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Pour les débutants, la théorie des cordes est d’abord une idée fascinante, mais très abstraite, qui stipule que les éléments constitutifs fondamentaux de l’univers ne sont pas des particules ponctuelles, mais de minuscules cordes vibrantes (strings) de longueur Planck.
La théorie des cordes pour les débutants : origine et idée de base
La théorie des cordes est apparue à la fin des années 1960 et au début des années 1970, initialement comme une tentative de décrire de manière uniforme les nombreuses particules élémentaires et forces présentes dans la nature, en particulier dans le domaine des interactions fortes.
- Les scientifiques ont remarqué que de nombreux phénomènes pouvaient être expliqués par des modèles si l’on considérait les particules non pas comme des points, mais comme de petites « cordes » unidimensionnelles.
- La théorie des cordes bosoniques a été l’une des premières variantes et ne décrit que les bosons, c’est-à-dire les particules à spin entier, mais elle se heurte à des problèmes, par exemple l’existence d’états tachyoniques (particules à masse imaginaire) et le fait que les fermions (particules à spin demi-entier) ne sont pas pris en compte.
- Plus tard, la théorie a été développée pour devenir la théorie des supercordes, qui inclut à la fois les bosons et les fermions et applique le principe de supersymétrie, c’est-à-dire qu’à chaque boson correspond un partenaire fermionique. Cette évolution a été importante pour surmonter les faiblesses de la théorie bosonique.
Voici comment fonctionne la théorie : Oscillations, dimensions et compactification
L’idée de base est la suivante : toute la matière et toutes les interactions sont constituées de minuscules cordes oscillantes.
- Différents types d’oscillations de ces cordes produisent différentes particules avec différentes propriétés telles que la masse, la charge ou le spin, un peu comme une corde d’instrument de musique, où différentes oscillations produisent différents sons. Une corde peut être ouverte (avec des extrémités) ou fermée (en forme d’anneau), et selon la façon dont elle oscille, une certaine propriété de particule apparaît.
- Pour que cette théorie fonctionne de manière mathématiquement cohérente, elle nécessite plus que nos quatre dimensions connues (trois spatiales, une temporelle). Dans la théorie des cordes bosoniques, il s’agit de 26 dimensions, dans la théorie des supercordes, de 10 dimensions. Les dimensions supplémentaires sont postulées comme étant « enroulées » ou compactifiées à une échelle microscopique, ce qui signifie que nous ne les percevons pas dans notre vie quotidienne, car elles sont très petites ou cachées dans des structures topologiques particulières.
- Un modèle courant pour cela est ce qu’on appelle les variétés de Calabi-Yau, des formes spatiales spéciales qui peuvent accueillir les six dimensions spatiales supplémentaires de la théorie des supercordes sans enfreindre les lois physiques connues.
Ambition et situation actuelle
Le grand objectif de la théorie des cordes est de réunir la théorie quantique (qui décrit le comportement des particules dans le microcosme) et la théorie générale de la relativité (qui traite de la gravitation et du comportement de l’espace et du temps dans le macrocosme) dans un cadre uniforme.
- Jusqu’à présent, ces deux théories ne sont pas entièrement compatibles, en particulier lorsqu’on considère des distances très petites (échelle de Planck) ou une gravitation très forte (par exemple, les trous noirs). La théorie des cordes pourrait être une « formule universelle » dans laquelle les deux seraient réunies.
- Il existe différentes variantes de la théorie des supercordes, par exemple les théories de type I, IIA, IIB, hétérotiques (E₈×E₈ et SO(32)), qui diffèrent par le type de cordes (ouvertes/fermées), le nombre de supersymétries et leurs propriétés.
- À l’heure actuelle, il n’existe aucune preuve expérimentale qui confirme clairement la théorie des cordes. Aucune particule supersymétrique n’a encore été découverte et aucune dimension supplémentaire n’a pu être mesurée.
- Bon nombre des structures mathématiques, des compactifications et des choix de la variété de Calabi-Yau font l’objet de recherches intensives, mais leurs effets sur les phénomènes physiques observables restent hypothétiques.
