En 1980, Stephen Hawking donne sa première conférence en tant que professeur lucasien à l'Université de Cambridge. La conférence s'intitulait « La fin de la physique théorique est-elle en vue ?
Hawking, qui devint plus tard mon doctorat. superviseur, a prédit qu'une théorie du tout, unissant les branches contradictoires de la relativité générale, qui décrit l'univers à grande échelle, et de la mécanique quantique, qui régit le microcosme des atomes et des particules, pourrait être découverte d'ici la fin du 20e siècle.
Quarante-cinq ans plus tard, il n’existe toujours pas de théorie définitive de tout. Le principal candidat est la théorie des cordes, un cadre qui décrit toutes les forces et particules, y compris la gravité. La théorie des cordes propose que les éléments constitutifs de la nature ne soient pas des particules ponctuelles comme les quarks (qui constituent les particules du noyau atomique) mais des cordes vibrantes.
Cela suggère que si nous pouvions regarder au plus profond des électrons, nous verrions des boucles de cordes vibrant comme celles d’un violon. Différents modèles de vibrations des cordes correspondent à différentes particules.
La théorie des cordes unifie toutes les forces de la nature. Des forces qui semblent très différentes, comme la gravité et l’électricité, sont profondément liées les unes aux autres. Les forces sont liées par ce qu’on appelle des dualités : les mêmes phénomènes sous-jacents peuvent être décrits de différentes manières.
La force de gravité est décrite en termes de géométrie, de formes et de positions. D'autres forces sont décrites en termes de différents concepts mathématiques, notamment l'algèbre et les nombres.
L’unification des forces implique donc des relations profondes entre les branches des mathématiques. De telles relations avaient déjà été proposées par des mathématiciens, notamment par Robert Langlands, et la théorie des cordes donne des explications physiques à ces relations.
Bien que la théorie des cordes puisse être la théorie correcte de tout, elle est difficile à tester expérimentalement. Les effets de la théorie des cordes deviennent visibles à de très petites échelles et à de très hautes énergies.
Les accélérateurs de particules explorent la structure interne des particules en les heurtant et en les brisant. Cependant, même les plus grands collisionneurs du Cern en Suisse n'ont pas assez d'énergie pour décomposer les particules en chaînes.
Des indices dans le cosmos
Comment pouvons-nous tester expérimentalement la théorie des cordes si nous ne pouvons pas atteindre des énergies suffisamment élevées dans les collisionneurs ? La réponse réside peut-être dans le fait de regarder vers le ciel.
Le tout premier univers était dense et chaud, et la soupe primordiale aurait été composée de ficelles. Nous pouvons voir l’histoire de l’univers imprimée dans les observations actuelles, depuis l’étude des galaxies jusqu’aux mesures du rayonnement cosmique qui imprègne tout l’espace et est un vestige du Big Bang.
Au début du XXe siècle, l’astronome américain Edwin Hubble a démontré que l’univers est en expansion. Les galaxies s'éloignent les unes des autres.
À la fin de ce siècle, des observations détaillées de l’expansion ont montré qu’elle s’accélère. Les galaxies d’aujourd’hui se séparent plus rapidement qu’elles ne l’étaient il y a un million d’années.
Qu’est-ce qui motive cette accélération ? La gravité est une force attractive qui ralentit donc l’expansion de l’univers. L'accélération de l'univers est provoquée par un nouveau type d'énergie qui se propage dans tout l'espace. Les scientifiques appellent cette énergie sombre et elle représente environ 70 % de l’énergie de l’univers.
Nous ne savons pas exactement ce qu'est l'énergie noire. L’explication la plus plausible est qu’il s’agit de l’énergie quantique inhérente à l’univers. Dans le monde quantique, les particules ne peuvent jamais rester immobiles, sans énergie. Il y a toujours un peu de gigue quantique et d’énergie associée.
Les atomes refroidis jusqu’à la température zéro absolue possèdent encore de l’énergie en raison de leur mouvement quantique. L’énergie sombre pourrait potentiellement être expliquée comme étant l’énergie quantique sous-jacente à toutes les forces et particules de la nature, y compris la gravité.
Des expériences mettent en évidence les propriétés de l’énergie noire. Desi est un observatoire basé en Arizona, aux États-Unis, qui cartographie les galaxies et les quasars. Les télescopes spatiaux Euclid et Roman mesureront l’univers avec des détails sans précédent, retraçant l’histoire de milliards de galaxies sur des milliards d’années.
Des résultats récents de Desi suggèrent que l'énergie noire évolue dans le temps d'une manière cohérente avec les modèles de la théorie des cordes, bien que cela reste à être entièrement vérifié par d'autres mesures.
Cela ne prouve pas la théorie des cordes, car celle-ci peut produire une variété d’univers différents, avec différents modèles d’énergie noire. Cependant, les résultats de Desi suggèrent qu’interpréter l’énergie noire comme l’énergie quantique des cordes pourrait être sur la bonne voie. Il existe bien sûr d’autres phénomènes que les cordes qui pourraient expliquer le changement d’énergie sombre.
Euclide et Roman effectueront des mesures très précises et seront en mesure d'exclure bon nombre de ces théories de l'énergie noire et certaines versions spécifiques de la théorie des cordes, ce qui contribuera à affiner les éléments sur lesquels les théoriciens devraient se concentrer.
Une autre façon de vérifier la théorie des cordes peut être via les trous noirs. Une fois que quelque chose tombe dans un trou noir, il ne peut pas en sortir. À l’intérieur d’un trou noir, il existe des forces très puissantes et les particules sont déchirées. Nous ne comprenons toujours pas exactement ce qui se passe à l’intérieur d’un trou noir, mais la théorie des cordes nous enseigne comment un trou noir conserve des informations sur ce qui est tombé à l’intérieur.
En effet, la théorie des cordes suppose qu'il n'y a pas de « singularité » à l'intérieur d'un trou noir – un point de densité et de gravité infinies – mais que les objets sont plutôt répartis sous forme de boules de cordes appelées boules de fuzz.
Les mesures futures, plus précises, des ondes gravitationnelles (ondulations dans la structure de l'espace-temps) rechercheront les signaux subtils du comportement quantique à l'intérieur des trous noirs prédits par la théorie des cordes. Si les trous noirs sont des boules de poils, ils devraient produire un signal différent lorsqu’ils fusionnent, durant plus longtemps et contenant des échos. De plus, s'il existe des dimensions supplémentaires, comme le propose la théorie des cordes, les trous noirs peuvent osciller de différentes manières, ce que nous pourrions également détecter.
En plus des mesures cosmologiques, les scientifiques peuvent mener des expériences de pensée, tout comme Einstein l’a fait avec ses théories de la relativité. La théorie des cordes a conduit à de nouvelles perspectives non seulement dans le domaine des mathématiques, mais également dans d’autres domaines scientifiques. Par exemple, la théorie des cordes s’est avérée utile pour comprendre comment les systèmes quantiques peuvent être utilisés en informatique.
Je ne pense pas qu'une compréhension complète d'une théorie du tout soit à portée de main, mais au cours des 45 années écoulées depuis la conférence lucasienne de Hawking, nous avons certainement beaucoup appris. Et en ce moment, les choses s’améliorent pour la théorie des cordes.
