On avait déjà des difficultés à s'habituer à l'Univers en quatre dimensions d'Albert Einstein. Que dire alors du monde à 10 dimensions que nous proposent aujourd'hui les théoriciens de la "physique des cordes" ! Selon certains scientifiques, cette théorie sera au XXIe siècle ce que la relativité et la physique quantique furent au XXe siècle. Excusez du peu. La théorie des cordes prétend même dévoiler l'ultime secret de l'Univers : derrière toutes les particules élémentaires connues se cacheraient des petits élastiques infiniment petits, dont les vibrations expliqueraient absolument toutes les forces du cosmos.
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On avait déjà des difficultés à s'habituer à l'Univers en quatre dimensions d'Albert Einstein. Que dire alors du monde à 10 dimensions que nous proposent aujourd'hui les théoriciens de la "physique des cordes" ! Selon certains scientifiques, cette théorie sera au XXIe siècle ce que la relativité et la physique quantique furent au XXe siècle. Excusez du peu. La théorie des cordes prétend même dévoiler l'ultime secret de l'Univers : derrière toutes les particules élémentaires connues se cacheraient des petits élastiques infiniment petits, dont les vibrations expliqueraient absolument toutes les forces du cosmos.Le magazine La Recherche, avec qui Le Vif/L'Express réalise cette rubrique Découvertes une fois par mois, consacre dans son dernier numéro un dossier à cette passionnante percée scientifique. L'Américain Brian Greene, un des plus brillants défenseurs de la théorie des cordes, auteur d'un récent et remarquable ouvrage de vulgarisation ( L'Univers élégant, chez Robert Laffont), y est longuement interviewé. Assis sur la cuisinière pendant une heureLa physique théorique du XXe siècle a déjà mis à rude épreuve nos intuitions et notre perception de l'espace et du temps. Pour initier sa secrétaire aux lois déroutantes de la relativité restreinte, Einstein aurait eu cette image : une heure sur un banc avec une jolie fille vous paraît une minute, alors qu'une minute assis sur la plaque chauffante d'une cuisinière vous semble une éternité ! Le temps, enseigne plus sérieusement Einstein, est relatif. Il s'écoule plus lentement dès que le mouvement s'accélère. Les aiguilles de la montre de spationautes embarqués à bord d'un engin filant aussi vite que la lumière, soit près de 300 000 km/sec, s'arrêteraient de tourner... De la même manière, le temps s'écoule plus lentement pour un automobiliste qui roule à 135 km/h sur l'autoroute que celui qui ne dépasse pas les 120 km/h ! Sur trente mètres, le gain de l'automobiliste le plus rapide est de l'ordre d'un millionième de milliardième de secondes. Pas de quoi justifier un excès de vitesse ! " Nous n'avons pas la relativité restreinte dans le sang, explique Brian Greene dans son livre. Elle ne nous est pas intuitive, nous ne la "sentons" pas. Les effets de la relativité restreinte dépendent de la vitesse à laquelle on se déplace. Or à la vitesse de nos voitures, de nos avions ou même de nos fusées, ces effets sont indécelables. " Dans sa théorie de la relativité générale, Einstein s'est attaqué à une autre perception erronée que nous avons de l'espace-temps. Celui-ci ne serait pas un cadre figé, une sorte de boîte immense à l'intérieur de laquelle flottent la matière, les étoiles et les planètes. Pour expliquer la force gravitationnelle (celle qui fait tomber les pommes au sol et retient la Terre dans l'orbite du soleil), il faut plutôt imaginer un espace-temps qui se déforme et se courbe sous l'effet de la matière. "Un corps massif comme le soleil, illustre Greene, fait se courber la structure de l'espace un peu comme le ferait une boule de bowling posée sur une toile élastique." Depuis plus de quatre-vingts ans, les observations astronomiques confirment les lois de la gravité établies par Einstein. Elles n'ont pas leur égale pour décrire et prédire l'infiniment grand. En revanche, le monde de l'infiniment petit résiste très largement aux équations d'Einstein. A l'échelle des particules subatomiques - dans le monde des électrons, des quarks et des muons - la force gravitationnelle cède d'ailleurs le pas à trois autres forces : la force électromagnétique, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible. Changement d'échelle, changement de forces, changement de lois physiques aussi. Dans le monde subatomique, les lois qui gouvernent la matière sont dites "quantiques". Aïe ! En 1965, un des plus grand spécialistes de la théorie quantique, Richard Feynman, n'a-t-il pas écrit : je pense pouvoir affirmer sans crainte d'être contredit que personne ne comprend la mécanique quantique. Vous voilà prévenu : c'est très, très compliqué. Et, en tout cas, encore plus contraire à l'intuition que la pensée d'Einstein. Une des conclusions saisissantes de la physique quantique, par exemple, est que la position et la vitesse d'un électron gravitant autour du noyau d'un atome ne peuvent jamais être déterminées avec certitude. Pour utiliser une image, l'Univers subatomique est un monde où l'on peut être à la fois présent et absent, mort ou vivant. Au niveau microscopique, on ne peut jamais faire mieux que d'évaluer la probabilité de trouver un électron à un endroit donné. En dépit de son étrangeté, la théorie quantique a été largement confirmée expérimentalement.Le meilleur des mondes ?Tout serait donc pour le mieux dans le plus limpide des mondes physiques : relativité + mécanique quantique = explication globale de l'Univers, de l'infiniment grand à l'infiniment petit. Le hic, c'est que ces deux théories deviennent intrinsèquement incompatibles dès que l'on cherche à expliquer des phénomènes où l'infiniment grand rejoint l'infiniment petit. C'est le cas du big bang et des trous noirs, où une masse gigantesque de matière est confinée dans un espace si minuscule qu'on ne peut l'imaginer. "Les physiciens ne supportent pas l'idée qu'il faut recourir à des théories différentes pour expliquer l'infiniment grand et l'infiniment petit, remarque Walter Troost, professeur de physique théorique à l'université catholique de Leuven. Le succès actuel de la théorie des cordes tient au fait qu'elle réussit l'exploit de réconcilier la relativité et la théorie quantique." Selon la théorie des cordes, il faut remplacer toutes les particules élémentaires connues par un seul objet à deux dimensions : une corde sans épaisseur mais de longueur finie et formant une boucle ( voir l'infographie ci-contre). En d'autres termes, vous et moi, la pomme que vous avez croquée à 10 heures, les sièges de votre voiture, les gaz de l'atmosphère, les anneaux de saturne, la poussière rouge de Mars, la voie lactée, tout, tout, absolument tout dans l'Univers serait composé de petites cordes. Et, selon la façon dont elles vibrent, ces cordes jouent un rôle d'électrons, de quarks, de muons, de neutrinos, etc. Mais la réconciliation de l'infiniment grand et de l'infiniment petit ne se fait pas sans mal. Pour que les équations des physiciens soient correctes, il faut imaginer un Univers à dix dimensions ! Soit six de plus que l'Univers d'Einstein. Pourquoi ne les voyons-nous pas ? Elles sont trop petites, expliquent les physiciens. Il faudrait un oeil capable de voir un détail d'un cent millième de milliardième de milliardième de milliardième de millimètre. Peut-on les imaginer, alors ? " Le plus simple est encore de faire le raisonnement à l'envers, suggère W. Troost. De repartir de notre expérience et de supprimer une dimension. Imaginez que vous vivez dans un Univers où tout est complètement plat. Vous n'auriez pas conscience de la troisième dimension - en l'occurrence la hauteur - faute de pouvoir mobiliser une énergie suffisante pour l'explorer. Mais cette troisième dimension existerait bel et bien." Devrons-nous, alors, nous contenter de lire les belles équations des physiciens et d'imaginer d'improbables nouvelles dimensions spatiales, au risque d'être emportés par le vertige ? Peut-être pas.L'infiniment petitTraditionnellement, en physique, pour sonder l'infiniment petit, les chercheurs utilisent des accélérateurs qui projettent des particules les unes contre les autres. Les énergies phénoménales obtenues dans ces accélérateurs permettent de disséquer la matière jusqu'à l'échelle de quarks, qui composent les protons et les neutrons. Mais, pour descendre jusqu'aux cordes, Brian Greene a calculé qu'il faudrait des accélérateurs qui bombarderaient matière contre matière à des énergies quelques millions de milliards de fois plus élevées que le plus grand accélérateur actuellement en construction au CERN de Genève (le Large Hadron Collider ou LHC). Inutile de dire que ce n'est pas à l'ordre de jour ! "La question n'est de toute façon pas de voir un jour une corde comme on voit une chaise ou même une molécule, explique Brian Greene. Dans le monde subatomique, "voir" veut simplement dire en mesurer certaines propriétés telles que l'énergie ou la vitesse." Or, ajoute Greene, si la théorie des cordes est vraie, chaque particule élémentaire connue doit posséder un partenaire beaucoup plus lourd qu'elle. Les chercheurs ont déjà baptisé "sparticule". La nature serait, en quelque sorte, "supersymétrique". Du fait de leur masse importante, certaines de ces sparticules seraient déjà détectables avec la prochaine génération d'accélérateurs. La nouvelle machine du CERN devrait commencer à fonctionner en 2005. Mais les premiers résultats ne sont pas attendus avant plusieurs années.François Louis