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25 janvier 2011 2 25 /01 /janvier /2011 19:21

 

 

 

 galaxie-NGC-4945-copie-1.jpg

 

 

 

 

 

 

    Observer l’Univers qui l’entoure, depuis le plus petit grain de sable jusqu’à l’étoile lointaine, a, de tout temps, passionné l’Homme. Une manière certaine de se situer, d’expliquer sa présence, d’anticiper son avenir peut-être. Mais l’observation n’est que le début : homo sapiens, grâce à son cerveau capable d’abstraction, a presque aussitôt cherché à le comprendre, cet Univers, à le décrypter, à l’interpréter. Pour cela, il devait identifier les grandes lois physiques et mathématiques qui expliquent son agencement. Durant des siècles, s’affranchissant peu à peu des obscurantismes et des préjugés, les scientifiques ont bâti des théories, accumulé des expériences, édifié des modèles, amassé patiemment certitudes et probabilités. Après Newton, c’est Albert Einstein qui, le premier, réussit à expliquer de façon convaincante l’une des quatre grandes forces de notre environnement, la gravitation, dans sa théorie de la relativité générale (voir sujet : théorie de la relativité générale). Les trois autres forces fondamentales (interaction faible, interaction forte et électromagnétisme : voir sujet : les constituants de la matière) furent unifiées par la mécanique quantique (voir sujet : mécanique quantique) quelques années plus tard. Tout est donc parfait ? Hélas non car ces deux théories, la relativité einsteinienne et la physique des quantas, sont complètement incompatibles... Or, si l’on veut vraiment connaître les mécanismes régissant l’Univers dont nous faisons partie, il est indispensable d’avoir une explication physique globale : il est en effet peu probable que l’Univers réponde à des lois différentes selon l’endroit ou les niveaux d’où on l’observe. Vers la fin du siècle dernier, un certain nombre de théories unificatrices ont vu le jour et la plus prometteuse d’entre elles semble être la théorie des cordes.

 

 

Genèse de la théorie des cordes

 

     Vers 1950, il n’était toujours pas possible de comprendre vraiment la physique des particules plus petites que l’atome, particules que l’on appelle atome-structure.jpgdes hadrons (il s’agit en fait de particules élémentaires comme les quarks constituant protons et neutrons eux-mêmes formant le noyau des atomes, les gluons responsables de l’interaction forte entre les quarks, etc.). Tout ce petit monde fort complexe est bien régi par la mécanique quantique mais sans que l’on ait d’explication véritable sur leurs interactions. Il faudra attendre 1973 et l’arrivée d’une nouvelle théorie, la chromodynamique quantique, pour y voir un peu plus clair mais de façon encore partielle.

 

     C’est environ 10 ans plus tard que l’on entend réellement parler de la théorie des cordes qui se propose – puisque les particules restent en grande partie mystérieuses – de les penser autrement : dans cette théorie, les entités basiques de la physique, ces fameuses particules subatomiques, ne sont plus considérées comme des objets ponctuels mais comme des cordes infinitésimales formant des boucles qui vibreraient en possédant une tension, tout comme un élastique dont la tension s’accroit au fur et à mesure qu’on l’étire. Rappelons-nous que chaque particule subatomique est identifiée par son spin, c'est-à-dire une caractéristique particulière qui lui est propre (comme, également, la charge électrique ou la masse) représentant ici l’énergie cinétique de la particule tournant sur elle-même autour d’un axe. La théorie des cordes prétend que ce sont ces vibrations à des fréquences diverses qui expliquent les variations de spins observées et donc les différentes particules. Du coup, les divers types de cordes et leurs vibrations multiples seraient à l’origine de toutes les theorie-des-Cordes.jpgparticules élémentaires de notre univers. Bien entendu, la théorie s’appuie sur de savantes équations mathématiques (notamment la théorie des surfaces de Riemann) que je serais bien en peine ici d'expliquer… Quoi qu’il en soit, il s’agit là d’une remise en cause complète, et de notre perception, et de notre compréhension de la physique subatomique.

 

 

Une théorie séduisante mais pas encore démontrée

 

     Les spécialistes de la question le disent et on les croit : pour permettre l’unification des deux grandes physiques, la théorie des cordes doit satisfaire à trois conditions principales :

 

          1. toutes les particules subatomiques sans exception doivent entrer dans le cadre de la théorie ;

 

          2. la théorie doit parfaitement décrire la gravitation 

 

     3. ce qui entraîne le fait qu’il doit s’agir d’une théorie géométrique, seul moyen de prendre en compte  cette gravitation.

 

     Que disent les équations de la théorie des cordes ? Que les trois conditions qu’on vient de voir lui sont tout à fait accessibles… à la condition qu’on considère un espace-temps à au moins dix dimensions ! Ce qui pose problème puisque dans notre univers (en tout cas pour sa partie visible) il theorie-des-cordes-et-multidimensions.jpgn’existe que quatre dimensions ! L’ennui est que lorsqu’on revient à quatre dimensions, l’unicité de la théorie si intéressante disparaît… La cohérence mathématique de la théorie exige donc plus de dimensions qu’il ne semble y en avoir dans notre monde : ses partisans nous affirment que, en réalité, ces dimensions supplémentaires existent bel et bien mais qu’elles sont enroulées au niveau microscopique, un niveau des millions de fois inférieur à celui de l’atome. Cette affirmation doit être évidemment prouvée avant de valider la théorie : le retour (mathématique) à un espace-temps à quatre dimensions est donc le grand défi que s’efforcent de vaincre les chercheurs actuels de la théorie des cordes.

 

 

Une théorie unificatrice et ses conséquences

 

     Une chose est en tout cas certaine : la théorie des cordes (qui est en fait l’amalgame de plusieurs théories prenant en compte des cordes de natures différentes) semble être l’entreprise conceptuelle actuellement la plus à même d’associer la gravitation à la mécanique quantique et il est donc normal que cette aventure – extraordinairement théorique – passionne non seulement les chercheurs de physique fondamentale mais également les mathématiciens… et les astronomes.

 

     D’ailleurs, comme le lecteur l’aura certainement remarqué, j’ai fait figurer ce sujet non pas en physique (comme la mécanique quantique, par exemple) mais dans la catégorie des sujets d’astronomie et il y a de bonnes raisons à cela : de grandes interrogations existent toujours sur des phénomènes astronomiques importants tout simplement parce qu’on ne sait pas associer mécanique quantique et relativité générale.

 

          *  C’est par exemple, le cas des trous noirs. Voilà des objets dont on connait l’existence et dont on peut même mettre en évidence la réalité trou-noir-stellaire.jpg(du moins de façon indirecte puisque, par sa seule présence, un trou noir modifie la partie d’univers qui l’entoure) mais qu’on ne sait pas expliquer complètement (voir sujet : trous noirs).

 

      Pour mémoire, je rappelle qu’un trou noir est le stade évolutif terminal de très grosses étoiles : en effet, si la masse d’une étoile dépasse quarante fois celle de notre Soleil (MS), son noyau résiduel dégénéré peut dépasser les trois MS. En pareil cas, les forces de répulsion des composants atomiques dégénérés (neutrons et protons) ne peuvent plus s'opposer à la compression des forces gravitationnelles et la matière s’écrase sur elle-même sans que plus rien ne s’y oppose : on aboutit alors à la formation d’un trou noir dont la principale caractéristique est qu’aucune matière – pas même la lumière – ne peut s’en échapper. Avant l’anéantissement, on peut observer le disque d’accrétion, sorte de dernier ballet de la matière appelée à disparaître et qui dessine les abords du trou noir par l’échauffement gigantesque qu’elle subit (ce qui permet de repérer le phénomène). Puis, cette matière est absorbée par le trou noir, sans espoir de retour, et le moment où elle bascule vers l’inconnu se situe à ce que l’on nomme l’horizon du trou noir, dernière ligne encore visible avant le néant. Que devient-elle ensuite ? Ni la physique quantique, ni bien sûr la relativité ne peuvent répondre. Voilà donc un domaine où la théorie des cordes pourrait nous rendre de sérieux services…

 

          * Un autre sujet – et non des moindres – qui passionne les astronomes, notamment ceux qui s’intéressent à la cosmologie, est le Big-Bang. Ou, pour être encore plus général, le début de notre univers. simulation-univers-origine.gifDans le sujet dédié (voir : Big bang et origine de l’Univers), nous avions vu que, en remontant le temps jusqu’aux origines, à partir d’un certain moment appelé temps de Planck, très précisément à 10-43 seconde après le début, les quatre forces fondamentales que nous avons évoquées plus haut sont fusionnées en une force unique, la supergravité. A cet instant, très court mais si important, les lois de la physique classique ne s’appliquent plus (ou pas encore). La théorie des cordes serait elle susceptible de nous aider à comprendre comment tout a commencé ?

 

     D’autres problèmes d’astronomie restent – si j’ose dire – en souffrance et on aimerait bien une théorie (en fait un ensemble de lois mathématiques conduisant à un modèle qu’il serait possible d’expérimenter par la suite) nous permettant de les expliquer…

 

 

La théorie des cordes a-t-elle un intérêt autre que… théorique ?

 

     La réponse est à l’évidence oui ! S’acharner à unifier des théories physiques compliquées en une théorie encore plus complexe ne relève pas d’un simple jeu mathématique pour quelques initiés, fussent-ils géniaux. Les retombées d’une telle entreprise, si elle devait aboutir, seraient considérables. Evidemment, comme on vient de le voir, ou pourrait en apprendre énormément sur notre Univers (et donc sur nous-mêmes) mais pas seulement. Il suffit de se rappeler combien la physique quantique a été décriée à ses débuts : certains scientifiques criaient à la mystification, ne pouvant comprendre comment on pouvait tirer des lois à partir du pur hasard ; d’autres riaient à la lecture de qu’ils considéraient comme un salmigondis. D’autres encore, plus sages peut-être comme le grand Einstein lui-même, préféraient attendre dans une prudente réserve teintée de scepticisme. Et pourtant ! Sans mécanique quantique, pas de contrôle de l’électron et donc ni transistors, ni informatique. Pas non plus de homecinema1.jpgsupraconduction et d’imagerie médicale de type résonnance magnétique nucléaire (IRM). Sans elle, on ne saurait toujours pas contrôler la lumière pour réaliser les faisceaux laser de nos lecteurs de DVD. Même chose pour les centrales nucléaires… La mécanique quantique, si mal comprise car si imprévisible et apparemment si contraire à notre logique, a transformé notre monde.

 

      Si l’on arrive à écrire des équations universelles de la théorie des cordes et à formaliser la théorie unificatrice, les conséquences pratiques – impossibles évidemment à imaginer aujourd’hui - en seront certainement considérables. Au-delà de la satisfaction d’avoir compris un peu plus notre univers, les transformations de notre quotidien seront telles qu’il faut souhaiter de l’intuition, beaucoup de patience et peut-être un peu de chance à ces chercheurs si particuliers.

 

 

 

 

Images

1. galaxie NGC 4945 (sources : http://www.eso.org)

2. constituants de l'atome (sources : http://abyss.uoregon.edu)

3. cordes (sources : http://hypersite.free.fr/)

4. univers multidimensionnel (sources : http://techno-science.net) 

5. dessin d'un trou noir (sources ; http://paturage.files.wordpress.com)

6. simulation des premiers instants de l'Univers (sources : http://irfu.cea.fr/)

7. homecinema (sources : http://le-showroom.ecranlounge.com)

  (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

   

 

 

Mots-clés :  relativité générale - mécanique quantique - hadron - quark - gluon - chromodynamique quantique - trou noir - Big bang - supergravité  - temps de Planck - théorie unificatrice de la physique - théorie des cordes (compléments)

  (les mots en blanc renvoient à des sites d'informations complémentaires)

 

 

 

 

Articles connexes sur le blog :

* Big bang et origine de l'Univers

* théorie de le relativité générale

* mécanique quantique

 

 

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 Mise à jour : 12 juillet 2013

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Published by cepheides - dans astronomie
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commentaires

Le Breton 15/12/2011 05:20

Bonjour.

J'avais besoin de me reporter à un article sur la théorie des cordes, je trouve le votre beaucoup mieux décrit et plus explicite, je dois publier un article sur wikipédia,concernant la théorie des
âmes, pour le compléter, je ferais un lien vers votre blog que je trouve enrichissant.
Merci pour ce très bel article.
Ambre.LB56

cepheides 15/12/2011 16:57



C'est moi qui vous remercie pour vos compliments. Bien entendu, je suis parfaitement d'accord pour que vous fassiez un lien (ce dont je vous remercie également). Bon
courage pour votre article !


P.S. : si vous y pensez, merci de me donner l'adresse de votre article une fois publié afin que je puisse le lire...



Xochipilli 26/02/2011 18:56


Je découvre avec beaucoup de plaisir votre blog. Bravo!
Sur la théorie des cordes, je partageais votre fascination jusqu'à la lecture de l'excellent bouquin de Smolin ("Rien ne va plus en physique") où il explique que la théorie des cordes n'a
malheureusement tenu aucune de ses promesses en termes de prédictions ou d'explication de phénomènes qu'on ne comprendrait pas par ailleurs. Même en termes théoriques, chaque difficulté semble
devoir être résolue par l'ajout d'hypothèses supplémentaires (on ne parle plus de théorie mais de théorieS des cordes et la M-théorie est une sorte de méta-théorie qui postule l'existence de 21
dimensions!). Selon Smolin -qui n'est pas neutre dans l'histoire puisqu'il défend d'autres voies de recherche en gravitation quantiques- la théorie des cordes aurait même eu l'effet pervers de
détourner l'essentiel des crédits de recherche et des esprits brillants en physique théorique malgré 20 ans d'inefficacité.


cepheides 27/02/2011 16:43



Merci pour votre intéressante participation à ce sujet. Je pense aussi que la théorie des cordes a encore beaucoup de chemin à parcourir pour devenir effectivement
crédible : on verra bien...



Alicia 08/02/2011 11:22


bonjour,
excellent article !
bon mardi ! bises.
Alicia.


cepheides 08/02/2011 17:13



Merci et au plaisir de vous retrouver prochainement sur ce blog.



tiot 04/02/2011 15:48


salut
j'apprends un peu à chaque fois
bon vendredi


Locki-Andaman 03/02/2011 11:51


Cepheides: bravo ! Une fois de plus "essai réussi !" (comme on dit au rugby)
Et j'embraie d'entrée de jeu par les passes suivantes: pourquoi n'imaginer que la réalité palpable p a r l e s y e u x?
S'il s'agit bien d'une théorie cosmologique multidimensionnelle, une (trop) classique congruence de perceptions épistémologiques ne devrait pas nous empêcher de faire le "saut existenciel" d'une
conception topologique dont la toute première étape est formulée déjà par ailleurs sous la dénomination de b o u t e i l l e de K l e i n.
Il va sans dire que cet objet n'offre aucun aspect factuel en 3 dimensions; mais il est bel et bien concevable par les "lucarnes" physicomathematiques des Riemann ou Lobatchevsky.
Mais tout celà - j'espère, ne nous empêchera pas de dormir.., en toute modestie et constante humilité ;-D
http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=5161
www.gbv.de/dms/goettingen/184244331.pdf


cepheides 03/02/2011 14:48



Merci, Locki-Andaman, de votre contribution dont je vous remercie sincèrement. Comme vous je crois que la théorie des cordes, comme la mécanique quantique en son
temps, nous oblige (nous obligera ?) à repenser complètement la perception de notre environnement... ce qui est le prix à payer pour faire avancer nos connaissances.



Lepapivore 02/02/2011 09:59


Bonjour,
Merci pour cet excellent article parfaitement documenté et résumant bien le concept très abstrait de cette théorie séduisante.
Bien à vous.


cepheides 02/02/2011 15:01



Merci à vous !



Carême-Prenant 31/01/2011 16:56


Article fort intéressant mais ne trouvez-vous pas que la théorie des cordes avec ses dimensions surnuméraires et ses particules repliées sur elles-mêmes donnent l'impression d'une... théorie,
certes astucieuse mais reposant beaucoup sur des a-priori et la volonté d'aboutir à "quelque chose" à tout prix ? Que, au bout du compte, il s'agit plus d'une belle histoire sans preuves que d'une
réelle avancée sur la connaissance de la structure de l'univers ? En tout cas, je le répète, article très intéressant !


cepheides 01/02/2011 17:27



Merci pour vos encouragements ! La théorie des cordes s'appuie sur des équations mathématiques fort complexes restant du domaine du spécialiste et que j'aurais bien
du mal à comprendre... Je veux dire par là que, à la lecture du sujet (qui n'est que de la vulgarisation), on peut effectivement penser à une "belle histoire", toute théorique et reposant sur une
montage exclusivement intellectuel mais cette belle histoire s'appuie sur de savants calculs, un peu à la manière de la physique quantique. D'ailleurs, tout le problème de la théorie vient du
fait que celle-ci "fonctionne" parfaitement dans un univers à au moins 10 dimensions et qu'il est ensuite difficile de transcrire les équations dans notre univers visible. La physique
fondamentale de notre monde n'est pas parfaitement connue : la théorie des cordes est (peut-être) une solution à explorer. Rien de plus mais rien de moins non plus...



nessa:0091: 29/01/2011 11:19


bel article ! ça me rappelle mes cours de premiere année de médecine (je n'ai fait que la première) l'Univers était au programme bon week end :-)

ps: j'ai crée une page "partenaires boosterblog" au dessus de mon dernier article où j'ai mis tous les liens des bloggers qui font le retour ;-) c'est plus pratique et rapide :)


tiot 28/01/2011 23:11


salut
Merci pour ce texte sur la théorie des cordes
bonne soirée


dupin 28/01/2011 19:39


Encore un article fort intéréssant et d'excellente qualité!!


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