Comme des parents divorcés pendant les fêtes de fin d’année, la physique est composée de deux autorités bien-aimées qui n’arrivent pas à s’entendre : la relativité générale et la mécanique quantique.
Pendant des décennies, de nombreux chercheurs ont placé leurs espoirs d’unification dans ce qu’on appelle la théorie des cordes. Celle-ci met en évidence un lien curieux entre la gravité et le comportement des particules subatomiques. Le revers de la médaille… c’est la théorie des cordes.
Comme de nombreux physiciens du monde entier, les théoriciens de l’université de Princeton poursuivent depuis des décennies le rêve de réunir les parents séparés de la physique dans ce que l’on appelle une théorie du tout.
Comme l’a expliqué récemment Catherine Zandonella, responsable de la communication de Princeton, ils ont remporté un certain succès, du moins lorsqu’il s’agit de trouver une sorte de terrain d’entente mathématique.
“L’idée maîtresse est que la gravité, la force qui ramène les balles de baseball sur Terre et régit la croissance des trous noirs, peut être mathématiquement reliée aux singulières pitreries des particules subatomiques qui composent toute la matière qui nous entoure”, explique Catherine Zandonella.
“Cette relation entre la gravité et les particules subatomiques constitue une sorte de pierre de Rosette pour la physique.”
Ce terrain d’entente n’est pas tout à fait la même chose qu’un mariage de théories qui se chamaillent, mais un moyen de traduire les langages relatifs pourrait au moins les faire parler.
Malheureusement, cette idée est issue du cadre de la théorie des cordes qui continue de diviser les chercheurs – un modèle mathématique dont la plupart d’entre nous ont entendu parler, mais que peu d’entre nous comprennent vraiment.
Le point de départ de toute cette confusion est l’infini. Si vous entrez des chiffres dans une formule et que vous n’obtenez pas de réponse significative, votre formule est en fait inutile pour faire des prédictions.
La théorie quantique nous donne des réponses solides pour la plupart des interactions entre particules. Non seulement les réponses sont significatives, mais elles correspondent parfaitement aux chiffres expérimentaux.
Malheureusement, la gravité est un cas à part. Actuellement, nous expliquons la faible attraction entre des masses distantes en décrivant la forme de l’espace-temps, conformément à la théorie de la relativité générale d’Einstein.
En combinant les mathématiques basées sur les probabilités des particules discrètes porteuses de force avec l’arrière-plan spatio-temporel de la relativité générale, on obtient des absurdités sous la forme d’une réponse infinie. Comme deux personnes qui crient l’une devant l’autre.
Si la gravité était associée aux deux forces nucléaires et à l’électromagnétisme, nous obtiendrions une théorie plus simple et globale décrivant comment notre Univers émerge d’un système d’exploitation unique de la physique.
Une solution potentielle consiste à voir toutes les particules d’une manière entièrement différente, qui préserve leur nature discrète et probabiliste tout en intégrant l’arrière-plan 4D de l’espace-temps.
La théorie des cordes y parvient en décrivant les particules comme une dimension unique qui change de forme au sein de dimensions multiples. Ou, en d’autres termes, une ligne qui “bourdonne” à différentes fréquences, ce qui explique les caractéristiques uniques d’une particule.
Cette méthode fonctionne en fait pour toute une série de choses en physique. Dans les années 1990, trois chercheurs de Princeton ont appliqué la théorie des cordes aux particules de la force forte qui collent les quarks ensemble pour former les protons et les neutrons – des particules appelées avec humour gluons.
Ils ont découvert que la même approche pouvait également les aider à comprendre comment les trous noirs rayonnaient de l’énergie.
Quelques années plus tard, un autre chercheur de Princeton, Juan Maldacena, a développé une explication plus générale des grandes choses comme les masses qui déforment l’espace-temps et la théorie des champs qui donne naissance aux particules subatomiques.
Vingt ans plus tard, la théorie des cordes continue d’inspirer ce langage partagé entre les parents contestataires de la physique, sous la forme de la théorie de l’espace anti-de Sitter/champ conforme, ou correspondance AdS/CFT.
“Nous espérons comprendre la singularité à l’intérieur du trou noir, le “Big Bang”, dit Maldacena, et en tirer des leçons intéressantes pour l’avenir
Ce n’est que récemment que le physicien Leonard Susskind, de l’université de Stanford, a publié son explication de l’expansion du volume intérieur des trous noirs, basée sur la correspondance AdS/CFT.
Aussi élégant que soit ce modèle, une belle idée doit être exclusivement observée en action pour devenir une théorie convaincante. Surtout lorsque le fondement même de tout est en jeu.
Même le père fondateur de la théorie des cordes a des doutes quant à savoir si les mathématiques représentent quelque chose de réel ou s’il s’agit d’un reflet superficiel d’une vérité plus profonde.
“À mon avis, la théorie du monde réel a peut-être des choses à voir avec la théorie des cordes, mais ce n’est pas la théorie des cordes dans son sens formel, rigoureux et mathématique”, a récemment déclaré Susskind dans une interview.
“La chose exacte – que j’appelle la théorie des cordes, qui est cette structure mathématique – ne va pas être capable, par elle-même, de décrire les particules.”
La théorie des cordes pourrait faire parler les parents, et pourrait même nous montrer la voie des observations qui relient la relativité générale à la mécanique quantique.
Mais il est clair que nous avons un long chemin à parcourir pour réunir la famille de la physique. Cela n’arrivera probablement pas à temps pour Noël. Ni pour aucun autre Noël, d’ailleurs.