Cinq théories des cordes, cela faisait trop (voir page précédente).

En 1995, les théoriciens des cordes du monde entier se réunissent à l'université de Californie du Sud à l'occasion de leur conférence annuelle. Ed Witten, considéré comme l'un des plus grands physiciens au monde, va y ébranler la communauté scientifique.

Pour résoudre le problème des 5 théories, Witten conçoit une nouvelle approche de la théorie des cordes. Le point de vue sous lequel Witten place la théorie des cordes montre qu'il n'y a pas 5 théories des cordes différentes. Tels des reflets dans un mur de mirroirs, les 5 théories s'avèrent n'être que 5 manières différentes de regarder la même chose.

La théorie des cordes ainsi enfin unifiée prend le nom de théorie M. Sur quoi repose cette théorie ?

Avant la théorie M, les cordes semblaient opérer dans un monde qui avait 10 dimensions, à savoir les 3 dimensions que nous connaissons, la 4ème étant le temps, plus les 6 dimensions subatomiques qui découlent des équations de la théorie des cordes. Les cordes ne peuvent en effet se déplacer que s'il y a plus de trois dimensions.

Mais la théorie M va encore plus loin et impose une nouvelle dimension spatiale, portant le nombre total à ce jour à 11 dimensions.

Il faut en effet 11 dimensions pour que cette théorie ait un sens. Notre cerveau se servant de 4 dimensions dont nous faisons une expérience quotidienne, il nous est impossible de discerner les autres dimensions. Alors comment s'en faire une idée ?

Au cinéma, même si les personnages nous semblent être sur l'écran en trois dimensions, il est clair qu'ils sont confinés dans seulement deux dimensions. Il n'y a pas de profondeur sur un écran. C'est une illusion d'optique.
Le fait d'avoir des dimensions supplémentaires donne une liberté de mouvement plus grande. Il peut s'avérer parfois utile, dans certaines situations, d'emprunter une autre dimension.

Les dimensions ont toutes un rapport avec les différents axes selon lesquels on se déplace, et on les appelle parfois degrés de liberté. Et s'il y a vraiment 11 dimensions, les cordes peuvent faire plein de choses.

Trous de verre et cordes réparatrices

Nous savons tous que la plus courte distance pour aller d'un point à un autre est la ligne droite. Et il faut un certain temps pour se rendre de ce point à l'autre. En allant de plus en plus vite, on pourrait réduire la durée du trajet, mais comme rien ne peut dépasser la vitesse de la lumière, il y a bien une limite incompressible au temps qu'on peut gagner sur ce trajet.

Quand Albert Einstein étudie la structure de l'univers, il affirme que l'espace n'est pas statique, qu'il peut se tordre et s'étirer. Il peut même y avoir des structures spatiales inhabituelles appelées “trous de verre”. Un trou de verre est un pont, ou tunnel, entre deux régions éloignées de l'espace, une sorte de raccouci cosmique.

Mais il ya un hic. Pour créer un trou de verre il faut former un trou en déchirant ou en perçant le tissu spatial. Mais peut-on déchirer le tissu de l'espace ? Est-ce que cette première étape dans la formation d'un trou de verre est réalisable ? Selon les lois d'Einstein c'est impossible. L'espace peut s'étirer et se tordre mais pas se déchirer. Les trous de verre, ces raccoucis cosmiques, existent peut-être quelque part, pleinement formés, mais on ne peut pas déchirer l'espace pour en créer de nouveaux.

Mais si on pouvait rapetisser jusqu'à atteindre près d'un millionième de milliardième de notre taille normale, on pourrait entrer dans le monde de la mécanique quantique, les lois qui régissent le comportement des atomes, ce monde de la lumière, de l'électricité et de tous les phénomènes opérant à l'échelle de l'infiniment petit. Ici la structure de l'espace est aléatoire et chaotique. Et les déchirures sont peut-être ici des évènements anodins. (Notons ici que les peut-être deviennent plus nombreux dans le texte, puisque l'expérience n'a pas prouvé ces suppositions)

Mais si c'est le cas, comment expliquer le fait qu'une déchirure du tissu spatial n'engendre pas de catastrophe cosmique ?

C'est là qu'interviendrait la puissance des cordes. Les cordes apaisent le chaos, et lorsqu'une seule et unique corde danse à travers l'espace, elle le balaie et forme ainsi un tube. Celui-ci peut agir à la manière d'une bulle, en venant entourer la déchirure, faisant office de bouclier protecteur.

En fait ce sont les cordes qui permettent à l'espace de se déchirer, puisqu'elles peuvent réparer les "dégâts". Ce qui veut dire que l'espace est beaucoup plus dynamique et changeant que tout ce qu'Albert Einstein avait cru.

Un monde fait de membranes géantes ?

Dans le cadre de ces théories des cordes, on a découvert qu'il y avait des objets qui n'étaient pas des seulement des cordes. Ils étaient plus grands et ressemblaient à des membranes ou à des surfaces.

La dimension supplémentaire introduite par Witten permet à une corde de s'étirer jusqu'à former une sorte de membrane, ou brane en abrégé. Une membrane peut être tridimensionnelle, voire davantage. Et à supposer qu'elle dispose d'une énergie suffisante, elle peut atteindre une taille considérable. Pourquoi pas aussi étendue qu'un univers ?

Et maintenant qu'il n'y a plus seulement des cordes, mais aussi des membranes, les théoriciens ne sont pas sûrs qu'il s'agit vraiment d'une théorie des cordes, même si on continue de l'appeler ainsi.

L'existence de membranes géantes et de dimensions supplémentaires ouvrirait une perspective surprenante. Notre univers pourrait bien se trouver sur une membrane, au sein d'un espace de dimension supérieure bien plus étendu.

Notre univers serait peut-être alors comme une tranche de pain dans une miche appelée le bulk par les physiciens. Et si cette théorie est fondée, le bulk pourrait comporter d'autres tranches, d'autres univers juste à côté du nôtre, autrement dit des univers parallèles. Et tous ces univers évolueraient dans les dimensions de la théorie M, dimensions qui sont présentes tout autour de nous.

Mais alors pourquoi ne pouvons-nous pas les voir ou les toucher de la main ?

Parce que si vous êtes sur une membrane plongée dans un espace de dimension supérieure et que vos particules, vos atomes ne peuvent sortir de cette membrane, c'est comme si vous tendiez le bras et que vous ne puissiez rien attraper. Ce raisonnement implique que notre représentation de l'univers est brouillée par le fait que nous sommes confinés dans une minuscule tranche de l'univers de dimension supérieur. Ce raisonnement est puissant aux yeux des physiciens parce qu'il pourrait expliquer et résoudre l'un des plus grands mystères auquel se trouve confronté la science moderne, et qui concerne la gravité.

La gravité que l'on croit être forte est en fait une force très faible au regard des autres forces. D'ailleurs il ne nous est absolument pas difficile de surmonter cette force gravitationnelle, et nous le faisons d'ailleurs à chaque instant. Si on ramasse un objet tombé au sol, la gravité de la terre entière peut bien le plaquer au sol, si sa masse n'est pas trop élevée, les muscles de notre bras le soulèveront sans difficulté. Un aimant peut en faire autant avec un objet en métal. D'ailleurs la force électromagnétique est bien plus puissante que la gravité (quelques milliers de milliards de milliards de milliards de milliards de fois plus puissante, soit le chiffre 1 suivi de 39 zéros).
La faiblesse de la gravité déconcertait les scientifiques, mais le monde des cordes, des membranes et des dimensions supplémentaires offre une toute nouvelle perspective sur le sujet.

Retour à la gravité

En fait la gravité n'est pas faible comparée à toutes les autres forces. C'est juste une apparence. Elle est peut-être toute aussi forte que l'électromagnétisme, mais pour une raison ou une autre, nous ne percevons pas toute sa puissance.

Imaginons que la surface d'une table de billard représente notre univers tridimensionnel, bien que cette surface ne soit que bi-dimensionnelle. Les boules de billard représentent les atomes et les autres particules dont est composé l'univers. L'idée est celle-ci : les atomes et particules composant les éléments du monde qui nous entoure vont rester sur cette membrane particulière qui est la notre, notre tranche d'univers, tout comme les boules de billard restent sur cette surface.

Mais à l'instant ou les boules de billard entrent en collision, il y a bien toujours quelque chose qui s'échappe de la table : des ondes sonores qui nous permettent d'entendre la collision, bien que nous ne soyons pas nous-mêmes sur la table de billard.

L'idée c'est que la gravité est peut-être semblable aux ondes sonores et n'est peut-être pas confinée à notre membrane. Elle serait alors capable de s'échapper de cette partie de l'univers qui est la nôtre.

Ou alors, imaginons que notre univers ressemble à une tranche de pain grillée et que toute la matière ainsi que la lumière et tout ce que l'on voit soit comme de la gelée. Cette gelée étalée sur la tartine y reste collée et ne peut quitter d'elle-même la surface. Imaginons maintenant que la gravité soit différente de cette gelée, comme du sucre par exemple. Cette matière n'est pas collante et elle va tomber facilement de la tartine.

Mais pourquoi la gravité serait-elle aussi différente de tous les phénomènes que nous connaissons dans l'univers ? La théorie M des cordes propose une réponse.

Tout est question de forme. Pendant des années on s'est concentré sur des cordes formant des boucles fermées, telles des élastiques. Mais d'autres types de cordes ont attiré l'attention.

Des cordes de différents types

On pense à présent que tous les éléments que l'on voit autour de nous comme la matière, la lumière, sont constitués de cordes ouvertes dont les extrémités sont rattachées à notre membrane tridimensionnelle, comme des arcs de cercle.

Mais les boucles fermées existent bel et bien, et l'une d'elles transmet la force de gravité. C'est ce qu'on appelle un graviton.

Ces boucles étant fermées, leurs extrémités ne peuvent se rattacher à la membrane, et les gravitons sont donc libres de s'échapper dans d'autres dimensions. La force de gravité s'en trouve diluée et paraît donc plus faible que les autres forces de la nature.
Une propriété qui laisse entrevoir une possibilité fascinante.

Si nous vivons bien sur une membrane et que des univers parallèles existent aussi, sur d'autres membranes à côté de nous, peut-être ne pourra-t'on jamais les voir, mais les percevoir à travers la gravité.

Le big bang revisité

Une théorie controversée affirme que ces univers parallèles seraient à l'origine de notre existence.

Le big bang a étiré la structure de l'espace et déclanché la série d'évènements qui a donné naissance à l'univers que nous connaissons. Mais la théorie du big bang a toujours posé un certain nombre de problèmes.

En premier lieu lorsqu'on confine l'univers entier dans un espace infiniment petit et extrêmement dense, arrive un moment ou les lois de la physique ne s'appliquent plus et n'ont plus aucun sens. Les formules qu'on utilise commencent à donner des réponses absurdes. On est coincé.

Et puis il y a le bang lui-même. De quoi s'agit-il exactement ? Le modèle standard de la théorie du big bang ne dit pas ce qui a explosé, ni ce qui s'est passé avant, ni ce qui a provoqué l'explosion.

Burt Ovrut, de l'Université de Pennsylvanie déclare :"Faut-il vraiment croire que l'univers a commencé par une explosion à partir du néant ? Je ne suis pas phylosophe, donc je ne me prononcerai pas. Je peux imaginer que pour un philosophe c'est un problème, et je pense que pour un physicien c'en est un aussi."

Certains scientifiques ont suggéré que la réponse au mystère du big bang réside dans les mouvements des membranes géantes sur lesquels reposent les univers parallèles. Deux membranes abritant des univers parallèles auraient dérivé l'une vers l'autre et seraient entrées en collision, libérant une colossale énergie, celle du big bang, déclenchant l'expansion en chauffant toutes les particules de l'univers. Les univers parallèles entreraient donc en collision de temps à autre, et les big bang se répètent indéfiniment ici et là entre les membranes qui se heurtent. Cette idée s'accompagne de quelques problèmes techniques. Le fait est que l'on ignore ce qui se passe lorsque deux branes entrent en collision, puisque les équations n'ont plus aucun sens dans la situation du big bang. Sans parler que soumis au bon vouloir de la dérive des membranes, notre avenir paraît bien compromis.

Gary Horowitz, de l'université de Californie, à Santa Barbara donne son avis sur la question : "Ils doivent faire beaucoup de suppositions dans leurs modèles et je ne pense pas qu'ils aient vraiment résolu le problème du big bang dans la théorie des cordes".

Ainsi, dans une volonté compréhensible de satisfaire la curiosité naturelle de l'homme et de trouver les relations entre les choses qui nous entourent, les physiciens et autres scientifiques ont atteint un stade ou les choses, au lieu de se simplifier, se compliquent, obligeant à énoncer de nouvelles théories avant même d'avoir résolu et prouvé les étapes précédentes dans le raisonnement.

Des outils pour essayer de vérifier les théories

En attendant, pour tenter de prouver l'existence des cordes et de valider cette théorie avec ses dimensions supplémentaires, voici les moyens considérables mis en oeuvre :

En Amérique, dans l'Illinois, le Fermilab est un centre de recherches équipé d'un collisionneur de particules géant.

La méthode est la suivante : on bombarde des atomes d'hydrogène avec de grandes quantités d'électricité, on les dépouille de leurs électrons, on injecte les protons dans un tunnel circulaire de 6,5 km enterré sous la paririe, et lorsqu'ils approchent de la vitesse de la lumière, ils sont mis sur la trajectoire de particules circulant en sens opposé. La plupart des collisions n'engendrent que des étincelles, mais par moment il se produit un choc frontal. Il en résulte une pluie de particules subatomiques inhabituelles. Et ce qu'on espère, c'est trouver parmi celles-ci une minuscule unité de gravité, le graviton, cette boucle fermée selon la théorie des cordes et qui est capable de flotter dans des dimensions supplémentaires. Pour l'instant le fermilab n'a pas encore identifié de graviton.

En Europe, une autre équipe talonne maintenant celle du Fermilab. Non loin de Genève le laboratoire européen de physique des particules, le CERN, construit un énorme collisionneur de particules : le LHC (Large Hadron Collider ou Grand Collisionneur Hadronique). Celui-ci sera 7 fois plus puissant que le dispositif du Fermilab.

Le CERN va évincer le Fermilab non seulement dans la recherche de dimensions supplémentaires, mais également dans d'autres domaines novateurs, par exemple la super-symétrie.

La super-symétrie est une prédiction centrale de la théorie des cordes qui dit que pour chaque petite particule subatomique qui nous est familière, tels que les électrons, les photons et autres gravitons, il existe en correspondance un partenaire bien plus lourd, qu'on appelle super-partenaire, et que jusqu'à présent personne n'a pu voir. La découverte de ces particules “S” est devenue une priorité majeure. Le problème, c'est que si elles existent, ces particules dites Super-Symétriques sont probablement incroyablement lourdes, tellement lourdes qu'on ne pourra peut-être pas les détecter avec les accélérateurs de particules actuels, sauf peut-être avec la nouvelle installation du CERN, qui devrait être opérationnel en 2007.

Le XXIème siècle sera-t-il fait de cordes vibrantes, d'univers parallèles, de superpartenaires ? Les expériences doivent prouver les affirmations énoncées dans les théories. Mais loin de confimer que l'on maîtrisait tout, des décennies de recherches nous ont montré que chaque fois que l'on regarde l'univers de plus près, on découvre un autre niveau de réalités. La recherche de l'unification des lois de l'univers qui devait simplifier l'explication du tout a laissé entrevoir une complexité bien plus grande que ce que nous supposions. Il semble n'y avoir pas de fin à découvrir, à l'échelle subatomique ou à celle de l'univers, la particule ultime et les dimensions plus grandes.

La constante cosmologique

L'univers subit une accélération continue de son expansion. Aujourd'hui, le concept de constante cosmologique, dite aussi énergie du vide, désigne la force qui paraît causer ladite expansion accélérée.

La constante cosmologique, estimée grâce aux observations satellitaires récentes, paraît avoir la valeur exacte indispensable pour que toutes les autres lois physiques que nous connaissons en découlent. Ces lois elles-mêmes apparaissent comme ajustées (fine-tuned) aux décimales près pour permettre la formation du système solaire, celle de la terre, celle de la vie terrestre et finalement de l'intelligence humaine.

Pourquoi les fluctuations de l'énergie du vide aboutissent-elles à un résultat quasiment nul, sauf un petit quelque chose à la 120e décimale qui les rend finalement positives, de sorte que l'expansion de l'univers peut subir une accélération constante ?

Si l'on exclut le doigt de Dieu, on aboutit, pour répondre à cette question, à l'hypothèse des multivers, proposée initialement par André Linde de Stanford : dans un univers infiniment plus grand que celui susceptible d'être exploré par nous, il pourrait exister des espaces où la constante cosmologique prendrait d'autres valeurs, entraînant d'autres conséquences quant à l'émergence des astres et de leurs contenus. De plus, le nombre de ces espaces possibles pourrait être quasi infini, de sorte que la probabilité de trouver parmi eux un univers adapté à l'homme ne soit pas nulle ?

C'est une façon évidemment bien pratique d'éluder encore le problème qui existe finalement depuis le départ : impossible de se défaire de cette sensation qu'une intelligence a pu concevoir la machine régie par des lois extrêmement précises.

Que penser de tout ça ?

Le principe de la science est que l'on n'affirme rien du monde qui ne soit pas démontrable par l'expérience. L'expérience elle-même dépend évidemment de la puissance des moyens d'observations dont on dispose. Il faut bien constater que la physique a porté le champ de ses hypothèses bien au-delà de ce que l'expérience du moment permet de démontrer. Ces hypothèses sont de plus en plus éloignées de ce qui est vérifiable avec les instruments en sa possession.

Compte tenu de la tournure des évènements, comment les scientifiques vont-ils expliquer et faire admettre au plus grand nombre ces théories non prouvées par l'expérience, théories sans cesse dépassées et bousculées par d'autres plus ambitieuses, jusqu'à en remettre en doute notre logique même pour certaines (qu'est-ce que la conscience, etc...)?

Refusant de se tourner vers une solution en rapport avec une intelligence créatrice, la science fait appel à la philosophie qui, si elle veut rester laïque, devra s'inspirer de la façon dont la science du moment tente de répondre à ces questions. Cependant elle n'entrera pas dans le détail des théories scientifiques. Elle en donnera des images aussi simples que possible, compréhensibles par tous.

Ne voilà-t-il pas que cette singularité à laquelle on avait fini par se faire, le Big Bang d'où provenait l'espace, le temps, l'énergie, la matière, la vie et finalement l'homme lui-même, se trouve reléguée par les hypothèses les plus récentes au rôle d'incident local dans un univers infiniment plus complexe. Lorsque les gens entendent des physiciens, des astronomes envisager froidement l'hypothèse des univers multiples, les quelques repères qu'ils avaient réussis à se donner pour survivre moralement dans un univers issu du Big Bang, s'effondrent à nouveau. Bien plus que jamais, ils se sentent petits et extérieurs à un tel multivers (univers multiples)

Si on explique le big bang par la collision de membranes supportant des univers parallèles, une autre question surgit alors : comment sont apparues ces membranes ?

Je vous fait grâce des hypothèses auxquelles aboutissent certains physiciens renommés. Dans l'état des connaissances actuelles et devant l'incapacité à fournir des preuves basées sur l'expérience, ces hypothèses réjouiraient n'importe quel amateur de science ... fiction.

Si les preuves concernant les affirmations de toutes ces théories ne sont pas encore faites, une chose reste évidente. On utilise toujours des lois et des formules mathématiques pour essayer de comprendre l'univers qui nous entoure. Et aussi attrayante qu'a pu être l'idée de tout expliquer par une seule loi simple et unificatrice le monde de l'infiniment petit et de l'infiniment grand dont nous faisons partie, la solution nous échappe. Peut-être nous échappera-t-elle toujours d'ailleurs.

Se pourrait-il qu'il y ait un Législateur, un grand Architecte derrière les lois qui dirigent cette grande architecture qu'est l'univers ?

C'est en tout cas ce que suggère les textes ci-dessous, tirés de la Bible :

De même, en effet, que les cieux sont plus hauts que la terre, ainsi mes voies sont plus hautes que vos voies, et mes pensées que vos pensées (Isaïe 55 : 9)

Même les temps indéfinis, il les a mis dans leur cœur, pour que les humains ne découvrent jamais l’œuvre que le [vrai] Dieu a faite du début à la fin (Ecclésiaste 3 : 11)

Car ses [qualités] invisibles se voient clairement depuis la création du monde, parce qu’elles sont perçues par les choses faites, oui sa puissance éternelle et sa Divinité, de sorte qu’ils sont inexcusables (Romains 1 : 20)

Ah ! si seulement tu étais bien attentif à mes commandements ! Alors ta paix deviendrait comme un fleuve et ta justice comme les vagues de la mer (Isaïe 48 : 18)

Le grand Architecte de l'univers est sans doute encore bien plus grand qu'on ne l'imagine. Et si les textes ci-dessus sont inspirés, il semble bien qu'il désire se faire connaître à nous, et ceci non par une quête inlassable basée sur des formules mathématiques, mais par l'intermédiaire d'un simple livre accessible à tous.

Cette explication serait-elle improbable ou insensée ?

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