faire des prévisions. Une des réponses est qu'il n'y a pas d'alternative réelle. Il y a le domaine de la gravité quantique, qui vise à quantifier la gravité pour l'intégrer dans la mécanique quantique et la traiter avec d'autres forces du modèle standard dans le même formalisme, mais il n'y a pas beaucoup d'autres idées pour aller au-delà du modèle standard.

Les plus critiques sont en faveur de rejeter complètement la théorie des cordes. Ils disent que le programme est complètement épuisé et qu'il n'obtiendra jamais de résultats, et pourtant il attire les meilleurs jeunes physiciens. La faute de poursuivre les recherches est imputable au système universitaire: étant donné que les chefs des départements de physique théorique actuels sont tournés dans la théorie des cordes, arrêter de rechercher les cordes serait renoncer à toute leur carrière de recherche et consacrer la plupart des bourses et des aides à des sujets liés aux cordes.

La théorie des cordes suit son cours et restera longtemps. Comme nous ne savons jamais que vous serez en mesure d'expliquer notre nature, il est impératif de ne pas manquer d'explorer d'autres voies. On ne peut pas savoir quand et comment une idée folle et innovante apparaîtra qui aura la capacité de répondre aux mystères et aux questions que nous avons encore.

Bibliographie

1. Greene, Brian. 2003. The elegant universe: superstrings, hidden dimensions, and the quest for the ultimate theory. New York / London: W. W. Norton.
2. Woit, Peter. 2006 Not wrong. London: Jonathan Cape.
3. Susskind, Leonard. 2006 Le cosmic landscape. New York : Hachette Book Group.
4. Kinney, Will. 2022. An infinity of worlds: cosmic inflation and the beginning of the universe. Cambridge, Massachusetts: The MIT Press.
5. Mukhi, Sunil. 2011 “String theory: a perspective over the last 25 years”. Classical and Quantum Gravity, 28. 153001.

    

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