Théorie des supercordes

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Si les cordes existent bien, elles auraient probablement ce genre de formes, certaines seraient ouvertes, d'autres, fermées.

La théorie des cordes est une théorie physique en plein essor. Elle n'est pour l'instant que spéculative : elle n'a pas encore été testée par l'expérience, mais des recherches sont en cours, cette théorie prend en compte les univers parallèles, des dimensions supplémentaires (ce qui voudrait dire qu'il y aurait des univers à 9 dimensions) et pourrait finalement expliquer pourquoi le Big Bang, une énorme explosion à l'origine de l'univers, s'est produit. Cette théorie pourrait unifier deux théories qui se contredisent, et qui pourtant semblent toutes les deux cohérentes, la relativité générale d'Einstein, qui étudie l'univers à l'échelle de l'infiniment grand, et la physique quantique, qui étudie l'univers à l'échelle de l'infiniment petit, afin d'obtenir la "théorie du tout", une équation mathématique décrivant tout l'univers. La théorie se base sur de minuscules particules, plus petites encore que les atomes, que l'on appelle des cordes, simplement à cause de la forme qu'elles ont si elles existent, ce sont des petits brins d'énergie en vibration. Il s'agit de l'une des nombreuses versions de la théorie des cordes.

La relativité générale contre la physique quantique

La déformation du tissu de l'espace d'après Einstein

Même illustration que celle ci-dessus, mais avec une représentation de l'espace plus réaliste, car en 3 dimensions, comme en vrai, les horloges représentent la déformation du temps, quand la gravité est forte, le temps s'écoule plus lentement, sur la vidéo, cette déformation est exagérée pour que ce soit visible.

Entre 1907 et 1915, le célèbre physicien Albert Einstein a élaboré une théorie, il s'agit de la relativité générale. Dans cette théorie, l'espace est représenté comme un tissu, il s'agit de l'espace-temps, quand un objet se trouve dessus (la Terre par exemple), elle forme un creux, comme si on mettait une balle sur un drap, et plus l'objet est massif, plus ce creux est important, en fait, si un objet passe dans ce creux avec une vitesse insuffisamment grande, il tombe dans le trou, c'est-à-dire qu'il est attiré par l'objet, cette théorie explique comment fonctionne la gravité. C'est une théorie qui étudie l'univers à l'échelle de l'infiniment grand.

La physique quantique, au contraire, étudie l'univers à l'échelle de l'infiniment petit, comme les atomes, elle prend en compte 3 forces :

• L'électromagnétisme : C'est la force responsable de l'électricité et le magnétisme, il s'agit en fait d'une seule force.
• L’interaction forte : Cette force fait que les protons et les neutrons restent collés ensemble pour former le noyau d'un atome.
• L'interaction faible : Une force responsable de la radioactivité.

Mais la gravité n'a aucune place dans la physique quantique, nous ne savons pas comment celle-ci fonctionne à cette échelle. Autre contradiction, d'après Einstein, le tissu de l'espace-temps est calme, et toute perturbation provoquée par la masse d'un objet est prévisible, en physique quantique, c'est tout le contraire, en effet, à une échelle incroyablement petite, l'espace-temps est très chaotique, et fait des sortes de vagues totalement imprévisibles, qui contredit ce que dit la relativité générale.

Histoire de la théorie des cordes

En 1968, un physicien Italien, Gabriele Veneziano, recherche une équation mathématique décrivant l'interaction forte, la force qui colle les quarks UP et DOWN, et trouve cette équation dans un vieux livre de mathématiques, cette équation datait de quelques siècles, et quand elle a été écrite, on n'avait aucune idée de ce qu'elle décrivait, c'était juste une curiosité des mathématiques. Il partage alors cette découverte à plusieurs personnes, dont Leonard Susskind, Leonard décide de modifier l'équation afin de savoir si elle peut décrire autre chose, et après quelques mois de travail, il remarque que l'équation décrit une particule en forme d'élastique, un petit brin d'énergie vibrant, d'une taille incroyablement minuscule. Mais son idée n'est pas prise au sérieux, l'idée, bien que nouvelle, était un peu évoquée auparavant.

Personne ne croyait à cette théorie, car elle leur semblait incohérente, et pas vérifiable, seuls quelques chercheurs pensaient que la théorie était juste, et ils cherchaient à le prouver, en montrant que les équations décrivant cette nouvelle théorie étaient cohérentes, et ne comportaient pas ce que l'on appelle une anomalie.

En mathématique, une anomalie est quelque chose d'incohérent dans une équation, par exemple, si on résout deux équations qui décrivent la même chose, mais que le résultat est différent, c'est qu'il y a des anomalies, exemple, si on résout une équation et qu'on obtient $$

X = 1 {\displaystyle X=1}

$X=1$, et qu'on résout une autre équation équivalente et qu'on obtient $X=2$, c'est que quelque chose ne va pas, il ne peut y avoir qu'une seule valeur de $X$.

Mais quand les chercheurs commençaient à voir si la théorie des cordes contenait des anomalies, ils remarquent qu'il y en a bien, et ils doivent revoir la théorie pour voir si elles ne peuvent pas être corrigées. En 1984, Michael Green et John H. Schwarz parviennent à supprimer toutes les anomalies, la théorie des cordes reçoit rapidement un grand succès, des centaines de chercheurs s'y intéressent.

Différents "objets" impliqués dans la théorie

Représentation de trois branes reliées par des cordes ouvertes.

Représentation d'un espace (ou variété) de Calabi-Yau.

Les cordes

D'après la théorie des cordes, une corde serait un minuscule brin d'énergie en vibration, d'une taille incroyablement petite, si un atome faisait la taille du Système solaire, une corde aurait la taille d'un arbre. Leur mode de vibration définirait le type de corde, certaines cordes seraient fermées, et formeraient une sorte d'élastique, tandis que d'autres sont ouvertes (comme un élastique coupé en deux). Certaines cordes ouvertes feraient la liaison entre deux branes (voir paragraphe suivant), les cordes fermées auraient d'autres fonctions (comme le graviton, qui serait responsable de la gravité).

Les différentes fonctions des cordes ouvertes

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(Sur les images ci-dessous, les cordes sont les fils, les membranes sont simplement les surfaces noires)

Les branes

Les branes seraient des cordes qui se seraient étirées et qui auraient formées d'énormes surfaces, aussi grandes que l'Univers lui-même, et elles pourraient expliquer pourquoi le Big Bang ce serait produit, et pourrait être en une seule dimension, ou bien deux, voire trois dimensions, celles dont nous avons l'habitude, mais les branes pourraient aller jusqu'à 10 dimensions. En plus des dimensions spatiales, il y a aussi une dimension temporelle, ce qui fait au total 11 dimensions. Par exemple, une "1-brane" est une brane en une dimension, une "2-brane" en 2 dimensions, et cela va jusqu'à "10-brane" (la dimension temporelle n'est pas comptée). En fait, une 2-brane serait comme une feuille de papier, mais les branes peuvent aussi être pliées.

Les espaces de Calabi-Yau

Un espace de Calabi-Yau est une petite dimension supplémentaire, "repliée" sur elle-même, d'une taille incroyable petite (à la même échelle que les cordes), qui aurait chacune une forme différente, et il y aurait un nombre incroyable de possibilités de forme, environ 10⁸⁰⁰ (c'est-à-dire 1 suivi de 800 zéros). En fait, s’il y avait un insecte vraiment minuscule, il pourrait se déplacer sur ces espaces de Calabi-Yau.

Univers parallèles

Représentation du bulk

Si la théorie des cordes est juste, cela voudrait aussi dire qu'il y a d'autres univers, des univers parallèles. En fait, il se pourrait que ces univers sont justes devant ton nez, mais que tu ne les vois pas, car ils sont dans une autre dimension. Les branes seraient dans ce que l'on appelle "le bulk", et que derrière chaque brane se cache un univers, un peu comme du pain coupé en tranche, chaque tranche serait une brane, et un univers se cache entre chacune d'elles, le nôtre se situerait justement dans le bulk. C'est assez difficile à concevoir, d'autant qu'il y aurait des branes dans notre propre univers, et qu'un univers s'y cache derrière, mais il est dans une autre dimension, il y aurait donc un nombre énorme de dimensions, et une infinité d'univers différents, et leurs constantes physiques (gravité, électromagnétisme...) seraient variables, dans un autre univers, si l'électromagnétisme est plus fort, les atomes se repousseraient, ce qui empêcherait les réactions nucléaires qui font briller les étoiles, la vie serait donc impossible dans un tel univers.

L'idée des univers parallèles expliquerait pourquoi le Big Bang s'est produit, en fait, deux branes seraient entrées en collision, provoquant une explosion, et cette explosion, c'est le Big Bang.

Solutions apportées par la théorie des cordes

L'espace-temps, calme ou agité ?

La théorie des cordes propose des solutions concernant les contradictions entre la relativité générale et la physique quantique, en effet, le problème, c'est que d'après la relativité générale, le tissu de l'espace est calme, d'après la physique quantique, à l'échelle de l'infiniment petit, il est très agité et imprévisible, et il devrait même y avoir des déchirures, et pourtant, il n'y a pas de catastrophes cosmiques de ce genre, l'idée, c'est que les cordes calment l'espace sur leur passage (suffisamment pour que la physique quantique et la relativité générale ne se contredisent plus), mais aussi que, même si une déchirure se produit, une corde fermée produit sur son passage une sorte de tube, qui peut isoler la partie déchirée de l'espace, et ainsi nous protéger.

Le fonctionnement de la gravité

La relativité générale propose une explication de la gravité, mais pas la physique quantique, en plus, la relativité générale n'explique pas vraiment ce qu'est la gravité, on sait bien évidement que c'est une force, mais on sait pas comment elle fonctionne, la théorie des cordes propose une explication. Les scientifiques remarquent que la force électromagnétique est des milliards de fois plus forte que la gravité, on ne comprenait pas pourquoi celle-ci est si faible. Aujourd'hui, on pense que les cordes responsables des forces de la nature sont différentes, celles responsables de l'électromagnétisme seraient des cordes fermées, attachées à la brane sur laquelle notre univers est fixé, tout comme ce qui compose notre univers, c'est pour cela que ce qui est dans notre univers reste dans notre univers. La gravité, elle, serait faite de cordes fermées, des gravitons (particules hypothétiques), et elles pourraient passer d'une dimension à une autre, ainsi, comme elle s'échappe de notre univers, elle est plus faible.

Confirmation

Avec les technologies actuelles, nous ne pouvons pas encore confirmer cette théorie, impossible de construire un microscope qui permettrait de voir les cordes, la solution serait l'utilisation d'un accélérateur de particules, elle permet de collisionner deux particules à une vitesse proche de celle de la lumière, quand la collision se produit, des particules subatomiques inhabituelles sont libérées, l'idée serait de trouver un graviton parmi toutes ces particules, avant qu'il parte dans une autre dimension, en plus, c'est possible avec les technologies actuelles et l'accélérateur de particules existe déjà depuis des années, par contre, aucun graviton n'a été détecté pour l'instant. Il y a aussi le satellite artificiel "MICROSCOPE", lancé en avril 2016, son but est de calculer la vitesse de chute de deux objets de matières différentes, en effet, si la théorie des cordes est fausse, normalement, il devrait avoir une vitesse de chute parfaitement identique, ce qui réfuterait l'existence du graviton, mais si la vitesse est légèrement différente, cela voudrait dire qu'une force impliquée dans la théorie des cordes est en action, et cela prouverait l'existence du graviton.

Voir aussi...

Vikiliens pour compléter

• Atome
• Physique quantique
• Relativité générale

Liens externes/sources

• Théorie des cordes - ce qu'Einstein ne savait pas encore

Source : cette page a été partiellement adaptée des pages Variété de Calabi-Yau et Brane de Wikipédia.

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