Les supercordes, ou théorie des supercordes, sont un domaine passionnant de la physique parfois appelé la théorie du tout. Beaucoup pensent que c’est l’explication unificatrice insaisissable recherchée par Einstein qui pourrait expliquer toutes les forces connues dans l’univers.
Jusqu’à l’arrivée des supercordes, les scientifiques avaient deux théories opposées sur le comportement des lois de la nature : la théorie de la relativité générale d’Einstein et la mécanique quantique.
La Relativité Générale explique le monde tel que nous le connaissons à une échelle assez massive. Il décrit l’espace-temps comme un tissu déformé par la masse représentant les systèmes orbitaux, les galaxies et la force de gravité. Mais ces lois s’effondrent au niveau quantique où une particule subatomique ne peut pas être mesurée en fonction de sa position exacte dans l’espace à un moment donné. Il est également aussi susceptible de reculer dans le temps que d’avancer, et peut même sembler se trouver à deux endroits simultanément. Le monde de l’infiniment petit est si bizarre que les scientifiques ont inventé le terme étrangeté quantique pour le décrire.
Le problème pour les physiciens était de proposer une théorie qui unirait le monde que nous connaissons avec le monde quantique. Une explication pour expliquer les quatre forces connues : la gravité, les forces nucléaires fortes et faibles et l’électromagnétisme. Les supercordes pourraient être cette réponse.
Grâce à des équations mathématiques, il est devenu évident que la façon dont nous avions précédemment pensé aux particules comme des points ou des petites boules d’énergie était inexacte. Ces minuscules morceaux de matière se comportaient en fait plus comme des cordes tremblantes et vibrantes. Les cordes sont si petites que Brian Greene, physicien et partisan, explique que si un seul atome avait la taille de notre système solaire, une corde n’aurait que la taille d’un arbre. Pourtant, les cordes composent toute la matière à partir du niveau quantique.
La façon dont les cordes vibrent détermine les propriétés spécifiques de chaque particule, assimilant l’univers à une symphonie cosmique de supercordes. Mais pour débarrasser la théorie des anomalies mathématiques, six dimensions supplémentaires étaient nécessaires. Les six dimensions supplémentaires forment de minuscules formes 6D recroquevillées à chaque point de notre espace. À l’intérieur de ces formes 6D se trouvent les cordes de la théorie des supercordes. Les six dimensions supplémentaires, plus nos trois, signifiaient qu’il y avait vraiment 9 dimensions. Ajoutez un de plus pour le temps, et le total était de 10 dimensions. Aussi surprenant que cela ait été, ce n’était pas la fin.
En 1995, différentes théories des supercordes ont présenté une énigme jusqu’à ce que la théorie M les unisse. Le seul hic ? La théorie M exigeait mathématiquement une 11e dimension. Cela a présenté une nouvelle image des cordes selon laquelle, avec suffisamment d’énergie, une corde pourrait s’étirer pour devenir une membrane flottante extrêmement grande, appelée brane en abrégé. Les branes peuvent avoir des propriétés dimensionnelles différentes et devenir aussi grandes qu’un univers. En fait, selon la théorie, notre univers entier existe sur une brane flottante – juste une des nombreuses branes flottantes qui supportent chacune leur propre univers parallèle. Chaque brane représente une tranche d’un espace ou d’un volume de dimension supérieure.
Bien que le modèle standard des années 1970 ait déjà uni trois des quatre forces dans une théorie unifiée, la gravité ne pouvait pas être conciliée avec les trois forces quantiques. Mais une percée dans les supercordes englobait la force insaisissable de la gravité, murmurant le Saint Graal de la physique. Si une particule hypothétique sans masse responsable de la transmission de la gravité – le graviton – existe au niveau quantique sous forme de corde fermée, cela présenterait un lien gravitationnel direct avec la théorie des supercordes.
La théorie prédit que les cordes peuvent être ouvertes ou fermées. Les ficelles ouvertes, ou les ficelles qui ressemblent à de petits cheveux qui se tortillent, ont au moins une extrémité attachée à la membrane comme un tramway est attaché par un câble supérieur à une ligne électrique. Les cordes peuvent se déplacer à travers la brane mais ne peuvent pas la quitter, ce qui explique pourquoi nous ne pouvons pas physiquement voir ou atteindre notre dimension. Les atomes qui composent notre corps sont composés de cordes ouvertes qui ont des extrémités attachées à notre membrane 3-D. Une autre façon de voir les choses est de considérer un écran de cinéma. Les personnes sur un écran semblent être en trois dimensions, mais elles ne peuvent pas réellement atteindre notre monde en 3D. Ils sont coincés dans leur monde 2D, tout comme nous sommes coincés dans notre monde 3D et ne pouvons pas atteindre les dimensions voisines. Les scientifiques appellent cela des degrés de liberté.
Mais le graviton est différent. En tant que chaîne ou boucle fermée sans points d’extrémité attachés, il a été théorisé qu’elle pourrait être capable d’échapper à notre brane 3D et de s’infiltrer dans d’autres dimensions. Cela expliquerait pourquoi la gravité est plusieurs fois plus faible que les autres forces.
Cependant, et si l’inverse était vrai ? Et si la gravité sur une brane parallèle était aussi forte que les autres forces, mais qu’elle était plus faible ici parce qu’elle ne faisait que s’infiltrer dans notre dimension ? Mathématiquement, la théorie des supercordes a de nouveau fonctionné à merveille et a finalement avancé une explication plausible de la faiblesse de la gravité tout en l’unissant aux trois autres forces.
Il ne restait qu’un obstacle : la théorie unificatrice devrait également pouvoir expliquer le Big Bang. Quatre physiciens voyageant ensemble dans un train ont abordé ce sujet avec désinvolture. L’un d’eux a posé la question : Que se passerait-il si deux branes se heurtaient ? La réponse mathématique plausible s’est avérée être le Big Bang.
Les détracteurs de la théorie des supercordes soulignent le manque de preuves et la difficulté à les fournir. Est-ce juste une belle construction mathématique ? Une philosophie ? Ou une vraie explication de notre monde ? Aucune autre théorie n’a réussi à unifier mathématiquement les quatre forces, et encore moins à fournir une explication au Big Bang. Mais prouver que d’autres dimensions existent – branes flottantes et univers parallèles – a été un point d’achoppement majeur.
Néanmoins, les partisans de la théorie élégante sont impatients de la voir prouvée, et les scientifiques ont depuis découvert qu’il peut y avoir une preuve observable de cordes astronomiquement grandes. Ainsi, la théorie des supercordes continue de gagner du terrain. En fin de compte, en cas de succès, des 11 dimensions aux univers parallèles, des galaxies tourbillonnantes à la soupe quantique, les supercordes pourraient bien être vraiment la théorie du tout.