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  • Théorie M : Bienvenue dans la 11ème dimension

    Posté le 16 janvier 2014

    Univers-Elegant-03Cet article est le 3ème et dernier de la série sur la Théorie des Cordes. Je vous recommande de lire les 2 premiers articles avant de lire celui-ci
    Le Saint Graal de la Physique Théorique [1ère partie]
    Histoire de la Théorie des Cordes [2ème partie]

    La Théorie des Cordes, comme vous avez pu le lire dans le précédent article, avait le potentiel pour devenir la “Théorie du Tout”. Mais l’enthousiasme des physiciens semblait être allé trop loin car ils n’avaient pas produit une seule mais 5 Théories des Cordes différentes.

    Comment une théorie qui se voulait une théorie de l’unification pouvait se retrouver en 5 versions différentes ? Alors que l’on croyait être arrivé dans une impasse, un physicien nommé Ed Witten, considéré comme l’un des plus grands physiciens au monde, a révolutionné la Théorie de Cordes lors de la conférence annuelle Strings 95.

    Ed Witten a scotché tout le monde car il a offert une nouvelle perspective sur la théorie. De son point de vue, on pouvait se rendre compte que ce qu’on avait sous les yeux n’était pas vraiment 5 théories différentes : comme les reflets dans un mur de miroirs, ce que nous pensions être 5 théories s’est avéré être simplement 5 différentes manières de regarder la même chose.

    Theorie M

    Edward_Witten

    Le travail de Witten a déclenché une percée si révolutionnaire qu’on lui a donné son propre nom : on l’appelle la “Théorie M”.

    Le discours de Witten a renouvelé l’espoir qu’on se trouvait bien sur le chemin d’une théorie du tout. Mais il y avait un prix à payer : alors que la théorie des cordes comportait 10 dimensions au total (3 d’espace et une de temps que l’on connait + 6 dimensions enroulées en chaque point de l’Espace) la Théorie M exige une 11ème dimension.

    Nous ne voyons que 3 dimensions dans notre vie de tous les jours : gauche/droite, haut/bas, avant/arrière. Il semble donc plutôt difficile (voir impossible) de se faire une idée de ce que peuvent être des dimensions supplémentaires.

    Quand vous regardez un film vous avez l’impression que les personnages sont en 3 dimensions, mais en fait ils sont affichés sur un écran qui lui est à 2 dimensions. Il n’y a pas d’avant/arrière sur un écran. Pour que les personnages se déplacent dans la dimension avant/arrière il faudrait qu’ils sortent de l’écran.

    Les dimensions sont les différentes directions indépendantes dans lesquelles vous pouvez vous déplacer. On les appelle parfois “degrés de liberté”. Plus il y a de dimensions, plus il y a de degrés de liberté, et plus vous pouvez faire de choses. Et avec 11 dimensions, les cordes peuvent faire beaucoup de choses.

    Des physiciens ont découvert assez rapidement que les objets qui vivaient dans ces théories des cordes n’étaient pas seulement des cordes mais étaient plus grandes que ça et ressemblaient à des membranes ou surfaces. La dimension supplémentaire ajoutée par Witten permet à une corde de s’étendre en une membrane, ou brane pour faire court. Une brane peut être tri-dimensionnelle ou plus. Et avec suffisamment d’énergie une brane peut atteindre une taille énorme, peut-être même de la taille de notre Univers.

    Theorie_M-Brane

    Il s’agissait d’une révolution car l’existence de membranes géantes et de dimensions supplémentaires ouvrait une nouvelle possibilité surprenante : que notre Univers soit en fait une membrane dans un espace à dimensions plus élevées que les 3 que nous connaissons. Il se pourrait bien que d’autres Univers, des Univers parallèles, soient juste à côté du notre.

    C’est une idée forte car elle pourrait nous aider à résoudre l’un des plus grands mystères de la science moderne : le fait que la force gravitationnelle soit si faible par rapport aux autres forces. Dans notre vie quotidienne on pourrait penser que la gravité est une force très forte mais ça n’est pas le cas. La gravité nous maintient les pieds sur terre et maintient la Terre en orbite autour du Soleil mais en fait il est très facile de l’emporter sur la gravité. Alors que la gravité de la Terre entière tire une pomme que l’on tient dans sa main vers le bas, les muscles de nos bras sont assez forts pour la contrebalancer.

    La force électromagnétique est beaucoup plus forte que la force gravitationnelle. Pour vous en rendre compte il suffit d’imaginer un aimant qui soulève sans difficulté une pièce métallique. La force électromagnétique est en réalité des milliards de milliards de fois plus forte : 1039 fois plus forte.

    La faiblesse de la gravitation par rapport à l’électromagnétisme a déconcerté les physiciens pendant des décennies mais maintenant, grâce à la Théorie des Cordes et ses membranes et dimensions supplémentaires, il y a une toute nouvelle manière de regarder ce problème : il se pourrait que la force de gravitation soit aussi forte que l’électromagnétisme mais que nous ne puissions pas sentir sa force.

    Gravitation_electromagnetisme

    Imaginez une table de billiard. Imaginez que sa surface représente notre Univers et que les boules de billiard sont des atomes et particules qui composent notre Univers. Les atomes et particules resteront toujours sur notre membrane d’Univers tout comme les boules de billiard restent sur la surface de la table (à moins que vous soyiez un très mauvais joueur). Lorsque les boules s’entrechoquent, quelque chose s’échappe de la surface de la table, ce sont les ondes sonores. C’est pour cela que l’on entend le bruit. L’idée est que la force gravitationnelle pourrait se comporter comme les ondes sonores sur cette table : elles pourraient ne pas être confinées à notre membrane d’Univers.

    Mais pourquoi la force gravitationnelle serait-elle différente des autres forces ? La Théorie des Cordes, ou Théorie M, nous apporte une réponse. Et cela un rapport avec la forme des cordes.

    Pendant des années, les physiciens se sont concentrés sur des cordes qui étaient des boucles fermées, comme des élastiques. Mais après la Théorie M, ils ont tourné leur attention vers d’autres types de cordes. Ils pensent maintenant que tout se qui se trouve autour de nous, comme la matière et la lumière, est fait de cordes ouvertes dont les extrémités sont attachées à notre membre tri-dimensionnelle.

    Cordes_attachees

    Mais les boucles fermées existent, et un certain type est responsable de la force de gravitation. Il s’agit du graviton. Avec des boucles fermées il n’y a aucune attache ce qui fait que les gravitons sont libres de s’échapper dans d’autres dimensions, diluant ainsi la force de la force gravitationnelle et la faisant paraître plus faible que les autres forces de la nature.

    Graviton-Theorie_M

    Cela suggère une possibilité fascinante : si nous vivons sur une membrane et qu’il y a des univers parallèles près de nous, nous ne pourrons jamais les voir, mais peut-être qu’un jour nous pourrons les “sentir” par l’intermédiaire de la gravitation.

    Si jamais il y avait de la vie intelligente sur une autre membrane (un Univers parallèle), cette vie intelligente pourrait être très proche de nous. Donc, théoriquement, nous pourrions communiquer avec cette vie intelligente en échangeant des onde gravitationnelles intenses. Alors, qui sait ? Peut-être qu’un jour nous pourrons développer une technologie permettant de communiquer grâce aux ondes gravitationnelles.

    Nous ne savons pas si les univers parallèles pourraient avoir un impact sur nous. Mais il y a une idée très controversée selon laquelle ils auraient joué un rôle majeur.

    Au début des temps, l’Univers tel que nous le connaissons était extrêmement minuscule. Et puis, soudainement, il s’est mis à s’étendre au cours d’un évènement que l’on connait sous le nom de Big Bang. Le Big Bang a étiré le tissu de l’Espace et a déclenché une chaine d’évènements qui nous a conduit à l’Univers dans lequel nous vivons. Mais il y a toujours eu quelques problèmes avec la théorie du Big Bang.

    Big_Bang

    Premièrement, lorsque vous imaginez l’Univers tout entier compressé en un point de taille infinitésimale, d’une densité extrême, nos lois de la physique s’effondrent : elles n’ont tout simplement plus aucun sens.

    Les formules que nous utilisons commencent à donner des réponses absurdes. En plus de cela, il y a le Big Bang lui-même. Les améliorations de la théorie du Big Bang suggèrent des explications pour le “Bang”, mais aucune d’entre elle ne permet de nous ramener au moment exact où tout a commencé.

    Tout le monde admet qu’il y a des problèmes. La question est “Est-ce que la Théorie des cordes peut les résoudre ?”. Certains théoriciens des cordes ont suggéré que le Big Bang n’était pas le commencement de tout, que l’Univers a pu exister bien avant, et même depuis toujours. Tout le monde n’est pas à l’aise avec cette idée.

    Quelle est l’explication ? Et si la Théorie des Cordes était correcte et que nous vivions sur une membrane (brane) géante située dans un espace de plus haute dimension ? Certains scientifiques ont proposé que l’énigme du Big Bang résidait dans le mouvement de ces branes géantes.

    Theorie_M-Univers_branes

    La brane-univers sur laquelle nous vivons pourrait entrer en collision avec une autre brane-univers flottant à côté d’elle dans une dimension supérieure. Selon cette idée, peu de temps avant le Big Bang, 2 branes transportant 2 univers parallèles ont dérivé l’une vers l’autre jusqu’à ce qu’elles entrent en collision. Toute cette énergie doit bien aller quelque part. Où se propage-t-elle ? Dans le Big Bang. Elle crée l’expansion que nous observons. Comme si cela ne suffisait pas, les partisans de cette idée affirment que le Big Bang n’était pas un évènement spécial : des univers parallèles ont pu entrer en collision plusieurs fois par le passé, encore et encore. Et cela pourrait bien se reproduire à l’avenir.

    C’est un scénario très ingénieux qui survient naturellement dans la Théorie des Cordes. Mais le fait est que les physiciens ne savent pas vraiment ce qui se produit lorsque 2 branes entrent en collision. Et l’on se retrouve dans la même situation que nous avons avec le Big Bang : les équations n’ont plus aucun sens.

    Pour devenir la Théorie du Tout, la Théorie des Cordes devra résoudre l’énigme du Big Bang. Il y a beaucoup d’espoir qu’elle y parvienne un jour, mais pour le moment il y a beaucoup d’incertitudes. Aussi prometteuse et passionnante soit elle, les physiciens ne la comprennent pas complètement.

    Le monde est-il vraiment constitué de cordes et de membranes, d’univers parallèles et de dimensions supplémentaires ? Est-ce de la science ou de la science-fiction ?

    Theorie_M-Univers-branes-02

    Les cordes sont si minuscules, beaucoup plus petites qu’un atome, qu’il n’y a probablement aucune possibilité de les observer directement. Mais même si nous ne devions jamais en observer, nous pourrions voir leur empreinte. Si les cordes existaient au commencement de l’Univers, elles ont pu laisser des empreintes ou des traces sur leur environnement. Et puis, après le Big Bang, lorsque tout s’est étendu, ces traces ont pu être étirées avec tout le reste. Si c’est le cas, on pourrait bien détecter ces traces quelque part dans le ciel.

    On pourrait aussi obtenir des preuves ici sur Terre, grâce aux accélérateurs de particules, et au LHC en particulier. Parmi toutes les collisions protons-protons et la pluie de particules qui en résulte, on espère pouvoir détecter la plus petite unité (quanta) de la force gravitationnelle : le graviton. Selon la Théorie des cordes, ce sont des boucles fermées qui peuvent donc s’échapper dans les dimensions supplémentaires. Les gravitons seraient en fait détectés par leur absence, par de l’énergie manquante.

    On espère également prouver l’existence de la supersymétrie, une prédiction centrale de la Théorie des Cordes. Pour résumer, la supersymétrie prédit que chaque particule subatomique que l’on connait (électrons, photons etc) devrait avoir un partenaire beaucoup plus lourd appelé « sparticule ». Pour le moment, aucune sparticule n’a été détectée. Leur découverte est une priorité majeure.

    Particules et Sparticules

    Le problème est que, si elles existent, les sparticules sont probablement incroyablement lourdes, et qu’elles nécessitent une énergie considérable pour être produites. Le redémarrage du LHC à pleine puissance en 2015 pourrait en détecter. Si jamais on en détectait, cela ne prouverait pas la Théorie des Cordes mais cela serait une preuve forte que les théoriciens des cordes sont sur la bonne voie.

    Que se passera-t-il si nous ne détectons pas de sparticules ou de dimensions supplémentaires ? Est-ce que la Théorie des Cordes pourrait s’avérer inexacte ?
    Oui, c’est une possibilité. Il est possible que les physiciens aient perdu leur temps au cours des 20 dernières années et que la théorie soit complètement fausse. Mais, malgré le manque de preuves pour le moment, beaucoup de physiciens pensent qu’elle doit être juste pour une bonne raison que Steven Weinberg, lauréat du prix Nobel de physique 1979 pour la théorie de l’interaction électrofaible, explique : “Je ne pense pas que cela soit jamais arrivé qu’une théorie ayant ce genre d’attrait mathématique se soit avérée être complètement fausse. Je trouverais difficile à croire qu’autant d’élégance et de beauté mathématique soit tout simplement gâchée”.

    Il y a un peu plus d’un siècle, certains scientifiques pensaient qu’on avait quasiment tout compris des lois fondamentales de l’Univers. Mais Einstein est arrivé et a modifié radicalement notre vision de l’Espace, du Temps et de la gravitation. Et la mécanique quantique a dévoilé les rouages des atomes et molécules, révélant un monde bizarre et incertain. Le XXème siècle, loin d’avoir confirmé que nous avions tout compris, nous a montré qu’à chaque fois que nous regardons l’Univers d’un peu plus près nous découvrons une nouvelle couche de la réalité.

    Aujourd’hui, nous avons un aperçu de ce que peut être la couche suivante : cordes vibrantes, sparticules, univers parallèles et dimensions supplémentaires. C’est une vision à couper le souffle, et, dans les années à venir, des expériences commenceront à nous dire si certaines de ces idées sont vraies ou fausses.

    Mais, quel que soit le résultat, les physiciens vont continuer leur travail, suivre leur curiosité, explorer l’inconnu. Peut-être que dans une centaine ou dans un millier d’années, la vision actuelle du cosmos pourra sembler incomplète voire même étrange. Mais, indéniablement, les idées de la Théorie des Cordes sont un témoignage de la puissance de la créativité humaine. Elles ont ouvert un éventail de réponses possibles à des questions très anciennes. Avec elles, nous avons fait un bond spectaculaire dans notre quête pour comprendre complètement cet Univers élégant.

    Source : PBS Nova / The Elegant Universe (Brian Greene)

     

    1 réponses à “Théorie M : Bienvenue dans la 11ème dimension” Icône RSS

    • Je ne serait que dire, a part que cet article ma aider a faire le lien entre toutes ces petites parcelles de savoir que j’avait eu l’occasion d’apprendre, tels les univers paralleles,le temps, la gravité, ces foutus dimensions suplementaires ect.

      je m’attendai a un article compliquer en jargon de scientifique, mais tout est bien expliquer et admirablement bien ecrit on sent que ça vient d’un passioné! Et on se rend compte que finalement l’histoire de la physique est asser simple a expliquer et a comprendre (si moi j’ai pu tout le monde le peut:D )

      Notre univers et vraiment passionant que ce soit de l’infiniment grand, a notre taille jusqu’a l’infiniment petit sa beautée est presente partout, et ne cessera pas de nous emerveiller et de nous casser la tete a tenter d’en comprendre les moindres parcelles 😀

      bref un grand merci a cet serie d’articles qui va me permettre de briller aux soirées! (pour autemps que j’arrive a placer le sujet…)

      (et si les trous noirs etaient des trous dans notre menbrane qui menerait a un entre-unviver?!)


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    • […] Lee Smolin montre la désillusion de son « rien ne va plus en physique » en écrivant: « nous pensions savoir comment répondre à cette question « Pourquoi ces lois?« . De nombreux théoriciens ont cru qu’une unique théorie mathématique cohérente pourrait incorporer les 4 lois fondamentales de la nature […]. Si tel avait été le cas, la réponse […] aurait été qu’une seule loi de physique  serait capable de donner naissance à un monde grosso modo comme le nôtre ».  Mais cet espoir a été anéanti. Il semble qu’il n’y a pas de théorie unique, une théorie du tout qui incorpore tout ce que nous connaissons de la nature en réconciliant physique quantique et relativité générale. De grands progrès on été accomplis au cours des 30 dernières années et de nombreuses tentatives on été proposées, mais il s’avère que ce n’est jamais selon un scénario unique. Parmi les approches de la gravitation quantique, la mieux étudiée selon Smolin est la gravitation quantique à boucles, qui semble autoriser un large gamme pour les forces et les particules. Une autre approche, celle de la théorie des cordes (ou le rêve d’Einstein réalisé?) aboutit au même constat. Il y a un bonnes raisons de penser qu’il y a un nombre infini de théories des cordes, dont un grand nombre dépend de larges ensembles de paramètres (nombres qu’on peut ajuster à la main à n’importe quelle valeur voulue). Beaucoup d’entre elle décrivent des mondes avec des particules et des forces proches du notre, mais aucune n’a encore permis d’inclure le modèle standard de la physique des particules. C’est Andrew Strominger qui a découvert en 1986 (superstring with torsion), que la théorie des cordes aboutit à un grand nombre de versions, tuant l’espoir originel d’une théorie ultime, théorie du tout.  Edgar Witten aussi a modéré l’enthousiasme des physiciens qui semblait être allé trop loin car ils n’avaient pas produit une seule mais 5 Théories des Cordes différentes avec la théorie M. […]

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