Il y a bien longtemps, le grand italien Galileo Galilei a montré qu'avec l'aide de formules mathématiques, il est possible de décrire de manière fiable même les processus qui dépassent notre perception. Depuis lors, les scientifiques tentent de créer une sorte de «théorie de tout» physique et mathématique qui décrirait avec élégance l'Univers, en tenant compte des interactions connues.
CINQUIÈME DIMENSION
Isaac Newton a ouvert une nouvelle ère dans l'histoire de la science en formulant ses trois célèbres lois de la mécanique en 1684. Mais en même temps, il ne pensait pas du tout à la manière dont agissent les forces décrites par lui et à leur nature.
Les lois de Newton étaient d'un usage limité. Ils ne pouvaient en aucun cas être utilisés pour décrire des phénomènes tels que l'électricité, le magnétisme et les effets optiques. À la fin du 19e siècle, tous ces trois phénomènes ont été combinés avec succès à l'aide des équations de James Maxwell en une science cohérente de l'électrodynamique, et les scientifiques espéraient sérieusement qu'ils étaient sur le point de créer une «théorie de tout». Bientôt, cette question a été reprise par Albert Einstein, qui a formulé les théories spéciale (1905) et générale (1916) de la relativité, qui ont nécessité une révision de la physique newtonienne. La découverte d'Einstein ayant été confirmée par de simples observations visuelles, la communauté scientifique l'a acceptée sans aucune objection. Einstein pensait que pour formuler une «théorie de tout», il suffirait d'établir un lien entre l'électromagnétisme et la gravité. Mais il n'a pas tardé à tirer des conclusions.
En 1921, le physicien allemand Theodor Kaluzei a pu combiner formellement les équations de la relativité générale avec les équations classiques de Maxwell, mais pour cela, il a dû introduire une cinquième dimension supplémentaire en plus des quatre connues (trois dimensions de l'espace et une fois). Au début, cette idée paraissait folle, mais cinq ans plus tard, la justification de «l'inobservabilité» de la cinquième dimension a été proposée par le Suédois Oskar Klein.
Il semblait que tout commençait à converger, et ici de nouvelles découvertes dans le domaine de la physique élémentaire des particules et l'émergence de la mécanique quantique remettaient en cause une approche aussi simple.
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MONDE MULTI-DIMENSIONNEL
La physique moderne nécessite une hypothétique «théorie de tout» pour combiner les quatre interactions fondamentales actuellement connues: interaction gravitationnelle, interaction électromagnétique, interaction nucléaire forte, interaction nucléaire faible. De plus, il doit expliquer l'existence de toutes les particules élémentaires et leurs différences les unes par rapport aux autres.
Les tentatives de combiner de multiples interprétations des interactions observées se sont poursuivies tout au long du 20e siècle. Au milieu des années 1970, il s'est même avéré combiner trois interactions, en plus de la plus importante et qui nous est donnée en sensations - la gravité. Mais même cette théorie "tronquée" n'a pas reçu de confirmation expérimentale.
D'autres tentatives pour comprendre comment l'Univers est organisé à un niveau de base ont conduit au fait que les physiciens ont dû rappeler la théorie oubliée de Kaluzei-Klein et introduire des dimensions supplémentaires dans leurs formules. Il s'est avéré que tout converge si l'on accepte l'hypothèse que l'Univers n'a pas quatre ou pas cinq, mais dix dimensions. Plus tard, la théorie M est apparue, fonctionnant dans onze dimensions, suivie de la théorie F, dans laquelle douze dimensions apparaissent. On pourrait penser que l'introduction de dimensions supplémentaires, que nous ne pouvons même pas imaginer, complique le problème, mais au niveau des mathématiques pures, il s'avère que, au contraire, simplifie. Et le problème de la perception n'est lié qu'à l'habitude: il y a eu des moments où les gens ne savaient rien du vide et de l'apesanteur, et maintenant tout écolier qui rêve de devenir astronaute en a une idée.
Est-il possible de révéler en quelque sorte la relation fondamentale dans un espace multidimensionnel dans la pratique? Il s'avère que vous pouvez. C'est exactement ce que font les partisans de la soi-disant théorie des cordes.
FILS QUANTUM
Les «cordes» en tant que formations fondamentales ont été introduites dans la physique des particules élémentaires pour expliquer la structure des pi-mésons - particules dont la forte interaction fait des noyaux atomiques un tout unique. L'existence de telles particules a été prédite, et elles-mêmes ont été découvertes en 1947 dans l'étude des rayons cosmiques. Les effets observés dans les collisions de mésons pi ont permis d'avancer l'idée qu'ils sont reliés par un «fil vibrant infiniment fin». J'ai aimé l'idée, et immédiatement il y a eu des modèles mathématiques dans lesquels toutes les particules élémentaires sont décrites comme des cordes unidimensionnelles vibrantes à certaines fréquences.
La théorie des cordes a commencé à se développer, et il est devenu clair très rapidement que la «rigidité» ne se réalise que dans les espaces où le nombre de dimensions a priori est supérieur à quatre. Ils ont tenté d'appliquer la théorie à diverses constructions hypothétiques telles que le tachyon (une particule dont la vitesse dépasse la vitesse de la lumière), le graviton (quantum du champ gravitationnel) et le boson (particule de masse), mais sans grand succès.
Pourtant, dans les années 1980, après de nombreux débats, les physiciens sont arrivés à la conclusion que la théorie des cordes peut décrire toutes les particules élémentaires et les interactions entre elles. Des centaines de scientifiques ont commencé à y travailler. Il a été rapidement montré que diverses versions de la théorie des cordes sont réalisables si elles représentent les cas limites de la théorie M, opérant dans onze dimensions. Et bien que les travaux soient encore loin d'être terminés, les physiciens ont tendance à croire qu'ils sont sur la bonne voie.
Ici, il est nécessaire d'expliquer à quoi ressemble la multidimensionnalité de l'univers en théorie des cordes.
La première option est la «compactification» des dimensions supplémentaires, impliquant qu'elles sont fermées sur elles-mêmes à des distances si faibles qu'elles ne peuvent être détectées expérimentalement. Les physiciens en parlent de cette façon. Si vous observez un tuyau d'arrosage sur l'herbe assez loin, il semblera n'avoir qu'une seule dimension: la longueur. Mais si vous allez le voir, vous en trouverez deux autres. De même, des dimensions supplémentaires de l'espace ne peuvent être détectées qu'à une distance extrêmement proche, et cela dépasse les capacités des instruments.
La deuxième option consiste à «localiser» les mesures. Elles ne sont pas aussi petites que dans le premier cas, mais pour une raison quelconque, toutes les particules de notre monde sont localisées sur une feuille à quatre dimensions (brane) dans l'Univers multidimensionnel et ne peuvent pas le quitter. Puisque nous et tous nos appareils sont constitués de particules ordinaires, nous n'avons fondamentalement aucun moyen de voir ce qui se trouve à l'extérieur. La seule façon de détecter la présence de dimensions supplémentaires est la gravité, qui n'est pas localisée sur la brane, de sorte que les gravitons et les trous noirs microscopiques peuvent sortir. Dans le monde que nous connaissons, un tel processus ressemblera à une disparition soudaine de l'énergie emportée par ces objets.
Bien que l'on pense que la théorie des cordes ne sera jamais confirmée expérimentalement, les physiciens ont développé plusieurs expériences qui peuvent indirectement indiquer qu'elle est correcte. Parmi eux, il y a la détermination des écarts dans la loi de la gravitation universelle à des distances de l'ordre du centième de millimètre. Une autre façon est de fixer les gravitons et les trous noirs microscopiques au grand collisionneur de hadrons. Le troisième est l'observation de "cordes cosmiques" étirées aux dimensions intergalactiques et possédant le champ gravitationnel le plus fort. Peut-être qu'une de ces expériences donnera des résultats positifs dans un proche avenir.
LE CENTRE DE L'UNIVERS
En 2003, les physiciens ont découvert qu'il existe de nombreuses façons de réduire les théories des cordes à dix dimensions à quatre dimensions. De plus, la théorie elle-même ne contient pas de critère pour la préférence d'un chemin possible. Chacune des options génère son propre monde à quatre dimensions, qui peut ressembler ou différer considérablement de l'Univers observé. Il s'avère que le nombre de ces options est presque infini: environ 10500 (dix à la cinq centième puissance). Qu'est-ce qui rend notre monde tel qu'il est?
Bientôt, il a été suggéré que la réponse ne peut être obtenue qu'en incluant une personne dans cette image - nous existons précisément dans l'Univers dans lequel notre existence est possible. Dans tous les autres cas, vous ne liriez tout simplement pas ces lignes.
Anton Pervushin
