Si l'on cherche à imaginer le film cosmique à l'envers, remontant d'aujourd'hui vers le big bang, tout ce qui est en train de s'éloigner se rapprocherait alors de nouveau, et l'univers deviendrait plus petit, plus chaud et plus dense au fur et à mesure qu'on remonterait le temps. Mais au moment ou on arrive au big bang, lorsque notre univers était à la fois immensément lourd et incroyablement petit, les deux théories physiques dont nous avons parlé à la page précédente (relativité génétale et mécanique quantique) refusent de se combiner et s'effondrent, nous empêchant de voir le film dans son intégralité. Les modèles physiques conventionnels échouent à décrire le big bang. On croirait que ces deux théories nous parlent de deux univers qui n'ont absolument rien à voir.

Y a t'il un moyen de réunir ces deux grands ensembles de lois conflictuels en un seul, cohérent ?

Partant du principe que cette théorie qui gouverne tout doit exister, des physiciens se sont attelés au travail pour la trouver.

Zoom sur l'infiniment petit

Que se passe-t-il donc dans le domaine de l'infiniment petit, qui bouleverse tant notre vision d'un monde lisse et prévisible, celui exprimé par la relativité générale ?

Les lois de l'infiniment petit, c'est à dire la mécanique quantique, nous montrent que le tissu de l'espace devient à cette échelle agité et chaotique.

Et c'est un monde tellement turbulent qu'il défie le sens commun ! L'espace et le temps y sont si tordus et déformés que nos concepts traditionnels de gauche et de droite, de haut et de bas, et même d'avant et d'après disparaissent. Impossible donc de se repérer dans ce monde là. Il nous serait impossible si nous pouvions aller faire un tour dans ce monde là, de dire si nous nous situons ici plutôt que là, ou même aux deux endroits à la fois, ou encore si nous sommes arrivés ici avant d'arriver à un autre endroit ! Difficile pour nous d'imaginer cela, puisque les lois qui gouvernent à notre échelle sont celles de la relativité générale.

Comment tout expliquer dès lors par un seul grand principe physique, le tournoiement majestueux des galaxies aussi bien que la danse effrénée des particules subatomiques ? Comment trouver cette seule équation générale ?

Naissance d'une théorie

Pendant des siècles, les physiciens se sont représentés les atomes et les particules plus petites qu'ils contiennent comme des balles minuscules ou des points.

En 1968, un jeune physicien italien, Gabriele Veneziano, est à la recherche d'un ensemble d'équations pouvant expliquer l'interaction forte, cette colle extrêmement puissante qui maintient le noyau de chaque atome en liant protons et neutrons. On raconte qu'un jour il a trouvé en ouvrant un vieux livre poussiéreux sur l'histoire des mathématiques, une équation énoncée 200 ans auparavant par un mathématicien suisse, Léonard Euler (1707-1783). Il est alors stupéfait de découvrir que l'équation d'Euler, considérée jusqu'alors comme une simple curiosité mathématique, semble décrire une interaction forte. Il publie rapidement un article et devient célèbre pour cette découverte.

Mais l'équation d'Euler, qui explique miraculeusement l'interaction forte, va alors acquérir sa dynamique propre, donnant naissance à une théorie révolutionnaire .

Petit à petit, cette équation se diffuse et atterri un jour sur un tableau noir que regarde un jeune physicien américain, Leonard Susskind. Il la regarde et se dit : « Elle est tellement simple que même moi je peux la résoudre ! »

Il se retire dans son grenier pour réfléchir sur cette équation qu'il sait être la description mathématique de l'interaction forte. Mais sous les symboles abstraits, il a entre-aperçu quelque chose de nouveau. Enfermé pendant deux mois dans son grenier, il joue avec l'équation, la triture dans tous les sens.

“La première chose que j'ai vu, dit-il, c'est que l'équation décrivait une particule dotée d'une structure interne qui pouvait vibrer. Et pas simplement une particule ponctuelle. J'ai commencé à me rendre compte qu'il s'agissait d'une corde, un peu comme un élastique, ou comme un élastique coupé en deux. Et cet élastique pouvait non seulement s'étirer et se contracter, mais aussi osciller. Et merveille des merveille, il correspondait exactement à l'équation. J'étais certain à ce moment-là d'être le seul sur terre à le savoir”.

Il rédige donc un article qui présente l'idée révolutionnaire des cordes. Mais avant de le publier, il le soumet à un comité d'experts, et il est convaincu qu'il va être considéré comme le nouvel Einstein, le nouveau Newton. Mais l'avis des experts était que son article ne méritait pas d'être publié. La théorie des cordes semblait anéantie avant même de voir le jour.

Des particules comme s'il en pleuvait !

Au même moment la physique traditionnelle avance en essayant de comprendre le comportement des particules, en les faisant s'écraser les unes contre les autres à grande vitesse et en étudiant le résultat de ces collisions. Dans l'avalanche de particules produites ainsi, on découvre que la nature est bien plus riche qu'on ne le pensait.

Tous les mois on découvre de nouvelles particules : le méson raw, la particule oméga, B, B1, B2, phy, .. correspondants finalement à plus de lettres que n'en comportent la plupart des alphabets !
L'effervescence était à son comble.

Et dans cette explosion de nouvelles particules, les physiciens ne découvrent pas uniquement les constituants de la matière. Ils font une prédiction étrange et surprenante.
D'après eux, les particules pourraient aussi expliquer les forces de la nature, à la manière d'un jeu : un jeu dans lequel les particules seraient des joueurs qui s'envoient une balle qui serait elle-même une particule de force. Cette particule de force est appelée particule messagère.

Par exemple dans le cas de la force électromagnétique, la balle représente un photon, et plus il ya d'échanges de ces particules messagères ou photons, plus forte est l'attraction magnétique.

Les scientifiques pensent que c'est cet échange de particules messagères qui crée ce que l'on ressent comme une force.

Les expériences ont confirmé cela avec la découverte des particules messagères de l'électromagnétisme, de l'interaction forte et de l'interaction faible.

Du coup le rêve d'Einstein, l'unification des forces, se remet à prendre corps. Comment cela ?

Les chercheurs font le raisonnement suivant : si on rembobinait le film cosmique jusqu'aux toutes premières secondes du big bang, lorsque l'univers était des billions de fois plus chaud qu'aujourd'hui, les particules messagères de l'électromagnétisme et de l'interaction faible seraient impossibles à distinguer. De même que des glaçons fondent au soleil pour donner de l'eau, les expériences montrent que quand on revient aux conditions de chaleur extrême du big bang, l'électromagnétisme et l'interaction faible se fondent et s'unissent en une seule force, dite force électro-faible.

Et en poussant le raisonnement plus loin, si on rembobinait encore un peu plus le film cosmique, la force électrofaible s'unirait à l'interaction forte pour donner une grande super force.

Tout convergeait donc vers une représentation simple des particules connues. On a fini par appeler cette représentation : le modèle standard.
Les prix nobel se sont alors mis à pleuvoir dans le monde scientifique autant que les particules... mais derrière les roulements de tambours se cachait une omission flagrante.

Le modèle standard explique trois des forces qui régissent le domaine de l'infiniment petit, mais il passe sous silence la force la plus connue, la gravité.

Les cordes font à nouveau parler d'elles

En 1973, seule une poignée de jeunes physiciens se débat encore avec les équations obscures de la théorie des cordes.

L'un d'eux, John Schwarz, s'emploie à résoudre ses nombreuses bizarreries. Entre autres, celle d'une mystérieuse particule sans masse prédite par la théorie mais jamais observée dans la nature. Et toute une série d'anomalies ou d'incohérences mathématiques.

“On a passé un temps fou à tourner tout ça sous tous les angles, essayant par tous les moyens de parvenir à quatre dimensions et de se débarrasser de cette particule sans masse. Mais on arrivait toujours à un résultat bancal et peu convaincant”, dit-il.

Quatre ans durant, Schwarz essaie de discipliner les équations de la théorie des cordes en les changeant, les ajustant, les combinant et les recombinant de différentes façons. En vain.

Sur le point d'abandonner, il lui vient soudain une idée géniale. Et si ces équations décrivaient la gravité ? Mais cela voudrait dire qu'il faudrait revoir complètement la taille de ces minuscules brins d'énergie, la taille des cordes.

Si on suppose que les cordes sont 100 milliards de milliards de fois plus petites qu'un atome, l'un des défauts de la théorie devient une qualité. Il apparaît alors que la mystérieuse particule dont John Schwartz a désespérément essayé de se débarrasser, cette particule sans masse, est en fait un graviton, la particule longtemps cherchée sensée transmettre la gravité au niveau quantique.

La pièce qui manquait au modèle standard vient de se mettre en place.

Schwarz soumet pour publication sa théorie révolutionnaire décrivant le fonctionnement de la gravité dans l'univers subatomique.

Il est rejoint dans sa quête par l'un des seuls autres chercheurs prêts à miser toute leur carrière sur les cordes : Michael Green.

au début des années 80, si le problème de la mystérieuse particule sans masse semblait être résolu, ils allaient devoir reconnaître qu'il restait dans la théorie des cordes nombre d'aberrations mathématiques, celles appelées précédemment “anomalies”.
Une anomalie est quelque chose d'étrange ou de déplacé, qui n'a rien a faire où on la trouve. Hors en mathématique les anomalies peuvent signifier l'arrêt de mort d'une théorie physique.

Pour comprendre le problème, utilisons un exemple simple :

Disons que nous avons une théorie dans laquelle deux équations différentes décrivent une même propriété physique de notre univers. Hors si on résoud l'une après l'autre ces équations, et qu'on trouve une valeur différente de x dans chacune d'entre elles, on sait que la théorie à des anomalies, puisqu'il ne peut y avoir qu'une seule valeur de x. A moins de revoir les équations pour obtenir la même valeur de x de chaque côté, la théorie s'écroule. On était donc dans l'impasse.

Un soir de l'été 1984, après avoir bataillé pendant 5 ans contre les anomalies de la théorie des cordes, Schwarz et Green parviennent enfin au but.

“Tout le monde pensait que la théorie était incohérente à cause de ses anomalies. Hors pour une raison inexplicable j'étais sûr qu'on se trompait, me disant que cette théorie était forcément juste et qu'il ne pouvait pas y avoir d'anomalie. Alors on a décidé de les calculer”.

Ils reprennent donc ce soir là les deux équations et calculent dans chaque équation la valeur des anomalies. S'ils obtiennent le même nombre dans les deux équations, ils auront prouvé que la théorie des cordes ne contient en fait pas d'anomalies, puisque les deux équations seront bien égales.

Et effectivement, dans chacune des deux équations, ils trouvent la même valeur, soit "496", pour les anomalies. Ce qui signifie qu'en remplaçant simplement les anomalies par ce nombre trouvé, les deux équations s'harmonisent, et que du même coup la théorie des cordes non seulement ne comporte plus d'anomalies, mais est capable d'exprimer mathématiquement les quatre forces à l'oeuvre dans l'univers à toutes ses échelles. Les cordes pouvaient en effet non seulement décrire la gravitation, mais aussi les autres forces. Le rêve d'unification d'Einstein semblait proche de se réaliser.

Cette fois la réaction est explosive. En moins d'un an, le nombre de théoriciens des cordes passe d'une poignée à plusieurs centaines. La théorie des cordes est même rebaptisée en “théorie du tout”.

La "théorie du tout"

La "théorie du tout", cette nouvelle version de la théorie des cordes, semblait capable de décrire tous les éléments constitutifs de la nature. Voici comment :

A l'intérieur de toute matière, même un simple grain de sable, il y a des milliards de minuscules atomes. Chaque atome est composé de plus petites bribes de matière, les électrons, qui tournent autour d'un noyau fait de protons et de neutrons, eux-mêmes faits de bribes de matière encore plus petites, appelées quarcks.

Mais la théorie des cordes va plus loin. Elle affirme que les particules qui composent tout ce qui existe dans l'univers sont faites d'éléments encore plus petits, de minuscules brins d'énergie en oscillation semblables à des cordes.

Chacune de ces cordes est d'une petitesse inimaginable. Si on grossissait un atome pour lui faire atteindre la taille du système solaire, une corde ne serait pas plus grande qu'un arbre.

Et voici l'idée fondamentale : de même que les différentes vibrations ou fréquences d'une corde de violoncelle créent ce que nous percevons comme des notes de musique différentes, les différents modes de vibrations des cordes donnent aux particules leurs caractéristiques particulières, comme leur masse et leur charge. Autrement dit la seule différence entre les particules qui composent toute la matière de l'univers et les particules qui composent la gravité et les autres forces, c'est la façon dont vibrent ces minuscules cordes.
L'univers pourrait donc être considéré comme une grande symphonie cosmique !

Et cette idée semble résoudre le conflit entre l'image imprévisible et heurtée de l'espace au niveau subatomique et le modèle lisse de l'espace a grande échelle. Car la théorie des cordes calme les saccades de la mécanique quantique. Elle les disperse en reprenant l'ancienne idée d'une particule ponctuelle et en l'étalant pour en faire une corde. Les saccades sont toujours là, mais elles sont moins brutales et juste assez pour que la théorie quantique et la relativité générale s'emboîtent parfaitement.

Le rêve d'Einstein est en passe d'être enfin réalisé : unifier toutes les forces et toute la matière.

Mais cette nouvelle théorie d'avant-garde a elle aussi son talon d'Achille. Aucune expérience ne peut vérifier ce qui se passe à une pareille échelle. Aucune observation ne peut porter sur des distances aussi minuscules ou des énergies aussi gigantesques. La théorie ne peut donc pas être prouvée par l'expérience et est pour cela définitivement à l'abri de toute contestation.

Des dimensions cachées

Ce qui rend la théorie des cordes encore plus difficile à prouver, c'est que pour marcher, ses équations complexes nécessitent quelque chose qui paraît relever de la science-fiction : des dimensions spatiales supplémentaires !

Pour être pris au sérieux, les théoriciens des cordes doivent expliquer comment cette étrange prédiction peut être vraie. Hors selon eux, cette idée apparemment saugrenue est plus réaliste qu'on ne le pense.

L'impression que nous vivons dans un univers tridimensionnel semble à priori incontestable. Mais en fait l'étrange idée qu'il existe des dimensions supplémentaires est vieille de près d'un siècle.

En 1919, Théodore Kaluza, un mathématicien quasiment inconnu, a suggéré qu'il était possible que notre univers ait une dimension supplémentaire, que pour une raison ou pour une autre nous n'arrivons pas à voir.

Kaluza avait envoyé son idée à Albert Einstein, qui, enthousiasmé mais hésitant, avait retardé pendant deux ans la publication de son article. Finalement l'article fut publié, l'idée de dimensions supplémentaires interressant Einstein.

Voici l'idée :

En 1916, Einstein a montré que la gravité est simplement le résultat de déformations et d'ondulations dans les 4 dimensions familières de l'espace et du temps.

Trois ans plus tard, Kaluza suggère qu'il en va peut-être de même pour l'électromagnétisme. Mais si c'est le cas, il faut que ces ondulations se produisent quelque part. Il propose donc l'existence d'une dimension spatiale supplémentaire et cachée.

Où est donc cette autre dimension si Kaluza avait raison ? Et à quoi pourrait-elle bien ressembler ? Comment peut-on même essayer de l'imaginer ?

Poursuivant plus tard le travail de Kaluza, le physicien suédois Oscar Klein a suggéré une solution originale.

Illustration : Imaginons un câble, celui qui maintient un pont suspendu ou des poteaux téléphoniques par exemple. Observé de loin, il ressemble à une ligne et semble n'avoir qu'une dimension. Mais si nous nous approchons, nous pourrons peut-être y voir une fourmi touner autour de celui-ci, dans une dimension supplémentaire. De son point de vue la fourmi peut se déplacer d'avant en arrière sur le câble, ou dans le sens des aiguilles d'une montre autour du câble, ou dans le sens contraire.

Donc les dimensions peuvent être classées en deux catégories : elles peuvent être longues et déroulées comme la longueur du câble, ou elles peuvent être petites et enroulées comme la direction circulaire prise par la fourmi autour du câble.

Kaluza et Klein ont émis une idée extraordinaire. Il leur est apparu que le tissu de l'univers pourrait bien être comme la surface de ce câble. Il pourrait avoir trois dimensions, celles que nous connaissons, mais il pourrait également en avoir de minuscules, enroulées très très serrées, des milliards de fois plus petites qu'un minuscule atome, ce qui ferait qu'on ne pourrait pas les voir. Ainsi il serait possible que nous vivions dans un univers comportant plus de dimension qu'il n'y paraît.

A quoi ressembleraient ces dimensions supplémentaires ? Selon Kaluza et Klein, si on pouvait rapetisser des milliards de fois, on trouverait en chaque point de l'espace une minuscule dimension supplémentaire repliée sur elle-même. Une fourmi ayant également rapetissé des milliards de fois pourrait aussi en théorie parcourir cette minuscule dimension circulaire.

L'idée que des dimensions supplémentaires existent autour de nous constitue le fondement de la théorie des cordes.

En fait, mathématiquement, la théorie nécessite non pas une, mais 6 dimensions supplémentaires, tordues et enroulées en des formes complexes.

Mais comment ces minuscules dimensions repliées en des formes aussi bizarres pourraient-elles avoir un quelconque effet sur notre vie quotidienne ?

Selon la théorie des cordes, la forme est primordiale. C'est grâce à sa forme qu'un corps d'harmonie peut émettre des dizaines de notes différentes. Quand on appuie sur l'un des pistons de ce cor d'harmonie, la note change car on modifie la forme de l'espace à l'intérieur du cor où l'air résonne.

Les dimensions minuscules supplémentaires de la théorie des cordes fonctionneraient de la même manière. Si l'on devenait suffisamment petit pour pénétrer dans l'une de ces formes à 6 dimensions prédites par la théorie des cordes, on verrait comment ces dernières sont tordues et enroulées les unes sur les autres, influençant la manière dont les cordes, les éléments fondamentaux de notre univers, bougent et vibrent. Et cela pourrait selon les défenseurs de cette théorie être la clé de l'un des plus grands mystères de la nature.

Une machine réglée de façon précise

En effet notre univers est comme une machine réglée très précisément. Les scientifiques ont découvert qu'il y a environ 20 nombres, 20 constantes fondamerntales dans la nature, qui donnent à l'univers les caractéristiques que nous lui connaissons. Ce sont des nombres comme la masse de l'électron, l'intensité de la gravité, la force électromagnétique et l'interaction forte et faible. Et tant que les boutons de la machine sont réglés sur les bonnes valeurs pour chacun de ces 20 nombres, elle produit l'univers que nous connaissons. Mais si l'on changeait ces nombre en ajustant les réglages de la machine, même de façon minime, les conséquences seraient spectaculaires. Par exemple si on augmentait l'intensité de la force électromagnétique, les atomes se repousseraient plus fortement et la chaudière nucléaire qui fait briller les étoiles s'arrêterait. Les étoiles, y compris notre soleil, s'éteindraient, et l'univers tel que nous le connaissons disparaîtrait. Autrement dit notre univers n'est viable que parce que tous ses paramètres fondamentaux sont réglés avec une précision extrême.

Mais qu'est-ce qui dans la nature règle les valeurs de ces 20 constantes aussi précisément ?

La réponse pourrait résider dans les dimensions supplémentaires de la théorie des cordes, affirment les théoriciens.

Les minuscules formes à 6 dimensions prédites par la théorie font vibrer une corde exactement comme il faut pour produire ce que nous voyons comme un photon. Elles en font vibrer une autre d'une façon différente pour produire un électron. Elles détermineraient donc toutes les constantes de la nature et permettraient à la symphonie cosmique de rester accordée.

Nous noterons ici que personne ne pousse l'analogie plus loin. Car si on a comparé jusqu'ici les cordes vibrant dans un espace a six dimensions à un instrument de musique, on peut quand même se demander si puisque la forme de l'instrument, son accordage et la maîtrise de celui-ci est issue d'une réflexion et d'une volonté bien précise, finalisée grâce à une intelligence étonnante, il n'en est pas de même de la façon dont est organisé et fonctionne l'univers. Mais la science ayant décidé de rester à sa place, ne nous "égarons" pas et continuons.

Au milieu des années 80 la théorie des cordes semble donc promise à une brillante carrière.

Mais en coulisse, la confusion règne. Au fil des ans, les efforts des théoriciens des cordes ont été si fructueux qu'ils ont bâti non pas une, mais 5 différentes versions de la théorie.

Toutes ces versions reposent sur les cordes et l'existence de dimensions supplémentaires. Mais dans les détails elles ne s'accordent pas. Certaines font état de cordes ouvertes, d'autres parlent de cordes fermées. Deux d'entre elles prévoient même 26 dimensions. Ces 5 versions paraissent toutes aussi valables, mais laquelle décrit vraiment notre univers ?

Une prochaine page nous en dira davantage....

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