Nullius In Verba
  • Histoire de la Théorie des Cordes

    Posté le 12 janvier 2014

    Univers ElegantEst-ce que de minuscules brins d’énergie détiennent la clé d’une théorie unifiée de la physique ?

    Sur 13,8 milliards d’années, l’Univers s’est étendu et refroidi pour produire les étoiles, galaxies et planètes que nous voyons aujourd’hui. Si nous regardons le film cosmique à l’envers, tout ce que l’on voit s’éloigner maintenant se met à se rapprocher et l’Univers devient plus petit, plus chaud et plus dense à mesure que nous nous approchons du début des temps. Lorsque nous remontons au moment du Big Bang, quand l’Univers était à la fois extrêmement lourd et minuscule, les 2 théories qui expliquent notre monde s’effondrent : dès qu’on essaye de les combiner pour comprendre ce qui se passe à ce moment là, rien ne va plus. Il nous faut donc un moyen de combiner la relativité générale (infiniment grand et massif) et la mécanique quantique (infiniment petit).

    La théorie des cordes pourrait nous aider à unifier ces 2 théories et expliquer la nature de l’infiniment petit jusqu’à l’infiniment grand grâce à un ingrédient simple : de minuscules brins d’énergie vibrants appelés “cordes”.

    Pourquoi est-ce que la relativité générale et la mécanique quantique ne sont pas compatibles ?

    Pour décrire l’Univers à grande échelle nous utilisons la relativité générale qui explique le fonctionnement de la force gravitationnelle. Selon cette théorie, la courbure de l’Espace-temps est à l’origine de cette force. La Terre tourne autour du Soleil parce qu’elle suit la courbure du tissu de l’Espace-Temps créée par le Soleil. Tout se comporte de manière prévisible.

    Pour décrire l’Univers à une échelle extrêmement petite nous devons utiliser la mécanique quantique. Dans le monde de l’infiniment petit, l’Espace-Temps devient chaotique et si turbulent qu’il défie le sens commun : à cette échelle, l’Espace et le Temps sont tellement tordus et déformés que les idées de gauche et de droite, de haut et de bas et même d’avant et après n’ont plus aucun sens. Il n’y a aucun moyen d’être certain que l’on soit ici ou là ou à 2 endroits à la fois, ni même si l’on est arrivé ici avant d’arriver là.

    Les fluctuations de l’Espace-Temps prédites par la mécanique quantique sont en conflit direct avec le modèle géométrique lisse et ordonné décrit par la relativité générale. Mais les physiciens pensent que tout, de la danse frénétique des particules subatomiques jusqu’aux tourbillons majestueux des galaxies, doit pouvoir s’expliquer par un seul grand principe physique, une seule équation.

    La relativité générale décrit la force qui nous est la plus familière : la force gravitationnelle. La mécanique quantique décrit les 3 autres forces : la force nucléaire forte qui est responsable de la cohésion des protons et des neutrons à l’intérieur des atomes; l’électromagnétisme, qui produit la lumière, l’électricité et l’attraction magnétique; et la force nucléaire faible qui est responsable de la désintégration radioactive. Einstein a passé 30 ans de sa vie à chercher un moyen d’unifier les forces de la nature en une seule théorie, et la théorie des cordes pourrait bien réaliser ce rêve d’unification.

    Theorie des cordes - Espace-temps

    Pendant des siècles, les scientifiques ont décrit les ingrédients fondamentaux de la nature (les particules élémentaires) comme étant de minuscules boules ou points. Mais la théorie des cordes affirme qu’au coeur de la matière se trouvent de minuscules brins d’énergie vibrants appelés cordes. De nombreux scientifiques pensent que ces cordes sont la clé de l’unification de l’infiniment grand et de l’infiniment petit en une seule théorie.

    L’idée est séduisante mais tout le monde ne l’aime pas : pour le moment, aucune expérience n’a pu prouver que ces minuscules cordes existent.

    Depuis le début, de nombreux scientifiques pensaient que la théorie des cordes était trop bizarre. Et la façon dont cette théorie a évolué l’a fait paraitre encore plus improbable.

    A la fin des années 1960, le jeune physicien italien Gabriele Veneziano cherchait un jeu d’équations qui pourrait expliquer la force nucléaire forte qui maintient le noyau de chaque atome en liant les protons et les neutrons. D’après ce qu’on raconte, c’est dans un vieux livre sur l’histoire des mathématiques qu’il découvrit une équation vieille de 200 ans écrite par le mathématicien Suisse Leonhard Euler. Veneziano fut stupéfait de découvrir que les équations de Euler, que l’on pensait n’être rien d’autre qu’une curiosité mathématique, semblaient décrire la force nucléaire forte. Suite à cela il publia rapidement un article qui le rendit célèbre pour cette découverte “accidentelle”.

    Veneziano explique qu’il lit de temps en temps que ce modèle a été inventé par hasard ou a été découvert dans un livre de mathématiques, ce qui ne lui plait pas beaucoup. Ce qui est vrai est que c’était le résultat d’une longue année de travail, et qu’ils ont découvert accidentellement la théorie des cordes.

    Quoi qu’il en soit, l’équation de Euler qui expliquait miraculeusement la force nucléaire forte a donné naissance à la théorie des cordes. Passant de collègues en collègues, cette équation a fini sur le tableau noir d’un jeune physicien américain : Leonard Susskind. Après plusieurs mois de travail il découvrit qu’elle décrivait une sorte de particule qui avait une structure interne qui pouvait vibrer, qui n’était pas un simple point. Il réalisa qu’il s’agissait d’une corde élastique, un peu comme un élastique (ou un élastique coupé en 2) qui pouvait non seulement s’étirer et se contracter mais également se tortiller.

    Alors que Leonard Susskind était fier de lui et quasiment sûr que l’article qu’il envoya pour publication allait lui valoir le titre de “nouvel Einstein”, il fut rejeté avec pour note : “Cet article n’est pas très bon et ne devrait probablement pas être publié”.

    Pendant ce temps, la science traditionnelle considérait les particules comme des points et pas des cordes. Pendant des décennies, les physiciens ont étudié le comportement des particules en les faisant entrer en collision à haute vitesse. Dans les pluies de particules produites ils découvraient que la nature était beaucoup plus riche qu’ils ne le pensaient : on découvrait une nouvelle particule tous les mois (le méson Rho, la particule B, B1, B2, Phi, Omega…). C’était une véritable explosion de découvertes.

    Pluie de particules
     
    Laissant la théorie des cordes dans la poussière, les physiciens ont également fait une prédiction surprenante et étrange : les forces de la nature peuvent aussi être expliquées par des particules, appelées “particules messagères”. Plus l’échange de ces particules est important, plus la force est importante. Les expériences ont par la suite confirmé l’existence de ces particules avec la découverte des particules messagères de l’électromagnétisme et des forces nucléaires forte et faible. Cette découverte rapprochait les scientifiques de l’unification des forces : aux premiers instants après le Big Bang, lorsque l’Univers était des milliards de degrés plus chaud, les particules messagères de l’électromagnétisme et de la force faible auraient été impossibles à distinguer. Tout comme les glaçons d’un verre d’eau fondent au Soleil, des expériences ont montré qu’à cette époque de conditions extrêmement chaudes les forces nucléaires faible et électromagnétique se fondaient en une seule force appelée force électrofaible. Les scientifiques pensent que si l’on remonte encore plus près du Big Bang, la force électrofaible s’unit à la force nucléaire forte en une super force. Bien que cette preuve reste encore à faire, la mécanique quantique a pu expliquer comment les 3 forces opèrent au niveau subatomique.

    Les inventeurs du Modèle Standard ont reçu prix Nobel après prix Nobel, mais derrière ce succès se trouvait une omission flagrante. Malgré le fait que le Modèle Standard expliquait 3 des forces qui règnent dans le monde de l’infiniment petit, il n’incluait pas la force qui nous est la plus familière : la force gravitationnelle.

    La plupart des physiciens ont complètement lâché la Théorie des Cordes en se disant : “Ok, c’était une théorie très élégante mais qui n’avait rien à voir avec la nature”. Pendant ce temps, les pionniers de la théorie continuaient leur travail. Mais plus ils passaient du temps à approfondir les choses, plus ils rencontraient de problèmes. Un des problèmes était une particule appelée Tachyon, qui voyagerait plus rapidement que la lumière. Il y avait aussi le fait que la théorie exigeait 10 dimensions. Il y avait également une particule sans masse qui n’avait pas été détectée expérimentalement.

    En 1973, seulement quelques physiciens continuaient leur lutte pour comprendre les équations obscures de la Théorie des Cordes. John Schwarz était un de ceux là. Pendant 4 ans, il a essayé de dompter les équations en les changeant, ajustant, combinant et recombinant de différentes manières, mais rien ne fonctionnait. Sur le point d’abandonner, Schwarz a eu un éclair de génie : peut-être que ces équations décrivaient la force de gravitation. Mais cela signifiait reconsidérer la taille de ces minuscules brins d’énergie.

    En supposant que les cordes étaient des centaines de milliards de milliards de fois plus petites qu’un atome, un des vices de la théorie est devenu une vertu. La mystérieuse particule dont John Schwarz essayait de se débarrasser semblait être un graviton, la particule qui transmettrait la force gravitationnelle au niveau quantique. La Théorie des Cordes venait de produire la pièce manquante du puzzle du Modèle Standard. Schwarz a alors soumis sa découverte pour publication mais il n’y a eu aucune réaction de la communauté scientifique. Malgré cela il ne se laissa pas dissuader de continuer ses recherches et a été rejoint par Michael Green, un des seuls autres scientifiques à bien vouloir risquer sa carrière sur la Théorie des Cordes. Ils avaient confiance sur le fait que la théorie était correcte et cela importait peu si les gens ne le voyait pas encore car ils s’en rendraient compte plus tard.

    Graviton

    Dans les années 1980, la théorie comportait encore des failles mathématiques appelées “anomalies”. Elle en était criblée et il fallait trouver un moyen de s’en débarrasser. Après que Green et Schwarz se soient battus avec ces anomalies pendant 5 ans, leur travail a abouti dans une nuit de l’été 1984. Ils disposaient désormais d’une théorie sans aucune anomalie qui décrivait la gravitation et les 3 autres forces. Mais étant donné qu’après chacune de leurs réussites il n’y avait eu aucune réaction de la communauté, ils ne s’attendaient pas à grand chose. Et pourtant, la réaction fut explosive cette fois-ci. En moins d’un an, le nombre de physiciens dédiés à la théorie des cordes est passé d’une poignée à une centaine. La Théorie des Cordes fut baptisée “Théorie du Tout“ car elle semblait capable de décrire tous les éléments fondamentaux de l’Univers.

    Voici comment : Chaque grain de sable est composé de milliards d’atomes. Chaque atome est constitué d’un noyau constitué de protons et de neutrons (eux-mêmes constitués de quarks) autour desquels orbitent des électrons. La Théorie des Cordes stipule que les choses ne s’arrêtent pas là et que les particules fondamentales sont constituées de brins d’énergies en vibration. Ces cordes sont tellement petites que si l’on agrandissait un atome à la taille du système solaire, une corde ne serait pas plus grande qu’un arbre.

    L’idée clé est que, tout comme les fréquences d’une seule corde de violon peuvent créer plusieurs notes de musique, les différentes vibrations des cordes donnent aux particules leurs propriétés uniques (telles que leur masse et leur charge). Par exemple, la seule différence entre les particules qui nous constituent et les particules qui transmettent la force gravitationnelle et les autres forces est la manière dont vibrent ces minuscules cordes.

    Composé d’un énorme nombre de ces cordes vibrantes, on peut voir l’Univers comme une majestueuse symphonie cosmique. Et cette élégante idée résout le conflit entre l’agitation imprévisible de l’Espace à l’échelle subatomique et la régularité de l’Espace à grande échelle.

    Ce que fait la Théorie des Cordes, en remplaçant les particules ponctuelles par des cordes, c’est calmer l’agitation quantique en la rendant suffisamment moins violente pour pouvoir accorder parfaitement la mécanique quantique avec la relativité générale.

    C’est un triomphe des mathématiques. Mais il est difficile de prouver expérimentalement l’existence de ces cordes, et, ce qui rend la théorie encore plus difficile à prouver est qu’elle requiert quelque chose qui semble sortir tout droit de la science-fiction : des dimensions supplémentaires d’Espace. Des dimensions qui viennent s’ajouter aux 3 que l’on connait déjà (haut-bas, gauche-droite et avant-arrière) plus la dimension de temps. Aussi incroyable que cela puisse paraitre, cette idée de dimensions d’Espace supplémentaires remonte à il y a plus d’un siècle.

    En 1919, le mathématicien allemand Theodor Kaluza a eu le courage de défier l’évidence en suggérant que, peut-être, l’Univers comportait une dimension de plus, une dimension qui n’était pas visible. Il envoya cette idée à Einstein, qui était assez enthousiaste au départ mais s’est mis à hésiter, ce qui a mis en suspend l’article de Kaluza pendant 2 ans avant qu’il ne soit finalement publié. Son idée était que, tout comme la gravité est produite par la déformation et les ondulations de l’Espace-Temps, la force électromagnétique pourrait également être produite par des ondulations. Mais il avait besoin d’un endroit où elles pourraient se propager. Kaluza a alors proposé une dimension supplémentaire d’Espace qui serait cachée. Mais s’il avait raison, où se trouve-t-elle ? Le scientifique suédois Oskar Klein suggéra une réponse inhabituelle.

    En regardant un câble de loin on ne peut pas voir son épaisseur : il ressemble à une ligne, quelque chose à une seule dimension. Si nous nous approchons assez près de ce câble, comme du point de vue d’une fourmi, une 2ème dimension devient visible. De son point de vue, la fourmi peut se déplacer en avant et en arrière mais également dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Les dimensions existent donc en 2 variétés : elles peuvent être longues et étendues comme la longueur d’un câble mais elles peuvent également être minuscules et recroquevillées comme la direction circulaire qui s’enroule autour du câble.

    Kaluza et Klein ont fait la suggestion que le tissu de notre Univers pourrait être comme la surface d’un câble, possédant à la fois des dimensions étendues et des dimensions minuscules recroquevillées d’une taille des milliards de fois plus petite qu’un atome. Elles seraient présentes en chaque point de l’Espace, et, tout comme une fourmi peut explorer la dimension enroulée d’un câble, il serait en théorie possible à une fourmi suffisamment petite (des milliards de fois plus petite) d’explorer cette dimension circulaire.

    L’idée que les dimensions supplémentaires existent tout autour de nous est au coeur de la Théorie des Cordes. En fait, les mathématiques de cette théorie n’exigent pas une mais 6 dimensions supplémentaires, tordues et enroulées en une forme complexe appelée « Variété de Calabi-Yau ».

    Calabi-Yau

    Comment ces minuscules dimensions supplémentaires recroquevillées dans une telle forme peuvent-elles avoir un effet dans notre vie de tous les jours ? Eh bien, selon la Théorie des Cordes, la forme est d’une importance capitale. A cause de sa forme, une trompette peut produire des sons différents. Lorsque vous pressez une touche, vous changez la note parce que vous modifiez l’espace à l’intérieur de l’instrument où l’air résonne. Les dimensions enroulées fonctionnent de manière similaire. La façon dont les dimensions supplémentaires sont enroulées les unes sur les autres influence la manière dont les cordes, ingrédients fondamentaux de l’Univers, se déplacent et vibrent. Les vibrations qui en résultent produisent les photons, les électrons et toutes les autres particules.

    Vers le milieu des années 1980, il semblait bien que rien ne puisse arrêter la Théorie des Cordes. Mais dans les coulisses, la situation était assez confuse : au cours des années, les théoriciens des cordes n’ont pas mis au point une mais 5 différentes versions de la théorie. Chacune d’entre elle se basait sur des cordes et des dimensions supplémentaires mais dans les détails les 5 théories n’étaient pas en harmonie. Dans certaines versions les cordes étaient des brins ouverts alors que dans d’autres elles étaient de boucles fermées. A première vue, certaines d’entre elles requerraient même 26 dimensions. Ces 5 versions paraissaient toutes valables mais laquelle décrivait notre Univers ?

    Frustrés par un manque de progrès, beaucoup de physiciens abandonnèrent la théorie.

    La Théorie des Cordes se révèlera-t-elle être une “Théorie du tout” ou bien une “Théorie de rien” ?

    La suite dans un prochain article.

    Source : PBS Nova / The Elegant Universe

     

    2 réponses à “Histoire de la Théorie des Cordes” Icône RSS

    • Bonjour,

      Juste un petit commentaire sur la conclusion de cette premiere partie d’article,

      Je pense que vous ne devriez pas faire 2 articles, toute l’histoire de cette theorie devrait se retrouver au meme endroit au meme moment.

      Si je ne connaissais pas un peu cette extraordinaire theorie, je n’aurai pas envie de lire la suite dans un autre article. La fin de cet article ne nous donne pas du tout envie de continuer.

      Bravo de nous partager toutes ces infos.

      Eric

    • Bonjour,

      Merci pour votre commentaire. En fait, il n’y a pas 2 mais 3 articles (le 3ème arrive très bientôt). C’était beaucoup trop long pour tout caser en un seul article. Personne n’aurait lu jusqu’au bout.


    1 Trackbacks / Pingbacks

    Laisser une réponse