La théorie des supercordes, dans le langage populaire, représente l'univers comme une collection de brins d'énergie vibrants - des cordes. Ils sont le fondement de la nature. L'hypothèse décrit également d'autres éléments - les branes. Toute la matière de notre monde est constituée de vibrations de cordes et de branes. Une conséquence naturelle de la théorie est la description de la gravité. C'est pourquoi les scientifiques pensent qu'il détient la clé pour unifier la gravité avec d'autres forces.
Concept en évolution
La théorie des champs unifiés, la théorie des supercordes, est purement mathématique. Comme tous les concepts physiques, il est basé sur des équations qui peuvent être interprétées de certaines manières.
Aujourd'hui, personne ne sait exactement quelle sera la version finale de cette théorie. Les scientifiques ont une idée assez vague de ses éléments généraux, mais personne n'a encore trouvé d'équation définitive qui couvrirait toutes les théories des supercordes, et expérimentalement, il n'a pas encore été en mesure de le confirmer (mais pas de le réfuter non plus). Les physiciens ont créé des versions simplifiées de l'équation, mais jusqu'à présent, elle ne décrit pas tout à fait notre univers.
Théorie des supercordes pour les débutants
L'hypothèse est basée sur cinq idées clés.
- La théorie des supercordes prédit que tous les objets de notre monde sont constitués de filaments vibrants et de membranes d'énergie.
- Elle essaie de combiner la relativité générale (gravité) avec la physique quantique.
- La théorie des supercordes unifiera toutes les forces fondamentales de l'univers.
- Cette hypothèse prédit une nouvelle connexion, la supersymétrie, entre deux types de particules fondamentalement différents, les bosons et les fermions.
- Le concept décrit un certain nombre de dimensions supplémentaires, généralement non observables, de l'Univers.
Cordes et branes
Lorsque la théorie a émergé dans les années 1970, les fils d'énergie qu'elle contenait étaient considérés comme des objets unidimensionnels - des cordes. Le mot "unidimensionnel" signifie que la chaîne n'a qu'une seule dimension, la longueur, contrairement, par exemple, à un carré, qui a à la fois une longueur et une hauteur.
La théorie divise ces supercordes en deux types - fermées et ouvertes. Une chaîne ouverte a des extrémités qui ne se touchent pas, tandis qu'une chaîne fermée est une boucle sans extrémités ouvertes. En conséquence, il a été constaté que ces chaînes, appelées chaînes du premier type, sont soumises à 5 principaux types d'interactions.
Les interactions sont basées sur la capacité d'une chaîne à se connecter et à séparer ses extrémités. Étant donné que les extrémités des chaînes ouvertes peuvent se combiner pour former des chaînes fermées, il est impossible de construire une théorie des superchaînes qui n'inclut pas les chaînes en boucle.
Cela s'est avéré important, car les cordes fermées ont des propriétés, selon les physiciens, qui pourraient décrire la gravité. Autrement dit, les scientifiquesréalisé que la théorie des supercordes, au lieu d'expliquer les particules de matière, peut décrire leur comportement et leur gravité.
Après de nombreuses années, on a découvert qu'en plus des cordes, d'autres éléments sont nécessaires à la théorie. Ils peuvent être considérés comme des feuilles ou des branes. Les cordes peuvent être attachées d'un côté ou des deux côtés.
Gravité quantique
La physique moderne repose sur deux lois scientifiques principales: la relativité générale (RG) et la loi quantique. Ils représentent des domaines scientifiques complètement différents. La physique quantique étudie les plus petites particules naturelles, et GR, en règle générale, décrit la nature à l'échelle des planètes, des galaxies et de l'univers dans son ensemble. Les hypothèses qui tentent de les unifier sont appelées théories de la gravité quantique. Le plus prometteur d'entre eux aujourd'hui est la ficelle.
Les fils fermés correspondent au comportement de la gravité. En particulier, ils ont les propriétés d'un graviton, une particule qui transporte la gravité entre les objets.
Unir nos forces
La théorie des cordes essaie de combiner les quatre forces - électromagnétique, forces nucléaires fortes et faibles et gravité - en une seule. Dans notre monde, elles se manifestent sous la forme de quatre phénomènes différents, mais les théoriciens des cordes pensent que dans l'univers primitif, lorsqu'il y avait des niveaux d'énergie incroyablement élevés, toutes ces forces sont décrites par des cordes interagissant les unes avec les autres.
Supersymétrie
Toutes les particules de l'univers peuvent être divisées en deux types: les bosons et les fermions. Théorie des cordesprédit qu'il existe une relation entre eux, appelée supersymétrie. En supersymétrie, il doit y avoir un fermion pour chaque boson et un boson pour chaque fermion. Malheureusement, l'existence de telles particules n'a pas été confirmée expérimentalement.
La supersymétrie est une relation mathématique entre des éléments d'équations physiques. Elle a été découverte dans un autre domaine de la physique, et son application a conduit au changement de nom de la théorie des cordes supersymétriques (ou théorie des supercordes, dans le langage populaire) au milieu des années 1970.
L'un des avantages de la supersymétrie est qu'elle simplifie grandement les équations en permettant d'éliminer certaines variables. Sans supersymétrie, les équations conduisent à des contradictions physiques telles que des valeurs infinies et des niveaux d'énergie imaginaires.
Parce que les scientifiques n'ont pas observé les particules prédites par la supersymétrie, cela reste une hypothèse. De nombreux physiciens pensent que la raison en est le besoin d'une quantité importante d'énergie, qui est liée à la masse par la célèbre équation d'Einstein E=mc2. Ces particules auraient pu exister dans l'univers primitif, mais à mesure qu'il se refroidissait et que l'énergie se répandait après le Big Bang, ces particules se sont déplacées vers des niveaux d'énergie faibles.
En d'autres termes, les cordes qui vibraient en tant que particules à haute énergie ont perdu leur énergie, les transformant en éléments de vibration plus faible.
Les scientifiques espèrent que des observations astronomiques ou des expériences avec des accélérateurs de particules confirmeront la théorie en révélant certains des éléments supersymétriques avec un plus hauténergie.
Mesures supplémentaires
Une autre conséquence mathématique de la théorie des cordes est qu'elle a du sens dans un monde à plus de trois dimensions. Il y a actuellement deux explications à cela:
- Les dimensions supplémentaires (six d'entre elles) se sont effondrées ou, dans la terminologie de la théorie des cordes, compactées à des tailles incroyablement petites qui ne seront jamais perçues.
- Nous sommes coincés dans la brane 3D, et les autres dimensions s'étendent au-delà et nous sont inaccessibles.
Une ligne de recherche importante parmi les théoriciens est la modélisation mathématique de la façon dont ces coordonnées supplémentaires pourraient être liées aux nôtres. Les derniers résultats prédisent que les scientifiques seront bientôt en mesure de détecter ces dimensions supplémentaires (si elles existent) dans les expériences à venir, car elles pourraient être plus grandes que prévu.
Comprendre le but
L'objectif que les scientifiques s'efforcent d'atteindre lorsqu'ils explorent les supercordes est une "théorie de tout", c'est-à-dire une hypothèse physique unique qui décrit l'ensemble de la réalité physique à un niveau fondamental. En cas de succès, cela pourrait clarifier de nombreuses questions sur la structure de notre univers.
Explication de la matière et de la masse
L'une des tâches principales de la recherche moderne est de trouver des solutions pour les particules réelles.
La théorie des cordes a commencé comme un concept décrivant des particules telles que les hadrons dans divers états vibratoires supérieurs d'une corde. Dans la plupart des formulations modernes, la matière observée dans notreunivers, est le résultat des vibrations des cordes et des branes avec la plus faible énergie. Des vibrations plus élevées génèrent des particules à haute énergie qui n'existent pas actuellement dans notre monde.
La masse de ces particules élémentaires est une manifestation de la façon dont les cordes et les branes sont enveloppées dans des dimensions supplémentaires compactées. Par exemple, dans un cas simplifié où ils sont pliés en forme de beignet, appelé tore par les mathématiciens et les physiciens, une chaîne peut envelopper cette forme de deux manières:
- boucle courte au milieu du tore;
- une longue boucle autour de toute la circonférence extérieure du tore.
Une boucle courte sera une particule légère, et une grande boucle sera lourde. Enrouler des cordes autour de dimensions toroïdales compactées produit de nouveaux éléments avec des masses différentes.
La théorie des supercordes explique de manière concise et claire, simple et élégante la transition de la longueur vers la masse. Les dimensions pliées ici sont beaucoup plus compliquées que le tore, mais en principe elles fonctionnent de la même manière.
Il est même possible, bien que difficile à imaginer, que la corde s'enroule autour du tore dans deux directions en même temps, ce qui donne une particule différente avec une masse différente. Les branes peuvent également envelopper des dimensions supplémentaires, créant encore plus de possibilités.
Déterminer l'espace et le temps
Dans de nombreuses versions de la théorie des supercordes, les dimensions s'effondrent, les rendant inobservables au niveau actuel de développement technologique.
Actuellement, il n'est pas clair si la théorie des cordes peut expliquer la nature fondamentale de l'espace et du tempsplus qu'Einstein. Dans ce document, les mesures sont l'arrière-plan de l'interaction des cordes et n'ont aucune signification réelle indépendante.
Des explications ont été proposées, pas complètement développées, concernant la représentation de l'espace-temps comme une dérivée de la somme totale de toutes les interactions de cordes.
Cette approche ne correspond pas aux idées de certains physiciens, ce qui a conduit à critiquer l'hypothèse. La théorie compétitive de la gravitation quantique à boucles utilise la quantification de l'espace et du temps comme point de départ. Certains pensent que cela finira par être simplement une approche différente de la même hypothèse de base.
Quantification de la gravité
La principale réalisation de cette hypothèse, si elle est confirmée, sera la théorie quantique de la gravité. La description actuelle de la gravité en relativité générale est incompatible avec la physique quantique. Ce dernier, en imposant des restrictions sur le comportement des petites particules, conduit à des contradictions lorsqu'on essaie d'explorer l'Univers à une échelle extrêmement petite.
Unification des forces
Actuellement, les physiciens connaissent quatre forces fondamentales: la gravité, l'électromagnétisme, les interactions nucléaires faibles et fortes. Il découle de la théorie des cordes qu'ils étaient tous autrefois des manifestations d'un seul.
Selon cette hypothèse, depuis que l'univers primitif s'est refroidi après le big bang, cette interaction unique a commencé à se diviser en différentes interactions qui sont actives aujourd'hui.
Les expériences à haute énergie nous permettront un jour de découvrir l'unification de ces forces, bien que de telles expériences soient bien au-delà du développement actuel de la technologie.
Cinq choix
Après la révolution des supercordes en 1984, le développement s'est poursuivi à un rythme effréné. En conséquence, au lieu d'un concept, il y en avait cinq, nommés types I, IIA, IIB, HO, HE, chacun décrivant presque complètement notre monde, mais pas complètement.
Les physiciens, triant les versions de la théorie des cordes dans l'espoir de trouver une vraie formule universelle, ont créé 5 versions différentes autosuffisantes. Certaines de leurs propriétés reflétaient la réalité physique du monde, d'autres ne correspondaient pas à la réalité.
Théorie M
Lors d'une conférence en 1995, le physicien Edward Witten a proposé une solution audacieuse au problème des cinq hypothèses. Sur la base de la dualité nouvellement découverte, ils sont tous devenus des cas particuliers d'un seul concept global, appelé la théorie M des supercordes de Witten. L'un de ses concepts clés était les branes (abréviation de membrane), des objets fondamentaux à plus d'une dimension. Bien que l'auteur n'ait pas proposé de version complète, qui n'est pas encore disponible, la théorie M des supercordes comprend brièvement les caractéristiques suivantes:
- 11 dimensions (10 dimensions spatiales plus 1 dimension temporelle);
- dualités qui conduisent à cinq théories expliquant la même réalité physique;
- les branes sont des chaînes à plus d'une dimension.
Conséquences
En conséquence, au lieu d'une, il y avait 10500 solutions. Pour certains physiciens, cela a provoqué une crise, tandis que d'autres ont accepté le principe anthropique, qui explique les propriétés de l'univers par notre présence en son sein. Reste à savoir quand les théoriciens trouveront un autrevoie d'orientation dans la théorie des supercordes.
Certaines interprétations suggèrent que notre monde n'est pas le seul. Les versions les plus radicales autorisent l'existence d'un nombre infini d'univers, dont certains contiennent des copies exactes du nôtre.
La théorie d'Einstein prédit l'existence d'un espace enroulé, appelé trou de ver ou pont d'Einstein-Rosen. Dans ce cas, deux sites distants sont reliés par un court passage. La théorie des supercordes permet non seulement cela, mais aussi la connexion de points distants de mondes parallèles. Il est même possible de passer d'un univers à l'autre avec des lois physiques différentes. Cependant, il est probable que la théorie quantique de la gravité rendra leur existence impossible.
De nombreux physiciens pensent que le principe holographique, lorsque toutes les informations contenues dans le volume de l'espace correspondent aux informations enregistrées à sa surface, permettra une compréhension plus approfondie du concept de fils énergétiques.
Certains pensent que la théorie des supercordes autorise plusieurs dimensions du temps, ce qui pourrait entraîner un voyage à travers elles.
De plus, dans le cadre de l'hypothèse, il existe une alternative au modèle du big bang, selon laquelle notre univers est apparu à la suite d'une collision de deux branes et traverse des cycles répétés de création et de destruction.
Le destin ultime de l'univers a toujours occupé les physiciens, et la version finale de la théorie des cordes aidera à déterminer la densité de la matière et la constante cosmologique. Connaissant ces valeurs, les cosmologistes peuvent déterminer si l'universrétrécir jusqu'à ce qu'il explose pour tout recommencer.
Personne ne sait où une théorie scientifique peut mener tant qu'elle n'est pas développée et testée. Einstein, en écrivant l'équation E=mc2, ne s'attendait pas à ce que cela conduise à l'apparition d'armes nucléaires. Les créateurs de la physique quantique ne savaient pas qu'elle deviendrait la base de la création d'un laser et d'un transistor. Et bien que l'on ne sache pas encore à quoi mènera un tel concept purement théorique, l'histoire montre que quelque chose d'exceptionnel se produira sûrement.
Pour en savoir plus sur cette conjecture, voir la théorie des supercordes d'Andrew Zimmerman pour les nuls.
