Que sont les superstrings?
Les supercordes, ou théorie des supercordes, constituent un domaine passionnant de la physique, parfois appelé la théorie du tout . Beaucoup pensent que l'explication unificatrice furtive recherchée par Einstein pourrait expliquer toutes les forces connues de l'univers.
Jusqu'à l'arrivée des superstrings, les scientifiques avaient deux théories opposées sur le comportement des lois de la nature: la théorie générale de la relativité d'Einstein et la mécanique quantique.
La relativité générale explique le monde tel que nous le connaissons à une échelle assez massive. Il décrit l'espace-temps comme un tissu déformé par la masse tenant compte des systèmes orbitaux, des galaxies et de la force de gravité. Mais ces lois se décomposent au niveau quantique où une particule subatomique ne peut pas être mesurée en termes de sa position exacte dans l'espace à un moment donné. De plus, il est aussi susceptible de reculer dans le temps que d'avancer, et peut même sembler se trouver à deux endroits simultanément. Le monde de l'infiniment petit est si bizarre que les scientifiques ont inventé le terme "étrangeté quantique" pour le décrire.
Le problème pour les physiciens était de proposer une théorie qui unirait le monde que nous connaissons au monde quantique. Une explication pour expliquer les quatre forces connues: la pesanteur, les forces nucléaires fortes et faibles et l’électromagnétisme. Superstrings pourrait être cette réponse.
À travers des équations mathématiques, il est devenu évident que la manière dont nous avions auparavant considéré les particules comme des "points" ou des "petites boules" d'énergie était inexacte. Ces minuscules morceaux de matière se comportaient plutôt comme des cordes tremblotantes et vibrantes. Les chaînes sont si petites que Brian Greene, physicien et promoteur, explique que si un seul atome avait la taille de notre système solaire, une chaîne ne serait que la taille d'un arbre. Pourtant, les chaînes constituent toute la matière à partir du niveau quantique.
La façon dont les cordes vibrent détermine les propriétés spécifiques de chaque particule, comparant l'univers à une symphonie cosmique de supercordes. Mais pour débarrasser la théorie des anomalies mathématiques, six dimensions supplémentaires étaient nécessaires. Les six dimensions supplémentaires forment de minuscules figures 6-D recourbées en chaque point de notre espace. À l'intérieur de ces figures à six dimensions, se trouvent les chaînes de la théorie des supercordes. Les six dimensions supplémentaires, plus nos trois, signifiaient qu'il y avait vraiment neuf dimensions. Ajoutez un de plus pour le temps , et le total était de 10 dimensions. Aussi surprenant que cela ait été, ce n'était pas la fin.
En 1995, différentes théories sur les supercordes ont présenté une énigme jusqu'à ce que la théorie M les réunisse. La seule prise? La théorie M nécessitait mathématiquement une onzième dimension. Cela donnait une nouvelle image des cordes grâce auxquelles, avec suffisamment d’énergie, une corde pourrait s’étirer pour devenir une très grande membrane flottante, appelée brane . Les branes peuvent avoir différentes propriétés dimensionnelles et atteindre la taille d'un univers. En fait, selon la théorie, tout notre univers existe sur une brane flottante - une des nombreuses branes flottantes qui supportent chacune leur propre univers parallèle. Chaque brane représente une tranche d'un espace ou d'un volume dimensionnel supérieur.
Bien que le modèle standard des années 1970 ait déjà réuni trois des quatre forces dans une théorie unifiée, la gravité ne pouvait pas être réconciliée avec les trois forces quantiques. Mais une percée dans les superstrings englobait la force de gravité insaisissable, le murmure du Saint Graal de la physique. Si une particule hypothétique sans masse responsable de la transmission de la gravité - le graviton - existe au niveau quantique sous forme de chaîne fermée , cela présenterait un lien gravitationnel direct avec la théorie des supercordes.
La théorie prédit que les chaînes peuvent être ouvertes ou fermées. Les chaînes ouvertes, ou qui ressemblent à de petits poils qui se tortillent, ont au moins un point d'extrémité "attaché" à la membrane, comme un tramway est attaché par un câble supérieur à une ligne électrique. Les chaînes peuvent se déplacer dans la passerelle mais ne peuvent pas la quitter, expliquant pourquoi nous ne pouvons pas voir physiquement ou sortir de notre dimension. Les atomes qui composent notre corps sont composés de chaînes ouvertes auxquelles sont fixés des extrémités à notre membrane 3D. Une autre façon de voir les choses est de considérer un écran de film. Les personnes sur un écran semblent être en trois dimensions, mais elles ne peuvent pas réellement accéder à l'écran dans notre monde 3-D. Ils sont coincés dans leur monde à deux dimensions, tout comme nous sommes coincés dans notre monde à trois dimensions et ne pouvons pas atteindre les dimensions voisines. Les scientifiques appellent cela des degrés de liberté .
Mais le graviton est différent. En tant que chaîne fermée ou boucle sans extrémités attachées, il a été théorisé qu'il pourrait peut-être échapper à notre brane 3-D et s'infiltrer dans d'autres dimensions. Cela expliquerait pourquoi la gravité est plusieurs fois plus faible que les autres forces.
Cependant, si l' inverse était vrai? Et si la gravité sur une brane parallèle était aussi forte que les autres forces, mais était plus faible ici parce qu'elle ne fuyait que dans notre dimension? Mathématiquement, la théorie des supercordes a de nouveau fonctionné à merveille et a finalement fourni une explication plausible de la faiblesse de la gravité tout en l’unissant aux trois autres forces.
Il ne restait plus qu'un obstacle: la théorie unificatrice devrait également pouvoir expliquer le Big Bang. Quatre physiciens voyageant ensemble dans un train ont abordé ce sujet avec désinvolture. L'un d'entre eux a posé la question suivante: que se passerait-il si deux armes se heurtaient? La réponse mathématique plausible s’est avérée être le Big Bang.
Les détracteurs de la théorie des supercordes soulignent le manque de preuves et la difficulté de les fournir. Est-ce juste une belle construction mathématique? Une philosophie? Ou une vraie explication de notre monde? Aucune autre théorie n’est parvenue à unifier mathématiquement les quatre forces, encore moins à expliquer le Big Bang. Mais prouver l'existence d'autres dimensions - branes flottantes et univers parallèles - a été un point d'achoppement majeur.
Néanmoins, les adeptes de la théorie élégante ont hâte de la voir prouvée et les scientifiques ont depuis découvert qu'il pouvait exister des preuves observables de chaînes astronomiques de grande taille. Ainsi, la théorie des supercordes continue de gagner du terrain. En fin de compte, en cas de succès, de 11 dimensions à des univers parallèles, des galaxies tourbillonnantes à la soupe quantique, les superstrings pourraient bien être vraiment la théorie de tout .