Des dimensions au-delà des quatre que nous connaissons pourraient résoudre une multitude de problèmes de physique et de cosmologie. Journaliste Léa Grue explore à quoi pourrait ressembler un univers de dimension supérieure – et comment nous pourrions découvrir si nous vivons dans un univers
Des dimensions supplémentaires permettent des formes encore plus complexes
Dans l’une des interviews les plus mémorables de ma carrière jusqu’à présent, j’étais à mon bureau, la tête dans les mains, en train de parler au téléphone avec un physicien de dimensions supplémentaires. J'essayais de comprendre ce que signifie le fait qu'une dimension entière soit petite. Après plusieurs minutes d'allers-retours, j'ai dit : « Mais pas petit comme un bonbon, n'est-ce pas ? », tout en bloquant mentalement le rire du collègue assis en face de moi. La réponse ? Eh bien, c'est compliqué.
Nous invoquons régulièrement des dimensions « supplémentaires » en physique, mais nous parlons très rarement de ce que cela signifie réellement. Ils entrent souvent en jeu lorsque l’on évoque la théorie des cordes, un ensemble radical d’idées qui suggèrent que tout est composé de cordes incroyablement petites. Lorsque ces cordes vibrent, elles produisent des effets que nous interprétons comme des atomes, des électrons et des quarks. J'ai tendance à me méfier un peu de la théorie des cordes, principalement parce que les idées qu'elle contient vont de difficiles à impossibles à tester pratiquement, ce qui me fait réfléchir. Et cela repose sur des dimensions supplémentaires pour cacher ces cordes enroulées à notre vue, ce qui est tout simplement difficile à comprendre.
Bien sûr, il existe une ou deux explications bien connues, comme la version satirique Terrain plat nouvelle de 1884 (écrite par Edwin Abbott sous le pseudonyme « A Square ») et les vidéos éducatives très amusantes qui en découlent. Il s’agit en grande partie d’allégories et de métaphores – néanmoins, ils offrent un moyen de comprendre ce que peut ressentir la rencontre d’une autre dimension dans une perspective habituée à vivre à quatre, même s’ils ne concernent pas vraiment les dimensions supplémentaires en eux-mêmes. La plupart du temps, lorsque nous réfléchissons à ce que cela pourrait signifier pour l'existence de dimensions supplémentaires, il y a beaucoup de gestes de la main, peut-être un peu de confusion, et puis nous passons à autre chose.
Mais des dimensions supplémentaires, si elles sont réelles, pourraient légitimement résoudre certains problèmes majeurs de physique et de cosmologie, il vaut donc la peine d'essayer de les comprendre. L’exemple classique de l’un de ces problèmes est la gravité, qui est bien plus faible que toutes les autres forces fondamentales. Nous ne savons pas pourquoi, et il a été proposé qu'une certaine gravité puisse s'échapper vers des dimensions supplémentaires, affaiblissant ainsi ses effets dans notre propre univers perceptible. Plus récemment, quelque chose de similaire a été proposé pour expliquer de nouvelles mesures de l’énergie noire qui indiquent qu’elle pourrait s’affaiblir avec le temps. S’il existe des dimensions supplémentaires dont la taille change au fil du temps, cela se répercuterait sur les dimensions que nous connaissons et expérimentons – trois de l’espace et une du temps – modifiant ainsi l’équilibre énergétique de l’univers.
De plus, même si je me demande si des dimensions supplémentaires sont susceptibles d’exister, l’idée est intéressante.
Le type de dimension supplémentaire le plus facile à comprendre est probablement le type utilisé dans Terrain platune histoire de formes géométriques vivant dans un monde bidimensionnel. Ils habitent un drap plat et se déplacent autour comme des rondelles glissant sur la glace. De leur point de vue plat, ils voient toute autre forme comme une simple ligne.
Mais une sorte d’horreur extra-dimensionnelle lovecraftienne à trois dimensions (par exemple, un humain) peut les voir d’en haut ou d’en bas – non seulement pour voir qu’il s’agit, en fait, de formes et non de lignes, mais aussi pour voir quels sont leurs entrailles. En vivant dans un monde en 3D, vous pourriez extraire une des formes de son plan et la retourner sur le côté ; les autres formes sont encore laissées dedans Terrain plat verrait simplement une étrange coupe transversale de son intérieur qui coupe leur plan au lieu de la ligne constante de son bord.
Si vous extrapolez cela au monde réel, avec ses trois dimensions d'espace et une de temps, une horreur de dimension encore plus élevée serait capable de voir à l'intérieur de vous et peut-être même de vous arracher de votre espace-temps familier dans sa dimension. Si cela se produisait, ceux d’entre nous qui resteraient sur place verraient une section transversale changeante de votre véritable forme à cinq dimensions à mesure que votre corps bougeait.
Une variante de ce type de dimension supplémentaire est l’hypothèse du monde branique, selon laquelle notre propre univers est le bord – la membrane – d’un cosmos de dimension supérieure. Proposée pour la première fois en 1999, l'idée est revenue d'une relative obscurité au cours des dernières années comme l'un des rares moyens plausibles de confronter notre réalité aux contraintes de la théorie des cordes.
Dans une version de cette idée, la membrane qui contraint notre univers est la frontière entre un espace de dimension supérieure – appelé hyperespace – et rien. Cela nous placerait à la frontière d’un vide cosmique. À juste titre, c’est ce qu’on appelle une brane de fin du monde. Les particules fondamentales que nous connaissons seraient alors les extrémités de cordes à cinq dimensions qui vivent dans l'hyperespace, mais nous ne serions jamais capables de voir la corde entière, tout comme un triangle dans Terrain plat ne serait jamais capable de voir une forme plus compliquée qu’une ligne.
Cela nous amène à cinq dimensions, mais il pourrait y en avoir bien d'autres, et elles ne devraient pas toutes être aussi vastes que celles du monde des branes. En fait, il se pourrait très bien qu’ils ne ressemblent même pas à de l’espace ; imaginez que le temps puisse se déplacer latéralement et pas seulement d'avant en arrière. (N'entrons pas dans les détails à ce sujet.) Et certaines dimensions pourraient être petites comme un bonbon – ou même beaucoup plus petites que cela.
Des dimensions supplémentaires pourraient-elles ressembler à des poupées gigognes ?
Vous pouvez considérer les dimensions comme un ensemble de poupées matriochka en verre, chacune emboîtant dans les plus grandes, où vous ne pouvez accéder qu'à la poupée qui représente le nombre de dimensions que vous habitez – vraisemblablement quatre – et à celles qui s'y trouvent. Les dimensions du bonbon – celles qui seraient physiquement petites, et non petites en termes de dimension inférieure – sont comme des bulles dans le verre. Elles peuvent sembler très différentes, mais, tout comme l’une des poupées matriochka, l’une de ces bulles renferme un espace. C'est juste un espace minuscule, comme une sorte d'univers de poche.
Pourriez-vous entrer dans cet univers de poche ? Sauf si vous êtes petit comme un haricot, ou plutôt petit comme un photon, car ces dimensions sont considérées comme extrêmement minuscules. La raison en est que nous n’en avons pas vu : s’ils étaient gros, ils seraient beaucoup plus faciles à détecter. Mais il ne serait pas totalement impossible de repérer une petite dimension. Pensez à faire briller une lumière à travers vos poupées matriochka en verre. Toutes les bulles créeraient des distorsions et des reflets dans la lumière. Une véritable dimension supplémentaire ferait quelque chose de similaire.
Supposons donc qu’une onde gravitationnelle traverse l’une de ces bulles de notre univers. Il en ressortirait avec une forme légèrement déformée et, avec un détecteur suffisamment puissant, nous pourrions mesurer cette distorsion. Il existe également d’autres méthodes de recherche, impliquant de minuscules effets quantiques et des particules exotiques qui, selon nous, ne pourraient être produites que dans des dimensions supplémentaires.
Les chercheurs travaillant sur des détecteurs d'ondes gravitationnelles, des collisionneurs de particules et même des télescopes classiques sont à la recherche de ces indices subtils, mais jusqu'à présent, aucun n'a été trouvé. Néanmoins, le simple fait qu’il soit possible de rechercher des dimensions supplémentaires peut affaiblir ma déclaration précédente selon laquelle la théorie des cordes a tendance à ne pas faire de prédictions testables. Si nous parvenons à les trouver, cela pourrait marquer un changement radical dans mes opinions sur la théorie des cordes – et, bien sûr, dans notre compréhension de l’univers au sens large.
