Théorie des cordes

La théorie des cordes est l'une des voies envisagées pour régler une des questions majeures de la physique théorique : fournir une description de la gravité quantique c'est-à-dire l'unification de la mécanique quantique (inévitable pour décrire la physique aux petites échelles) et de la théorie de la relativité générale (nécessaire pour décrire la gravitation de manière relativiste). La principale particularité de la théorie des cordes est que son ambition ne s'arrête pas à cette réconciliation, mais qu'elle prétend réussir à unifier les quatre interactions élémentaires connues, on parle de théorie du tout, tout en reposant sur deux hypothèses assez révolutionnaires :

• Les briques fondamentales de l'Univers ne seraient pas des particules ponctuelles mais des sortes de cordelettes vibrantes possédant une tension à la manière d'un élastique. Ce que nous percevons comme des particules de caractéristiques distinctes (masse, charge électrique, etc) ne seraient que des cordes vibrant différemment. Avec cette hypothèse, les théories des cordes admettent une échelle minimale, reliée à la taille de Planck, et permettent ainsi d'éviter facilement l'apparition de certaines quantités infinies (on parle de « divergences ») qui sont inévitables dans les théories quantiques de champs habituelles.
• L'univers contiendrait plus de trois dimensions spatiales. Certaines d'entre elles, repliées sur elles-mêmes (voir les théories d'Oskar Klein), passant inaperçues à nos échelles (par une procédure appelée réduction dimensionnelle).

La théorie des supercordes est une tentative d'expliquer toutes les particules et forces fondamentales de la nature, en les modélisant comme les vibrations de minuscules cordes supersymétriques. Elle est considérée comme la plus prometteuse des théories pour une gravité quantique, même si elle souffre des mêmes défauts que la théorie des cordes (impossibilité actuelle de réaliser la moindre expérience de vérification).

Actuellement, le problème le plus fondamental en physique théorique est la grande unification, ou, autrement dit, l'harmonisation de la théorie de la relativité générale, qui décrit la gravité, et s'applique bien aux grandes structures (étoiles, planètes, galaxies), et de la mécanique quantique qui décrit les trois autres forces fondamentales connues : électromagnétique(EM), l'intéraction faible(W) et forte(S).

La physique des particules élémentaires modélise celles-ci comme des points dans l'espace et les fait interagir à distance nulle, ce qui amène à des résultats de valeurs infinies. Les physiciens ont développé des techniques mathématiques, dites de renormalisation, pour éliminer ces infinis, qui fonctionnent pour les forces électromagnétiques, nucléaire forte et nucléaire faible, mais pas pour la gravité : à distance nulle la théorie de la gravité d'Einstein ne fonctionne pas.

L'idée de départ est que les constituants fondamentaux de la réalité seraient des cordes d'une longueur de l'ordre de la longueur de Planck (approx. 10^-33 cm), qui vibreraient à des fréquences de résonance. Par exemple, cette théorie prédit que le graviton (la particule candidate pour la gravité quantique, qui transmettrait la force de gravitation) serait une corde ayant une amplitude d'onde de zéro. Comme en physique quantique, elle aurait un spin de 2 et une masse nulle.

Une autre conclusion importante est qu'il n'y a pas de différence mesurable entre des cordes qui s'enroulent autour d'une dimension et celles qui se déplacent dans les dimensions (c.-à-d., les effets dans une dimension de taille R sont les mêmes que dans une dimension de taille 1/R).

Des dimensions supplémentaires

Articles détaillés : Théorie de Kaluza-Klein, Réduction dimensionnelle et Dimensions enroulées.

Selon la théorie des cordes, notre monde, apparemment tridimensionnel, serait non pas constitué de trois dimensions spatiales, mais de 10, 11, ou même 26 dimensions^[2]. Sans ces dimensions supplémentaires, la théorie s'écroule. En effet, la cohérence mathématique impose la présence de dimensions supplémentaires. La raison pour laquelle elles restent invisibles, est qu'elles seraient enroulées par le procédé de la réduction dimensionnelle a une échelle microscopique (des milliards de fois plus petit qu'un atome !!), ce qui ne nous permettrait pas de les détecter.

En effet, si on imagine un cable vu de loin, celui ci ne représente qu'une droite sans épaisseur, un objet unidimensionnel. Si l'on se rapproche assez près, on s'aperçoit qu'il y a bien une deuxième dimension, celle qui s'entoure autour du câble! D'après la théorie des cordes, le tissu spatial pourrait avoir de très grandes dimensions comme nos trois dimensions habituelles mais également de petites dimensions enroulées sur elles même.

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