Dans un article du magazine Quanta, le physicien et mathématicien néerlandais Robbert Dijkgraaf utilise la métaphore spatiale du «paysage» pour expliquer l'importance révolutionnaire de la théorie des cordes dans la compréhension de l'univers.
Le principal dilemme de la physique quantique
Imaginez qu'Alice et Bob soient invités à préparer le dîner. Alice aime la cuisine chinoise, Bob aime l'italien. Chacun d'eux choisit sa recette préférée, achète dans un magasin local et suit clairement les instructions. Mais lorsqu'ils sortent les aliments du four, ils sont tous deux assez surpris. Les deux plats se révèlent être exactement les mêmes. On ne peut qu'imaginer les questions existentielles que se posent Alice et Bob. Comment différents ingrédients peuvent-ils préparer les mêmes plats? Que signifie même cuisiner des plats chinois ou italiens? Ou ont-ils abordé le processus de cuisson si mal?
Ceci est une illustration du dilemme central des physiciens quantiques. Ils ont trouvé de nombreux exemples de la façon dont deux concepts complètement différents peuvent décrire le même système physique. Dans le cas de la physique, au lieu de la viande et des sauces, les particules et les forces agissent comme des ingrédients, les recettes sont des formules d'interaction et le processus de cuisson est une procédure de discrétisation qui met la probabilité de phénomènes physiques en conformité avec des formules. Tout comme Alice et Bob, les scientifiques sont étonnés de voir à quel point différentes recettes mènent aux mêmes résultats.
La nature avait-elle la capacité de choisir ses lois fondamentales? Albert Einstein, pour autant que nous le sachions, croyait en un sens qu'il n'y avait qu'une seule manière, basée sur quelques principes de base, de construire un univers élégant et fonctionnel. De son point de vue, si nous étudions l'essence de la physique à un niveau suffisamment profond, nous arrivons à la conclusion qu'il n'y a qu'un seul et unique moyen d'interaction possible de tous les engrenages de l'horlogerie universelle - matière, rayonnement, forces, espace et temps.
La théorie des cordes comme "théorie de tout"
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Le modèle standard actuel de la physique des particules est un mécanisme inerte composé d'un maigre ensemble d'ingrédients. Mais, malgré l'apparente singularité, notre Univers n'est que l'un des innombrables mondes possibles. Nous n'avons pas la moindre idée de la raison pour laquelle cette configuration particulière des particules et des forces agissant sur elles est à la base de notre ordre mondial.
Pourquoi y a-t-il six «saveurs» de quarks, trois «générations» de neutrinos et une particule de Higgs? De plus, dix-neuf constantes physiques fondamentales (telles que la masse et la charge d'un électron) sont incluses dans le modèle standard. Les valeurs de ces "paramètres libres", semble-t-il, n'ont aucune signification profonde. D'une part, la physique des particules est un exemple d'élégance. D'un autre côté, c'est juste une belle théorie.
Si notre monde n'est qu'un parmi tant d'autres, que devons-nous faire des mondes alternatifs? Le point de vue actuel est à l'opposé absolu de l'idée d'Einstein d'un univers unique. Les physiciens modernes couvrent un vaste espace de probabilités et tentent de comprendre la logique de ses interconnexions. De chercheurs d'or, ils sont devenus des géographes et des géologues, cartographiant le paysage et étudiant en détail les forces qui l'ont façonné.
Un jalon dans ce processus a été la naissance de la théorie des cordes. Pour le moment, elle est la seule candidate au titre de «théorie de tout». La bonne nouvelle est qu'il n'y a pas de paramètres libres dans la théorie des cordes. Il n'est pas question de savoir quelle théorie des cordes décrit notre univers, car elle est unique. L'absence de toute fonction supplémentaire entraîne des conséquences radicales. Tous les nombres dans la nature doivent être déterminés par la physique elle-même. Ce ne sont pas des «constantes de la nature», mais simplement des variables obtenues à partir d'équations (parfois, bien qu'incroyablement complexes).
Mauvaise nouvelle, messieurs. L'espace de solution pour la théorie des cordes est vaste et complexe. C'est normal pour la physique. Traditionnellement, les lois fondamentales sont distinguées, basées sur des équations mathématiques et sur des solutions de ces équations. Habituellement, il existe plusieurs lois et un nombre infini de solutions. Prenons les lois de Newton. Ils sont nets et élégants, mais ils décrivent une gamme incroyablement large de phénomènes, de la chute d'une pomme à une orbite lunaire. Connaissant l'état initial du système, ces lois peuvent être utilisées pour décrire son état à l'instant suivant. Nous n'attendons ni n'exigeons une solution universelle qui décrirait tout.
Paysage œcuménique
Dans la théorie des cordes, certains des éléments qui sont généralement considérés comme des lois sont en fait des solutions. Ils sont déterminés par la forme et la taille des dimensions supplémentaires cachées. L'espace de toutes ces solutions est souvent appelé le «paysage», mais cela est trop légèrement dit. Même les paysages de montagne les plus impressionnants pâlissent contre l'immensité de cet espace. Et bien que sa géographie n'ait pas encore été complètement étudiée, on peut dire que ses continents sont énormes.
L'une des hypothèses les plus sophistiquées en théorie est que tout est peut-être interconnecté. Si nous secouons bien l'univers, nous pourrions passer d'un monde hypothétique à un autre, en changeant ce que nous sommes habitués à considérer les lois immuables de la nature et en obtenant une nouvelle combinaison de particules élémentaires qui composent notre réalité.
Mais comment explorer le vaste paysage des modèles physiques de l'univers, qui pourrait facilement avoir des centaines de dimensions? Considérez-le comme une étendue de nature sauvage en grande partie non développée, cachée en grande partie sous d'épaisses couches d'une complexité irrésistible. Les lieux habitables ne peuvent être trouvés qu'aux frontières mêmes. Ici, la vie est simple et gratuite. Voici les modèles de base que nous comprenons parfaitement. Ils ne sont pas très importants pour décrire le monde réel, mais servent de point de départ pratique pour explorer les environs immédiats.
Un bon exemple est l'électrodynamique quantique (QED), une théorie qui décrit les interactions entre la matière et la lumière. Ce modèle a un paramètre, appelé «constante de structure fine», qui exprime la force de l'interaction entre deux électrons. Numériquement, il est proche de 1/137. En QED, tous les processus peuvent être considérés comme issus d'interactions élémentaires. Par exemple, la répulsion de deux électrons peut être considérée comme un échange de photons. L'électrodynamique quantique propose de considérer toutes les manières possibles par lesquelles deux électrons peuvent échanger des photons.
En pratique, cela signifie que les physiciens sont confrontés à la nécessité de calculer des sommes infinies d'une grande complexité. Mais la théorie offre également une issue: chaque échange supplémentaire de photons ajoute une condition dans laquelle la constante de structure fine est élevée à la puissance suivante. Le nombre de ces échanges étant relativement faible, les conditions supplémentaires n'ont pas beaucoup d'impact. Ils peuvent être négligés en les rapprochant de la valeur «réelle». Nous trouverons ces théories faiblement couplées aux avant-postes du paysage. Ici, les forces sont faibles et il est logique de parler de la liste des ingrédients - particules élémentaires - et de la recette de leur interaction. Mais si nous quittons nos lieux habitables et plongeons dans une nature inexplorée, chaque condition supplémentaire deviendra de plus en plus importante. Maintenant, nous ne faisons plus de distinction entre les particules individuelles. Ils se dissolventse transformant en un réseau d'énergie enchevêtré, comme les ingrédients d'une tarte au four.
Cependant, tout n'est pas perdu. Parfois, un autre avant-poste est vu au bout du chemin. En d'autres termes, un autre modèle bien contrôlé, constitué cette fois d'un ensemble complètement différent de particules et de forces. Dans de tels cas, il existe deux recettes alternatives pour la même physique sous-jacente, comme pour les dîners d'Alice et Bob. Ces descriptions conjuguées sont appelées modèles doubles, et la connexion entre eux est appelée dualité. Ces opposés peuvent être considérés comme une grande généralisation du célèbre dualisme onde-particule découvert par Heisenberg. Dans le cas d'Alice et Bob, cela prend la forme d'une conversion entre recettes chinoises et italiennes.
Tout est interconnecté
Pourquoi tout cela est-il si passionnant d'un point de vue physique? Tout d'abord, l'hypothèse selon laquelle de nombreux modèles (sinon tous) font partie d'un immense espace interconnecté est l'une des découvertes les plus surprenantes de la physique quantique moderne. Il s'agit d'un changement de perspective digne d'être qualifié de «changement de paradigme». Au lieu d'un archipel d'îles dispersées, nous explorons un vaste continent.
En un sens, en étudiant un modèle assez profondément, nous pourrons tous les comprendre. Nous pouvons explorer la relation entre ces modèles en nous concentrant sur les grandes lignes de leur structure. Il est important de noter que ce phénomène dépend fortement de la cohérence de la théorie des cordes avec le monde réel. Cette propriété est inhérente à la physique quantique, qui est immuable indépendamment de ce que la «théorie de tout» s'avère être.
Plus dramatique est la conclusion que toutes les théories traditionnelles de la physique fondamentale doivent aller à la poubelle de l'histoire. Particules, champs, forces, symétries - tout cela n'est rien de plus que des artefacts d'une vie libre aux avant-postes d'un paysage sans fin d'une complexité impensable. Il semble incroyable, ou du moins extrêmement limité, de considérer la physique en termes de blocs de construction élémentaires.
Peut-être existe-t-il une structure fondamentalement nouvelle qui unit les lois fondamentales de la nature et ignore tous les concepts auxquels nous sommes habitués. Les subtilités mathématiques et l'élégance de la théorie des cordes est une motivation tentante d'accepter ce point de vue. Mais soyons honnêtes. Très peu d'idées modernes sur ce qui va remplacer les particules et les champs sont «assez folles pour être vraies», comme l'a dit Niels Bohr.
