Posted by Mathieu Favez on March 13th 2007 - 0:16
Vu sur le Blog à Ollie, un documentaire en trois épisodes d’Arte: “Ce Qu’Einstein Ne Savait Pas Encore”.
Très bien vulgarisée et illustrée, cette série diffuse trois émissions de 45 minutes qui nous font découvrir comment la théorie des cordes propose d’expliquer les secrets de l’Univers et d’unifier la théorie de la relativité génerale d’Einstein (physique de l’infiniment grand) avec celle de la mécanique quantique (physique de l’infiniment petit).
Le documentaire en 3 épisodes est disponible sur DailyMotion:
Le rêve d’Einstein
La théorie des cordes
Bienvenue dans la 11ème dimension
Selon la loi de la gravitation universelle de Newton, le champs de gravitation du soleil maintient les planètes en orbite autour de lui. Si le soleil s’éteint, sa force de gravitation disparaît et les planètes sortent instantanément de leur orbite pour dériver dans l’espace.
Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, rien ni la gravité ne peut voyager plus vite que la lumière. Et la lumière fait 8 minutes pour arriver à la terre. Comment donc la terre pourrait-elle quitter son orbite instantanément (selon Newton) avant que l’obscurité arrive à la terre? Einstein propose une nouvelle approche de la gravité pour résoudre ce conflit.
Selon Einstein les 3 dimensions de l’espace et la dimension du temps (en tout 4 dimensions) sont liées dans un même tissu espace-temps. Les astres et planètes évolue le long de ce tissu, et leurs poids en déforment sa surface de la même manière qu’un trampoline. Les déformations de la surface du tissu espace-temps seraient la cause de la gravitation. Selon cette théorie, la terre n’est pas maintenue en orbite autour du soleil à cause du champs de gravitation de celui-ci comme l’a décrit Newton, mais suit plutôt les courbes de gravité du tissu espace-temps générées par le poids du soleil. Ainsi si le soleil disparaît, la variation de masse résultante créerait des ondes de perturbation (comme des vagues) sur le tissu espace-temps. Ces ondulations voyageraient à la vitesse de la lumière jusqu’à la terre qui sortirait alors de son orbite. En fait la théorie de la relativité générale définit la force de gravitation comme des courbes dans le tissu espace-temps génerées par des objets lourds (étoiles, planètes, galaxies) et décrit un Univers organisé et prévisible.
Il ne restait plus qu’à Einstein d’unifier la force de gravitation avec l’unique autre force connue à cette époque, la force électromagnétique, et toutes les lois de l’Univers seraient ainsi décrites au moyen d’une seule équation maîtresse.
Ce sont les équations de Maxwell-Lorentz qui constituent le postulat de base qui permet de réunir en une seule force électromagnétique la force électrique et la force magnétique.
Les équations de Maxwell-Lorentz et la théorie de la relativité générale réunies au sein d’une seule et unique théorie révellerait la nature de l’Univers. Mais Einstein se heurte à un problème, la force de gravitation est infiniment plus faible que la force électromagnétique. Ce conflit rend incompatible une théorie unique de l’Univers.
C’est alors qu’apparaît la mécanique quantique qui étudie les interactions qu’il existe entre les particules infiniment petites qui composent la matière. La mécanique quantique définit 2 nouvelles forces atomiques qui viennent s’ajouter à la force de gravitation décrite par Einstein et à la force électromagnétique définie par Maxwell-Lorentz: l’interaction forte (celle qui maintient unis les protons et neutrons au sein du noyau de l’atome) et l’interaction faible (responsable de la radioactivité).
De plus, la mécanique quantique affirme qu’à l’échelle des particules règne l’incertitude. Elle prône que l’issue d’une expérience est imprévisible (Einstein décrit l’Univers comme organisé et prévisible!). Les résultats peuvent uniquement être prédit en terme de probabilité.
La mécanique quantique confirme que l’intensité des forces atomiques et de la force électromagnétique est infiniment plus élevée que l’intensité de la force de gravitation.
La différence d’intensité énorme qu’il existe entre les forces atomiques et la force de gravitation pose des problèmes: Comment opère donc la force de gravitation au niveau des particules et quel est son rôle? Elle est beaucoup trop faible pour maintenir unies les particules au sein du noyau. Comment mettre en relation la force de gravitation et les forces atomiques? Le conflit existant entre les deux théories empêche d’élaborer un modèle unique qui permettrait de définir l’Univers à toutes les échelles, un modèle qui réunirait la théorie de la mécanique quantique (infiniment petit) avec celle de la relativité d’Einstein (infiniment grand), un modèle qui démontrerait au moyen d’une seule équation mathématique que toutes les forces de l’Univers sont régies par ces 4 forces fondamentales (gravitation,électromagnétisme,intéraction forte et intéraction faible).
Tant qu’une théorie unique n’existe pas, certains comportements de l’Univers, comme par exemple les trous noirs, ne pourront pas être expliqués.
Les trous noirs se produisent lorsqu’une énorme quantité de masse (par exemple un étoile) est concentrée dans une toute petite zone de l’espace. Cette énorme quantité de matière concentrée déforme le tissu espace-temps et le champs de gravitation résultant absorbe la lumière. L’existence des trous noirs a été vérifiée grâce à des satellites qui ont découvert des régions de l’espace possédant un énorme champs gravitationnel. Pour analyser les trous noirs faut-il faire appel à la théorie de la relativité générale car l’étoile est compressée en un point très lourd ou faut-il plutôt s’appuyer sur la mécanique quantique car l’étoile est minuscule?
Si on applique les deux théories elles se heurtent au niveau des résultats et leurs prédictions sont incohérentes.
La théorie des cordes est une approche complètement nouvelle de considérer la matière fondamentale et les forces qui agissent dans l’Univers. Son originalité et son modèle mathématique basé sur les équations d’Euler donnent des perspectives de pouvoir unifier la théorie de la relativité générale avec celle de la mécanique quantique. Elle propose que les particules élémentaires de la matière sont des brins d’énergie en oscillation semblable à des cordes. Selon cette théorie ce sont des cordes vibrantes infiniment petites, ouvertes ou fermées, qui composent toutes les forces et la matière de l’Univers (et non des points comme le présente la mécanique quantique). Ce sont les modes d’oscillations de ces brins d’énergie vibrants qui décrivent les différentes particules de la matière (électrons, photons…) et qui sont responsables des 3 forces atomiques fondamentales (électromagnétisme, intéraction forte, intéraction faible).
L’unification au sein d’un même modèle standard de la force électromagnétique de Maxwell-Lorentz avec les 2 intéractions atomiques fortes et faible de la mécanique quantique a généré tous les espoirs d’un modèle universel unique qui intègrerait aussi la force de gravitation décrite par Einstein. Mais les efforts des physiciens d’unir les deux théories se voient avortés car deux calculs devant aboutir à la même réponse donnent des résultats différents! Cependant un nouveau calcul mathématique démontre que le fait d’obtenir 2 résultats différents ne présente pas en sois une anomalie ni une incohérence. Cette nouvelle découverte mathématique permet d’établir le maillon manquant, une corde est une particule (mécanique quantique) étalée (relativité) et le graviton est la particule qui représente au niveau quantique la modèle de gravitation d’Einstein.
La théorie des cordes suggère aussi l’existence de 6 nouvelles dimensions qui s’ajoutent aux 3 dimensions de l’espace et à celle du temps (10 dimensions au total). Ces dimensions supplémentaires seraient responsables de la vibration des cordes.
Cependant 5 différentes variantes de la théorie ont vues le jour, et seulement l’introduction du nouvelle dimension (la 11ème) a permis de les réunir au sein d’une seule et unique théorie, appelée la théorie M. L’introduction de la 11ème dimension permet de représenter non pas un univers, mais décrit différents univers parallèles comme des membranes géantes qui cohabitent symphoniquement et auxquels sont rattachées des cordes vibrantes ouvertes et minuscules. Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, l’univers formé par le tissu espace-temps peut s’étirer. Selon la théorie M, les dimensions peuvent se courber et se déchirer, et créer de cette manière des raccourcis qui peuvent relier un point d’un univers avec un point d’une autre univers. Le graviton, responsable de la force de gravitation, serait une corde vibrante fermée qui pourrait se transmettre d’un univers à un autre au moyen de ces raccourcis. Ce modèle permet de résoudre le conflit qui oppose l’intensité infiniment grande des 3 forces atomiques (électromagnétisme, intéraction forte et intéraction faible) face à l’intensité apparemment infiniment plus faible de la gravitation. En fait la gravitation serait aussi une force très importante, mais son intensité serait répartie entre plusieurs univers parallèles au moyen des gravitons qui passent d’une dimension à une autre.
La théorie des cordes permet aussi de mieux comprendre l’origine de l’univers, le fameux Big Bang. En fait le Big Bang serait le résultat d’une collision entre différentes membranes dimensionnelles proposées par la théorie. Ce qui laisse à penser que plusieurs Big Bang peuvent avoir eu lieu et d’autres à venir sont aussi envisageables.
La théorie des cordes semble donc unifiée en une seule théorie unique, la théorie M, toutes les lois de l’Univers et les 4 forces fondamentales (gravitation,électromagnétisme,intéraction forte et intéraction faible). Mais la théorie des cordes possède aussi son talon d’Achille. Aucune expérience ne peut la vérifier et la corroborer à des échelles aussi petites.
Un des objectifs du nouvel accélérateur de particules du CERN est de prouver l’existence du graviton en collisionant à des très grandes vitesses des particules. Il pourra peut-être aussi démontrer l’existence d’un nouveau type de particules mises en évidence par la théorie des cordes: les particules partenaires hyperlourdes et symétriques…les expériences prévues pour ces prochaines années seront donc cruciales pour valider ou non cette nouvelle théorie prometteuse d’unification des lois de l’Univers…
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