Avec seulement quelques hypothèses, la théorie des cordes est autonome.
Basée sur l’idée que toutes les particules subatomiques sont constituées de cordes d’énergie vibrantes, la théorie des cordes est candidate à une « théorie du tout » qui pourrait fusionner des branches disparates de la physique sous un seul cadre unificateur. C'est depuis longtemps une idée controversée, certains scientifiques l'adoptant tandis que d'autres affirment qu'il manque des preuves à son appui.
Une équipe de physiciens rapporte un nouveau détail qui ne règle pas le débat, mais suggère que la théorie des cordes est unique. Compte tenu de seulement quatre hypothèses physiques fondamentales, la théorie des cordes est la seule option possible pour une théorie du tout, rapportent le physicien théoricien Clifford Cheung et ses collègues dans un article accepté par Lettres d'examen physique.
La théorie des cordes a suscité le scepticisme, notamment en se concentrant sur le fait que ses prédictions jusqu’à présent n’ont pas été testables – et ne le seront peut-être jamais. Sans preuves expérimentales, les physiciens ne pourront jamais affirmer que la théorie des cordes décrit réellement le monde réel. Mais « vous pouvez réellement poser une question qui est la meilleure chose à faire », explique Cheung, de Caltech. « Compte tenu de ce que nous considérons comme des principes conservateurs ou bien établis, dans quelle mesure la théorie des cordes est-elle unique ou inévitable ?
Ces travaux font partie d'une « vague récente d'intérêt pour la compréhension des particularités de la théorie des cordes », explique Andrea Guerrieri, physicien théoricien de City St George's, Université de Londres, qui n'a pas participé à la recherche. Pour approfondir cette question, les chercheurs emploient une stratégie connue sous le nom de « bootstrapping ». Plutôt que de partir d'une théorie proposée, les physiciens partent d'hypothèses de base et les suivent jusqu'au bout pour déterminer les caractéristiques des théories possibles, en se tirant au sens figuré par leurs bottes.
Cheung et ses collègues se sont concentrés sur une quantité qu'une théorie du tout, telle que la théorie des cordes, pourrait prédire, appelée amplitudes de diffusion. Ce sont des expressions mathématiques qui peuvent être utilisées pour déterminer la probabilité que deux particules interagissent d’une manière particulière.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont exploré quels types d’amplitudes de diffusion sont possibles. Sans aucune hypothèse, une vaste gamme d’amplitudes de diffusion pourrait être correcte. En ajoutant différentes hypothèses, les chercheurs ont tenté de se frayer un chemin vers les amplitudes de diffusion prévues par la théorie des cordes, sans s'appuyer sur le principe selon lequel l'univers est constitué de cordes.
Deux des hypothèses formulées par Cheung et ses collègues sont généralement bien acceptées par les physiciens. L’une, connue sous le nom d’unité, vient de la mécanique quantique et signifie essentiellement que la somme des probabilités de toutes les options possibles dans une situation donnée doit atteindre 100 %. Un autre principe est l'invariance de Lorentz, un principe de la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, qui implique que les lois de la nature sont les mêmes, quel que soit l'endroit où vous vous trouvez dans l'univers ou la vitesse à laquelle vous voyagez.
Une autre condition, moins établie, est que la physique se comporte bien aux énergies extrêmement élevées, un domaine dans lequel certaines théories cessent de fonctionner, à savoir la relativité générale, la théorie qui décrit la gravité. Enfin, une hypothèse technique, appelée « zéros minimaux », sélectionne la version la plus simple possible de l'amplitude de diffusion, en contournant les versions plus complexes.
Sur la base de leurs hypothèses, les chercheurs ont atterri sur deux amplitudes de diffusion possibles, appelées amplitudes Veneziano et Virasoro-Shapiro. Et voilà : ce sont les amplitudes prédites par la théorie des cordes.
« Il est très surprenant qu'ils aient pu dériver cela d'une manière aussi claire », déclare le physicien théoricien Yu-tin Huang de l'Université nationale de Taiwan à Taipei. Même si certains physiciens ont pu avoir l’intuition que la théorie des cordes serait particulière de ce point de vue, « croire que c’est vrai versus [being] capable de montrer mathématiquement que c'est vrai, c'est différent.
Le résultat ne signifie pas que la théorie des cordes est correcte. L’une des hypothèses pourrait par exemple être fausse. Mais jouer avec de telles hypothèses est une façon d’explorer des théories potentielles, dit Guerrieri.
Cette méthode d'investigation renverse le scénario de la physique théorique, dit Cheung. « Habituellement, nous écrivons une belle théorie ; nous réfléchissons à une idée profonde. » Et puis, à la fin, les physiciens calculent quelque chose qui pourrait être mesurable dans une expérience. « C'est exactement l'inverse de cela. »
