Théorie des cordes

 

Théories d'unification

Albert Einstein fut le premier physicien à tenter d'élaborer une théorie unificatrice dans les années 1910. Ses travaux sur la relativité lui faisant présumer l'existence d'une théorie commune pour les forces électromagnétiques et gravitationnelles, il essaya en vain, durant les trente dernières années de sa vie, de concevoir un modèle où forces et particules seraient représentées uniquement par des champs, les particules n'étant rien d'autre que des zones du champ où les valeurs d'intensité seraient particulièrement élevées. Mais l'avènement de la théorie quantique et la découverte de nouvelles particules sonnèrent l'échec d'Einstein, qui ne pouvait réussir dans sa tâche en s'aidant uniquement des lois de la relativité et de la physique classique.

Cette quête fut relancée dans les années 1960 sous l'impulsion des physiciens américains Steven Weinberg et Sheldon Glashow, et du physicien pakistanais Abdus Salam. Ces trois chercheurs parvinrent à unifier l'interaction nucléaire faible et l'interaction électromagnétique en faisant appel à des symétries internes, symétries portant sur les propriétés intrinsèques des particules (charge, spin, etc.) et non sur leurs positions spatio-temporelles. Selon cette théorie connue sous le nom de théorie électrofaible, les photons, responsables des interactions électromagnétiques, appartiendraient à la même famille que les bosons intermédiaires W et Z, qui gouvernent les interactions faibles.
En 1976, apparut le nom de supergravité. Elle se base sur la supersymétrie (1974) associant à chaque particule de matières (fermions: spin 1/2 et 3/2), une particule support de forces (bosons: spin entier: 0,1 et 2) et réciproquement. La supergravité combine une particule de masse nulle et de spin 2, le graviton à d'autres particules de spins 3/2, 1, 1/2 et 0. Toutes ces particules pouvant être considérées comme faisant partie d'une "superparticule".

Aujourd'hui, les scientifiques tentent de combiner les quatre types d'interactions à l'aide de théories de supersymétrie et de supergravité mais le problème s'avère très ardu, les physiciens ne parvenant pas à englober l'interaction gravitationnelle dans leur théorie unificatrice. Pourtant, après des décennies d'échecs, la théorie des cordes semble ouvrir de nouveaux horizons...

Théorie des cordes

Il plusieurs théories des cordes, dont 5 sortent du lot. Elles reposent toutes sur l'idée de ne pas considérer les objets fondamentaux de la physique comme des particules ponctuelles (de dimension 0) mais des entités de dimension 1, dotées d'une longueur très petite. Les différentes particules que nous connaissons apparaîtraient alors comme différents modes de vibration d'une corde (de la même façon que chaque mode vibration d'une corde de guitare correspond à une note). La multiplicité des théories pose la question : une des théorie est elle plus exacte que les autres? La réponse fut apporté grace au travaux de plusieurs équipes dont notamment de E. Witten. En fait chacune des théories est un cas particulier d'une théorie plus générale utilisant la supersymétrie.

Les théories des cordes semblent cependant n'être valables que si l'espace temps possède 10 ou 26 dimensions au lieu de nos 4 habituelles! Si elles existent pourquoi n'en voyons nous que 3 d'espaces et une de temps? En fait, on suppose que les autres dimensions sont courbes dans un espace de très petite taille.

On imagine alors que dans un univers primitif toutes les dimensions étaient sous cette forme et que certaines dimensions (celles que nous connaissons) se sont ouvertes.
L'idée d'un nombre de dimensions supérieur à 4 n'est pas nouvelle et prend sa source dans l'hypothése émise par un mathématicien germano-polonais en 1919, Théodor Kaluza.Ce dernier énoncait une théorie qui, à première vue, unifiait avec élégance l'électromagnétisme et la gravitation, en considérant notre universe comme ayant 5 dimensions. Cette théorie fut améliorée par Oskar Klein, un physicien suédois, en 1926, il estima notament la taille de la 5e dimension come étant de l'ordre de 10e-35m. Vers 1930, la théorie Kaluza-Klein tomba dans l'oubli ou plutot s'effaca devant la déferlante de la mécanique quantique.

Deux types de cordes sont envisageable: ouvertes et fermée. Une corde typique serait si petite qu'il faudrait en mettre 10e20 bout à bout pour atteindre le diamètre d'un simple proton. Il n'existe sur Terre aucun moyen de tester en laboratoire de façon expérimentale la structure de la matière à cette échelle, il faudrait pour cela un accélérateur de particules plus grand que la Terre elle-même.
Alors que le chemin d'une particule normale dans l'espace temps est une ligne (ligne d'univers), le chemin d'une corde sera une surface bidimensionelle (feuille d'univers), une bande ou un cylindre selon le type de corde.
Deux morceaux de cordes peuvent s'ajouter pour former une seule corde. De même, un morceau de corde peut se diviser en 2 cordes. Ainsi, l'émission ou l'absorption d'une particule par une autre peut se traduire en terme de "cordes" par la division ou la jonction de cordes.
Ainsi, dans un modèle proposé en 1988, la lumière, décrite par des cordes ouvertes, peut se propager dans les trois dimensions qui nous sont familière, alors que la gravitation, représentée par des cordes fermées, peut se propager dans les dimensions parallèles envisagées par la théorie des cordes.

Les physiciens mathématiciens sont très intéressés par les implications de la théorie des cordes : tout en fournissant une explication du comportement connu de particules comme les électrons et les protons, elle donne une description de la gravitation en termes de comportement de cordes vibrantes ayant la forme de boucles. De nombreux physiciens estiment que les supercordes constituent donc le meilleur espoir de pouvoir développer un jour une "théorie du tout" fondamentale.