Théorie des supercordes
« Théorie des supercordes » expliqué par Vikidia, l'encyclopédie pour les enfants.
La théorie des supercordes appartient au domaine de la physique. C'est une théorie révolutionnaire et en plein essor. Bien que complexe dans les détails, elle décrit l'Univers avec simplicité, en chamboulant beaucoup de principes qui nous semblent évidents...
Note : certaines parties de cet article sont légèrement plus techniques ; il n'est pas nécessaire de les lire pour suivre le fil de l'article. Le lecteur peu habitué à certains principes peut donc passer ces parties. Elles se distinguent du reste car elles sont en italique.
Sommaire |
[modifier] Avant de commencer, un peu de vocabulaire...
[modifier] Physique
La physique est la science qui étudie le fonctionnement de l'Univers : pourquoi sommes-nous attirés par la Terre ? Comment les étoiles brillent-elles ? Qu'est-ce qu'un champ magnétique ? C'est une minuscule partie des nombreuses interrogations que se sont posées et/ou se posent les physiciens.
- Lire l'article de Vikidia sur la physique.
[modifier] Système
Un système est l'ensemble des corps observés lors d'une expérience. Par exemple, le système « terrestre », c'est-à-dire l'ensemble des objets terrestres, est différent du système « solaire », qui regroupe tous les corps gravitant autour du Soleil. Le système « terrestre » est compris dans le système « solaire », mais est différent de celui-ci. Pour récapituler simplement, on dira qu'un système est l'ensemble des objets observés.
[modifier] Théorie
Une théorie est un modèle, un cadre, dont se servent les physiciens pour décrire le monde qui nous entoure. Par exemple, une théorie (imaginaire) qui dirait que toutes les fleurs se transforment en fruits au bout de quelques mois, permettrait aux physiciens d'expliquer que le pommier porte des fleurs avant des fruits, et que ces fleurs se transforment en pommes. Dans la réalité, les théories permettent d'expliquer pourquoi tel évènement a lieu, et avec quelle importance. La théorie de la gravitation universelle de Newton, par exemple, nous dit que tous les corps s'attirent, avec une force proportionnelle au facteur de la masse des deux corps.
(F = G x (M1 x M2) /d avec F la force d'attraction, G une constante [la constante de gravitation universelle], c'est-à-dire un nombre qui ne varie jamais, M1 et M2 les masses des deux corps et d la distance entre ces deux corps élevée au carré)
C'est cette théorie qui permet aux chercheurs d'envoyer des fusées dans l'espace, de prédire le poids d'un astronaute sur Mars, Jupiter, Neptune ou n'importe quel autre corps, de déterminer la route de la Terre par rapport au Soleil, etc.
Les deux géantes de la physique contemporaine sont la théorie de la relativité générale, établie par Albert Einstein en 1915, et la physique quantique, qui a vu le jour tout au long du 20ème siècle. La relativité générale offre un cadre extraordinaire à l'étude de grands systèmes, tels que l'Univers. On dit qu'elle permet l'étude de systèmes à hautes énergies et/ou à grandes distances. La physique quantique, quant à elle, permet des prédictions très précises dans le domaine de l'infiniment petit (les atomes, les particules subatomiques [plus petites que l'atome]). On dira que la physique quantique permet l'étude de systèmes à moindre distances et/ou à moindres énergies.
- Lire les articles de Vikidia sur ce qu'est une théorie, la mécanique quantique et la théorie de la relativité
[modifier] Atome
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[modifier] Un conflit de géantes
[modifier] La relativité générale
- Article détaillé : Théorie de la relativité
Idées principales ; elle affirme que :
- la lumière se déplace à environ 300 000 km/s, et que cette vitesse est la plus grande possible (rien ne peut la dépasser, ni même l'égaler)
- il faut considérer le temps comme une quatrième dimension. Le monde qui nous entoure n'a donc plus 3 mais 4 dimensions : la longueur, la largeur, la hauteur et le temps.
- l'espace et le temps ne sont pas les mêmes partout : la présence de masse courbe l'espace ET le temps (elle accélère le cours du temps).
- masse (m) et énergie (E) sont convertibles : d'après l'équation E=mc², une certaine masse peut se transformer en énergie ; l'énergie obtenue est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré (c²)
[modifier] La mécanique quantique
Si la relativité générale est aisément compréhensible, il ne faut guère espérer comprendre les mécanismes profonds de la mécanique quantique. Feynman, pourtant l'un des plus grands théoriciens de cette physique étrange, a même dit : « Personne ne comprend vraiment la physique quantique ». Mais, malgré ses propriétés surprenantes, qui défient la logique, c'est une théorie très bien vérifiée. Elle fonctionne, c'est l'essentiel. En voici quelques propriétés qui nous serons utiles :
- on ne peut pas connaître à la fois la position ET la vitesse d'une particule (on appelle cela les relations d'Heisenberg)
- le vide parfait n'existe pas : à tout moment, dans une région pourtant supposée vide (une cloche à vide, par exemple), on observe un bouillonnement de particules qui apparaissent et disparaissent presque instantanément
- lorsque l'on observe un espace (une partie de l'espace), plus on réduit notre champ d'observation, plus les particules présentes dans cet espace s'agitent violemment. On appelle joliment cela une mousse quantique, terme qui rend assez bien l'idée d'agitation totalement désordonnée. On assiste alors à une déformation de l'espace de plus en plus importante.Cette mousse quantique apparait lorsque l'on s'approche du milliardième de milliardième de milliardième de millionième de mètre (10-33 m, soit 0.000000000000000000000000000000001 m !)
- et enfin, pour finir sur un phénomène des plus spectaculaires, la mécanique quantique prévoit l'existence d'un effet tunnel : une particule, enfermée dans une boîte tout-à-fait hermétique (dont elle ne peut donc logiquement pas sortir), a la possibilité d' emprunter temporairement de l'énergie à l'Univers pour s'échapper de la boîte en traversant ses parois !
Tous ces phénomènes nous sont inconnus dans la vie de tous les jours car ils agissent principalement dans le domaine de l'infiniment petit. Cependant, des physiciens ont calculé que si vous restiez collés à un mur pendant une durée approchant l'âge de l'Univers (c'est-à-dire environ 15 milliards d'années !), vous auriez une bonne probabilité de traverser le mur ![1]
[modifier] Au coeur du conflit
Nous l'avons vu : la mécanique quantique s'occupe de l'infiniment petit, la relativité de l'infiniment grand. Alors, où est le problème ? Le voici : il est rare que des phénomènes soient à la fois de haute énergie (domaine de la relativité) et de taille minuscule (domaine de la physique quantique) ; cependant, ces phénomènes existent : lors de la création de l'Univers, par exemple, où au coeur d'un trou noir (il s'agit d'un objet céleste de taille réduite mais de masse titanesque, qui absorbe tout ce qui passe à sa portée ; voir l'article de Vikidia sur les trous noirs).
Il faudrait donc théoriquement utiliser relativité Et mécanique quantique pour décrire ces phénomènes. Mettons nous dans la peau de chercheurs courageux et essayons (ensemble) de résoudre cela. Nous allons travailler à une distance minuscule, infiniment minuscule. Or, à ce stade, la mécanique quantique prévoit l'effet de mousse quantique (que nous avons vu plus haut) : l'espace s'agite de plus en plus violemment. Et même tellement violemment qu'il n'a plus rien de la surface plane (ou à la courbure douce) qui est le domaine de la relativité générale. Celle-ci n'a donc plus lieu d'être, puisque l'espace défie les règles de géométrie les plus insolites (il est troué, fait des ponts, des bulles, etc.). Notre relativité s'effondre alors, et avec elle notre espoir d'étudier ces systèmes extrêmes... Alors, que faire ? Se résigner et ne pas étudier de systèmes extrêmes (ils ne sont pas si abondants dans l'Univers), ou trouver la faille qui nous empêche de comprendre ?
[modifier] Intermède : comment observer un objet
Ce chapitre est important pour comprendre la façon dont la théorie des supercordes résout le conflit entre relativité générale et mécanique quantique.
Pour observer un objet (avec nos yeux, par exemple), nous analysons la façon dont la lumière est renvoyée par cet objet. En effet, si l'on jette une bille contre un objet, elle va rebondir et sa trajectoire nous renseignera sur la forme de l'objet. La lumière, selon la mécanique quantique, est à la fois un flot de particules élémentaires, les photons, et une onde. Nous délaisserons ici son aspect ondulatoire et nous intéresserons aux photons. Chaque photon est un petit « paquet » de lumière. L'oeil analyse les photons qu'il reçoit ; ces photons reçus par l'oeil ont vécu plusieurs évènements :
- ils ont été créés (par le Soleil, par exemple)
- ils ont voyagé jusqu'à la Terre
- ils ont heurté un objet (disons un arbre) et ont rebondi sur lui
- et enfin, ils ont été captés par notre oeil, qui va analyser leur trajectoire. Il va envoyer les informations au cerveau qui va se dire « si ce photon a été dévié à partir de là, c'est qu'il y a un obstacle à cet endroit ». L'analyse d'un grand nombre de photons permettra de dire que l'obstacle en question est un arbre.
Pour observer des structures minuscules, les physiciens utilisent le même principe : ils envoient des particules très petites sur d'autres, plus grosses, et observe la façon dont ils sont renvoyés.
Enfin, pour continuer sur de bonnes bases, deux notions essentielles :
- plus une particule-sonde est petite, mieux elle permet d'observer la structure d'un objet (une bille est plus précise qu'une boule de pétanque)
- plus une particule-sonde a d'énergie, plus elle est précise.
[modifier] Elle résout le conflit en faisant vibrer ses cordes
Selon la théorie des supercordes, chaque particule est composée d'un minuscule morceau de corde qui fait une boucle. Cette corde vibre selon un mode de vibration bien défini : cette vibration crée les propriétés de la particule.
En quoi le remplacement d'une particule par une corde nous arrange-t-il ?
Il faut savoir qu'avant la théorie des supercordes (et même encore aujourd'hui, puisque celle-ci n'est pas vérifiée), il existait ce que l'on appelle le modèle standard. C'est comme une théorie ; il nous dit que les composants de l'Univers ne sont ni des cordes, ni des gouttes, ni quoi que ce soit de dimensionnel (une corde a 2 dimensions, une goutte en a 3, etc.), mais des particules ponctuelles (sans dimension : ce ne sont que des points). Ainsi, selon le modèle standard, on peut regarder une particule à un millimètre, à un nanomètre, ou à 0.000000000000000000000000001 mètre, elle sera toujours un point. Elle n'a pas de dimension.
En revanche, la théorie des supercordes prévoit que la corde a une longueur bien définie : 10-33 m (appelée la longueur de Planck).
Si les constituants les plus petits de l'Univers ont une taille, alors on ne peut pas sonder la matière plus profondément que cette taille, puisqu'il n'existe pas de particules plus petites pour les sonder.
Et comme les cordes (qui sont les objets les plus petits de l'Univers) ont une taille égale à la longueur de Planck, alors on ne peut sonder la matière plus loin que la longueur de Planck. On peut même en déduire que les fluctuations quantiques (la « mousse quantique ») n'existent pas : elles se produisent à une dimension inférieure à la longueur de Planck, on ne peut donc pas les « observer » ; de la même façon, elles n'ont plus d'influence sur les phénomènes microscopiques.
Récapitulons cette partie : Les plus petites particules de l'Univers ont une taille en-dessous de laquelle on ne peut rien observer (on peut même dire que rien n'existe en-deçà de cette taille). Ainsi, on élimine les incommodantes fluctuations quantiques, et relativité générale et mécanique quantique sont enfin réconciliées ! La théorie des supercordes peut donc décrire des phénomènes microscopiques ; jusqu'à un certain point, certes, mais qu'importe, puisque rien n'existe en-deçà de ce point ?
[modifier] Questions et précisions
[modifier] Le « super » de la supercorde
Pourquoi dit-on la théorie des « supercordes », et non la théorie des « cordes », tout simplement ?
Vers les années 1960 a émergé la première version de la théorie des cordes. Or il s'avère qu'elle était légèrement incorrecte. Elle a donc été abandonnée. Puis vint la découverte de la supersymétrie, une notion très abstraite qui affirme que toute la nature est symétrique au plus haut point. Des physiciens se sont emparés de la supersymétrie et l'on incorporée à l'ancienne théorie des cordes ; de cette union est née la « théorie des cordes supersymétrique », abrégée en « théorie des supercordes ». Car il se trouve que la supersymétrie ajuste juste ce qu'il faut certaines valeurs dans la théorie des cordes, la rendant supersymétrique... et éventuellement juste !
[modifier] Ce qui nous empêche de savoir si la théorie des supercordes est juste ou fausse
La théorie des supercordes, dans les domaines habituellement expliqués par la mécanique quantique ou la relativité générale, n'induit aucun changement spectaculaire. C'est à des échelles plus extrêmes (distance plus petite, énergies plus importantes) qu'elle prend toute son importance.
Or ces domaines sont pour le moment hors d'atteinte de nos appareils de mesure les plus sophistiqués. On ne peut donc tester la théorie des supercordes, du moins pour le moment. Et une théorie non testée, et non démontrée expérimentalement, n'est pas une théorie avérée !
[modifier] Les dimensions
La relativité générale, pour fonctionner, nécessite que l'on rajoute à l'Univers une quatrième dimension, le temps. La théorie des supercordes, quant à elle, nécessite, selon sa version (il en existe 5), 10, 11 ou 26 dimensions !
Ces dimensions, que nous ne voyons pas, sont passées inaperçues car elles sont enroulées sur elles-mêmes dans un espace minuscule.
Pourquoi un nombre aussi élevé de dimensions ? C'est que ces dimensions sont nécessaires à la corde pour vibrer de différentes manières...
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