La légende raconte qu'Albert Einstein a passé ses dernières heures sur Terre à tracer quelque chose sur un morceau de papier dans une dernière tentative de formuler une théorie de tout. Soixante ans plus tard, un autre scientifique légendaire dans le domaine de la physique théorique, Stephen Hawking, quittera ce monde avec des pensées similaires. Nous savons que Hawking croyait que la soi-disant théorie M était notre meilleure chance de créer une théorie complète de l'univers. Mais qu'est-ce que c'est?
Depuis la formulation de la théorie générale de la relativité d'Einstein en 1915, chaque physicien théoricien a rêvé de réconcilier notre compréhension du monde infiniment petit des atomes et des particules avec l'échelle infiniment grande de l'espace. Alors que ce dernier est parfaitement décrit par les équations d'Einstein, le premier est prédit avec une précision extraordinaire par le soi-disant modèle standard des interactions fondamentales.
Notre compréhension actuelle est que l'interaction entre les objets physiques est décrite par quatre forces fondamentales. Deux d'entre eux - la gravité et l'électromagnétisme - apparaissent pour nous au niveau macroscopique, nous les traitons tous les jours. Les deux autres - interactions faibles et fortes - apparaissent à très petite échelle et uniquement lorsqu'il s'agit de processus subatomiques.
Le modèle standard des interactions fondamentales fournit une structure unique pour trois de ces forces, mais la gravité ne veut en aucun cas s'intégrer dans cette image. Malgré des descriptions précises de phénomènes à grande échelle tels que le comportement d'une planète en orbite ou la dynamique des galaxies, la relativité générale échoue à très courte distance. Selon le modèle standard, toutes les forces sont médiées par certaines particules. Dans le cas de la gravité, le travail est effectué par le graviton. Mais lorsque nous essayons de calculer les interactions de ces gravitons, des infinis sans signification apparaissent dans les équations.
Une théorie complète de la gravité doit fonctionner à n'importe quelle échelle et prendre en compte la nature quantique des particules fondamentales. Cela permettrait à la gravité de s'intégrer dans une structure combinée avec trois autres interactions fondamentales, créant ainsi la théorie notoire de tout. Bien entendu, depuis la mort d'Albert Einstein en 1955, des progrès importants ont été accomplis dans ce domaine. Notre meilleur candidat aujourd'hui s'appelle M-théorie.
La révolution des cordes
Pour comprendre l'idée de base de la théorie M, il faut remonter aux années 1970, lorsque les scientifiques ont réalisé qu'au lieu de décrire l'univers à partir de particules ponctuelles, il serait préférable de les décrire comme des cordes oscillantes (tubes d'énergie). Une nouvelle façon de comprendre les constituants fondamentaux de la nature a conduit à la solution de nombreux problèmes théoriques. Tout d'abord, une seule vibration d'une corde peut être interprétée comme un graviton. Et contrairement à la gravité standard, la théorie des cordes peut décrire ses interactions mathématiquement et ne pas obtenir d'étranges infinis. Cela signifie que la gravité peut être incluse dans la structure combinée.
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Après cette découverte passionnante, les physiciens théoriciens ont travaillé dur pour comprendre ses conséquences. Mais, comme c'est souvent le cas avec la recherche scientifique, l'histoire de la théorie des cordes est pleine de hauts et de bas. Au début, les gens étaient perplexes qu'elle prédit l'existence d'une particule qui se déplace plus vite que la lumière, le soi-disant «tachyon». Cette prédiction contredit toutes les observations expérimentales et jette une ombre sérieuse sur la théorie des cordes.
Néanmoins, ce problème a été résolu au début des années 1980 avec l'introduction de la soi-disant «supersymétrie» dans la théorie des cordes. Elle prédit que chaque particule a son propre super partenaire et, par une coïncidence inhabituelle, la même condition élimine en fait le tachyon. Ce premier succès est largement connu sous le nom de «première révolution des cordes».
Une autre caractéristique inhabituelle est que la théorie des cordes nécessite dix dimensions spatio-temporelles. Actuellement, nous n'en connaissons que quatre: la profondeur, la hauteur, la largeur et l'heure. Bien que cela semble être un obstacle majeur, plusieurs solutions ont été proposées jusqu'à présent, et cela semble actuellement être plus une caractéristique inhabituelle qu'un problème.
Par exemple, nous pourrions exister dans un monde à quatre dimensions sans aucun accès à des dimensions supplémentaires. Ou les dimensions supplémentaires pourraient être «compactes» et s'insérer dans des échelles si petites que nous ne les remarquerions pas. Cependant, différentes compactifications conduiraient à différentes valeurs de constantes physiques et à différentes lois de la physique. Une solution possible est que notre Univers n'est que l'un des nombreux univers d'un «univers multiple» infini régi par différentes lois physiques.
M-théorie
Il y avait un autre problème qui hantait les théoriciens des cordes de l'époque. Une classification minutieuse a révélé l'existence de cinq théories distinctes sur les cordes séquentielles, et il n'était pas clair pourquoi la nature devrait choisir l'une des cinq.
C'est là qu'entre en jeu la théorie M. Au cours de la deuxième révolution des cordes en 1995, les physiciens ont suggéré que cinq théories successives des cordes sont en fait des faces différentes d'une théorie unique qui existe dans onze dimensions de l'espace-temps appelée M-théorie. Il intègre chaque théorie des cordes dans une variété de contextes physiques tout en restant réalisable pour tout le monde. Cette image incroyablement fascinante a conduit la plupart des physiciens théoriciens à l'idée que la théorie M deviendra une théorie de tout - et elle est également mathématiquement plus cohérente que toute autre théorie proposée.
Quoi qu'il en soit, jusqu'à présent, la théorie M n'a pas été en mesure de produire des prédictions vérifiables expérimentalement. La supersymétrie est actuellement testée au Grand collisionneur de hadrons. Si les scientifiques pouvaient trouver des signes de l'existence de super partenaires, cela renforcerait finalement la position de la théorie M. Mais la physique théorique moderne n'est pas encore capable de donner des prédictions vérifiables, et la physique expérimentale ne peut pas présenter d'expériences pour cette vérification.
La plupart des grands physiciens et cosmologistes sont obsédés par la recherche de cette belle et simple description du monde qui pourrait tout expliquer. Et même si nous en sommes encore loin, sans des gens brillants et créatifs comme Hawking, ce serait complètement impossible.
Ilya Khel
