Aujourd'hui, l'image scientifique du monde se dessine de telle manière que notre univers est régi par deux ensembles de lois: la relativité générale, qui explique le merveilleux travail de la gravité, et la mécanique quantique, qui décrit les trois autres interactions de l'univers (nucléaire fort, nucléaire faible et électromagnétisme). Vous pouvez prendre ces lois et les appliquer à des choses à grande échelle - planètes, galaxies, puis aux plus petites échelles - protons et neutrons. Mais pourquoi la nature a-t-elle créé deux ensembles de lois distincts pour l'univers?
La théorie des supercordes tente de répondre à deux questions: existe-t-il un moyen de combiner la relativité générale et la mécanique quantique pour créer une «théorie de tout»? En quoi tout cela consiste-t-il?
Théorie des supercordes
Nous pensions que les éléments constitutifs de la vie étaient les atomes, les plus petits composants de la matière. Mais ensuite, nous avons frappé les atomes et avons trouvé des particules élémentaires, si petites que nous ne pouvons même pas les voir sans changer d'une certaine manière. Pour voir quelque chose, nous avons d'abord besoin de la lumière pour rebondir sur l'objet et frapper nos yeux, constituant l'image. La lumière est constituée d'ondes électromagnétiques qui traversent librement les particules élémentaires. Nous pouvons rendre ces ondes plus denses, leur ajouter de l'énergie pour qu'elles frappent les particules et que nous puissions les voir, mais dès que quelque chose frappe la particule, cela change, nous ne pouvons donc pas la voir dans son état d'origine. Nous n'avons aucune idée de ce à quoi ressemblent les particules élémentaires. Comme l'énergie noire, la matière noire, nous ne pouvons pas observer ces phénomènes directement, mais nous avons des raisons de croirequ’ils existent.
Nous considérons ces particules comme des points dans l'espace, bien qu'en réalité elles ne le soient pas. Malgré tous ses inconvénients, cette méthode - l'idée de la mécanique quantique selon laquelle les forces sont portées par les particules - nous donne une assez bonne idée de l'univers et conduit à des percées comme les solvants quantiques et les trains de lévitation magnétique. La relativité générale elle-même a également résisté à un bon test du temps, expliquant les étoiles à neutrons et les anomalies orbitales de Mercure, prédisant les trous noirs et la lumière incurvée. Mais les équations de la relativité générale cessent malheureusement de fonctionner au centre du trou noir et à la veille du Big Bang. Le problème est qu'il est impossible de les réunir, car la gravité est associée à la géométrie de l'espace et du temps, lorsque les distances sont mesurées avec précision, mais dans le monde quantique, il n'y a aucun moyen de mesurer quoi que ce soit.
Lorsque les scientifiques ont essayé d'inventer une nouvelle particule qui marierait la gravité avec la mécanique quantique, leurs mathématiques ont tout simplement échoué.
Dans un sens, je devais retourner au tableau. Par conséquent, les scientifiques ont suggéré que les plus petits composants de l'univers ne sont pas des points, mais des chaînes. Différentes vibrations de cordes créent différentes particules élémentaires comme les quarks. Les cordes vibrantes pourraient constituer toute la matière et les quatre forces de l'univers, y compris la gravité.
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Dimensions supérieures
La théorie des supercordes a un problème. Cela ne fonctionnera pas si nous supposons qu'il n'y a que trois dimensions spatiales et une dimension temporelle dans lesquelles nous vivons. La théorie des cordes exige que vous jouiez au moins dix dimensions.
Lorsque GR a été conçu pour la première fois, la gravité a déformé l'espace et le temps pour décrire cette force. Par conséquent, si quelqu'un voulait décrire une autre force, telle que l'électromagnétisme, il aurait besoin d'ajouter une nouvelle dimension. Les scientifiques ont écrit des équations décrivant les courbes et les défauts de l'univers avec une dimension supplémentaire, et ont obtenu l'équation originale de l'électromagnétisme. Une découverte incroyable.
Les dimensions supplémentaires de la théorie des cordes peuvent nous aider à expliquer pourquoi les nombres de notre univers sont si calibrés qu'ils permettent à tout d'exister. Par exemple, pourquoi la vitesse de la lumière est-elle de 299 792 458 mètres par seconde? Ils essaient également de répondre à la question sur la gravité - pourquoi cette force est-elle si faible? C'est la plus faible des quatre interactions fondamentales: 1040 fois plus faible que la force électromagnétique. Il suffira simplement de se pencher et de soulever le livre du sol pour lui résister. En théorie, c'est parce que la gravité s'infiltre dans des dimensions supérieures. La gravité est constituée de brins en boucle fermée qui lui permettent de quitter notre dimension, par opposition aux brins ouverts, qui sont mieux ancrés.
Pourquoi ne pouvons-nous pas voir toutes ces dimensions?
Parce qu'ils existent à un si petit niveau qu'ils nous sont invisibles et défient toute détection. Ils sont compacts, équipés de telle sorte qu'ils reproduisent la physique de notre monde, se pliant en des formes intéressantes de Calabi-Yau. Différentes formes de Calabi Yau permettent différentes vibrations de cordes et des univers très différents.
Nous pouvons même tester de prétendus univers multiples. Puisque nous supposons que la gravité s'infiltre dans des dimensions plus élevées, il devrait y avoir moins de temps après la collision de deux particules qu'avant la collision. Mais même dans les conditions les plus favorables, tester quelque chose comme celui-ci serait incroyablement difficile, insaisissable.
Les calculs de théorie des cordes sont effectués dans des univers simulés avec 10 ou 11 dimensions où les mathématiques fonctionnent. Les scientifiques essaient alors d'effacer les dimensions supplémentaires, mais jusqu'à présent, personne n'a réussi à décrire notre univers ou à concevoir une expérience pour prouver une théorie. Cependant, cela ne signifie pas que nous n'avons aucune application pour la théorie des cordes.
Un outil mathématique développé dans le cadre de la recherche sur la théorie des cordes nous aide à comprendre certaines parties de notre univers. Nous pouvons l'utiliser pour mieux expliquer le paradoxe de l'information, la gravité quantique et certains problèmes de mathématiques pures. Certains scientifiques utilisent la théorie pour leurs calculs en physique des particules ou lors de l'observation d'états exotiques de la matière.
La théorie des cordes n'est peut-être pas une théorie de tout, mais au moins c'est une théorie de quelque chose.
Ilya Khel
