Qu'est-ce que la théorie des cordes?

La théorie des cordes est une théorie qui tente d'unifier la mécanique quantique et la relativité générale en une seule théorie. Elle postule que les particules sont des cordes. La mécanique quantique conçoit les particules comme des points de taille infinitésimale. Les différents modes de vibrations des cordes engendrent les différentes particules. Un des aspects controversé de la théorie des cordes est qu'elle nécessite au minimum dix dimensions pour engendrer toutes les particules et les interactions. Des variantes de la théorie nécessitent 23 dimensions! Et comble, il n'y avait pas une, mais 5 théories des cordes!

Heille, man! Les physiciens en fument du bon,
moi, je suis juste capable de voir 5 dimensions!

Dix dimensions n'étant pas assez, Edward Witten en a ajouté une autre! Il a montré que les cinq théories des cordes étaient des approximations d'une théorie générale à 11 dimensions nommé M théorie. Pourquoi le M? Personne ne le sait, sauf Ed Witten. Plus amusant encore, personne n'a jamais formulé la théorie M. Les théoriciens savent qu'elles existent, mais ne sont pas capable de l'écrire.

Vous ne saurez jamais ce que veux dire le M! Ha ha ha!
(Source: http://www.sns.ias.edu/~witten/)

Notre univers a quatre dimensions: trois d'espaces et une de temps. Comment l'univers peut-il avoir 11 dimensions sans que nous le sachions? Les théoriciens se sont grattés pas mal la tête pour arriver à une explication de ce paradoxe. Il y a deux hypothèses envisagés: les dimensions supplémentaires sont repliés sur elle même ou nous vivons dans un sous espace d'un espace à 11 dimensions et n'en voyons que quatre!

Des dimensions qui se replient sur elle-même? Heu... Oui, c'est mêlant. Prenez un ruban de Möbius. Habituellement, un ruban a deux faces. Si vous le twister et le coller, vous obtenez un ruban de Möbius. Si vous suivez une face, vous revenez à votre point de départ. Il n'y a plus qu'une seule face!

Magika! Il n'y a plus qu'une face!
(Source: http://en.wikipedia.org/wiki/M%C3%B6bius_strip)

Donc, une dimension qui se replie est un peu comme un ruban de Möbius. Si vous marchez, vous allez éventuellement revenir à votre point de départ. Dans la théorie des cordes, les dimensions cachées se replient sur elle-même rapidement. Pour être précis, elles se replient sur une distance plus courte que la longueur de Planck. Cette distance est tellement petite que nous ne sentons pas les dimensions cachés. Seules les cordes qui sont de l'ordre de la longueur de Planck les sentent. Maintenant, essayer d'imaginer 6 dimensions repliés sur elle-même. Apparemment, ça ressemble à cela:

Un Calabi-Yau, un ruban de Möbius sur les stéroïdes.
(Source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Calabi-Yau.png)

La seconde façon de ne percevoir que 4 dimensions sur 11 est... de vivre sur une des cordes. Plus précisément, sur un brane. Voilà, les cordistes se sont aperçus que leur théorie supportait d'autres objets que les cordes, comme des membranes, c'est-à-dire des objets à deux dimensions. Il est possible d'avoir des cordes, des membranes, des tribranes, etc jusqu'à 11. Le mot brane vient de la fin du mot membrane. Donc, un n-brane est une membrane en n dimensions.

Brane! Brane!

Selon la seconde hypothèse, notre univers est un 4-brane qui flotte dans un espace à 11 dimensions. Comme le brane a 4 dimensions, nous ne voyons que 4 dimensions, sauf pour la gravité, qui selon certaine variante, s’échapperait vers des dimensions supérieures, expliquant sa faible intensité.

La théorie des supercordes a supplanté la théorie des cordes en incluant la supersymétrie. La supersymétrie implique une relation profonde en les bosons et les fermions. Les bosons sont les particules responsables des forces et les fermions constituent les particules de matières. La supersymétrie implique que chaque fermion possède un super partenaire qui est un boson et que chaque boson possède un super partenaire qui est un fermion. Cette hypothèse est très séduisante pour les théoriciens, car elle permet d'unifier les forces à haute énergie de manière élégante. Par contre, aucune mesure expérimentale n'a confirmé cette hypothèse.

Est-ce que la théorie des cordes est une théorie sérieuse. Oui, c'est un sujet hyper chaud de la physique théorique depuis plus de 30 ans. Elle ne fait pas l'unanimité parmi la communauté scientifique. De grand physiciens, dont Richard Feynman ont critiqués la théorie des supercordes pour n'avoir apporté aucune prédiction expérimentale. Dernièrement, Lee Smolin a vertement critiqué la quantité de ressources attribué à la recherche sur la théorie des cordes en rapport avec sa capacité de prédiction dans son livre The Trouble With Physics.

Une théorie concurrente de la théorie des cordes est la gravitation quantique à boucle. Il y aussi la théorie d'Anthony Garrett Lisi qui utilise un espace mathématique particulier. Je vous recommande de regarder son Ted Talk (lien Lisi Ted Talk). C'est fascinant. L'avantage de sa théorie est qu'elle ne requiert que 4 dimensions.

Qu'est-ce que les scientifiques cherchent ou espèrent découvrir avec les accélérateurs de particules? (Partie 3)

Nous avons vu le boson de Higgs et les antiparticules, mais ils restent encore un autre champ de recherche très prisé par les scientifiques: les superparticules.

Qu'est-ce qu'une superparticule? Pour bien le comprendre, je dois introduire la sypersymétrie. La supersymétrie est une hypothèse théorique qui stipule une symétrie entre les bosons et les fermions. Rappelons que les bosons (ex.: photon) sont des particules qui véhiculent les forces et les fermions sont les particules qui constitue la matière (ex.: électron). Pour être plus précis, je devrais dire que les bosons obéisse à la statistique de Bose-Einstein et les fermions celle de Fermi-Dirac. Pour l'instant, juste se rappeler que les forces sont des bosons et la matière des fermions. Donc, la supersymétrie dit que chaque fermion a un super partenaire qui est un boson et inversement, que chaque boson possède un super partenaire qui est un fermion. Actuellement, personne n'a jamais observé de superparticules. Le Large Hadron Collider à Genève pourrait être le premier observateur à observer ces nouvelles particules qui confirmeraient la théorie de la supersymétrie.

Pourquoi est-ce important? Vous avez déjà entendu parler de la théorie des supercordes? Cette théorie postule que les particules sont des cordes minuscules. Les propriétés de chaque particule émergeraient des modes de vibration des cordes.

Les cordes vibres pour créer différentes particules.
(Source: http://www.gooduniverse.ca/blog1/?p=2259)

Le but ultime de la théorie des supercordes est d'unifier la mécanique quantique avec la relativité générale, créant une super théorie qui n’expliquerait pas mal tout. Mais voilà, le mot super dans supercordes vient de l'hypothèse de supersymétrie sur lequel est basé la théorie. Si la supersymétrie se révèle fausse, il en va de même pour la théorie des supercordes.

La plupart des modèles post modèle standard utilise l'hypothèse de sypersymétrie. S'il s'avère que les super partenaires n'existent pas, les physiciens théoriciens devront retourner à leur ardoise pour refaire complètement leur théorie.