Des scientifiques pensent avoir prouvé la théorie des cordes… par accident

Les deux piliers de l’univers et le défi de la gravité

L’univers connu, ou du moins la compréhension actuelle que les scientifiques en ont, est régi par deux théories fondamentales. La première, formulée par Albert Einstein, est la théorie de la relativité générale. Ce cadre décrit avec précision la physique de l’espace-temps à des échelles massives. La seconde est la théorie quantique des champs, qui se concentre sur le domaine subatomique.

Ces deux modèles se révèlent remarquablement exacts dans leurs sphères d’influence scientifiques respectives. L’obstacle majeur survient lorsque les physiciens tentent de les réconcilier. Le point d’achoppement principal réside dans la gravité. Alors que les autres forces fondamentales de l’univers possèdent des « porteurs de force », tels que les photons, les gluons ou les bosons w et z, la gravité est dépourvue d’une telle particule, du moins selon les connaissances actuelles.

Les chercheurs ne disposent d’aucune théorie quantique de la gravité. Sans elle, la très insaisissable « théorie du tout » reste résolument hors de portée. Au cours du dernier demi-siècle, cette absence n’a pas empêché les physiciens de proposer diverses méthodes pour unir les domaines du quantique et de la relativité générale, en cherchant à pallier les incompatibilités structurelles des deux systèmes.

Naissance, apogée et limites du modèle à dix dimensions

La théorie des cordes tente d’unifier la relativité générale et la théorie quantique. Elle propose qu’à des échelles un milliard de milliards de fois plus petites qu’un proton, l’univers est composé de minuscules cordes vibrantes. Ce sont ces éléments qui donneraient naissance aux différentes particules, y compris à la gravité. Formulée pour la première fois à la fin des années 1960, cette idée a atteint son zénith au cours des années 1990.

L’engouement initial s’est heurté à des obstacles mathématiques et pratiques considérables, provoquant sa perte de popularité. La théorie des cordes n’a jamais produit de prédictions vérifiables par l’expérience. Le modèle nécessitait l’existence de dix dimensions pour fonctionner correctement sur le plan mathématique, ce qui ne constitue pas un concept facile à tester empiriquement avec les outils contemporains.

La fièvre autour de la théorie des cordes s’est refroidie au cours des décennies suivantes face à ces défis de vérification. L’idée ne s’est pourtant pas entièrement dissipée dans les cercles universitaires. Un pan de la physique moderne continue de chercher comment ce concept pourrait finalement fournir une explication exploitable de la structure intime de la matière.

L’approche bootstrap ou l’émergence à partir de presque rien

Une nouvelle étude vient ajouter une tournure intéressante à l’histoire complexe de ce concept physique. Publiée dans la revue Physical Review Letters, cette recherche démontre théoriquement que la théorie des cordes émerge en réalité de « presque rien ». Avec seulement quelques hypothèses physiques sur l’univers, elle redevient un candidat attrayant pour unir la mécanique quantique et la relativité générale.

« Nous n’avons commencé avec aucune hypothèse sur les cordes du tout, mais ensuite la solution contenait les signatures fondamentales des cordes », déclare Clifford Cheung, auteur principal de l’étude affilié au California Institute of Technology (Caltech), dans une déclaration à la presse. « Les cordes en sont simplement sorties. »

Ces travaux ne constituent pas la preuve expérimentale tant attendue qui permettrait à la théorie des cordes de passer au statut d’hypothèse plus sérieuse. La nouvelle recherche s’appuie sur une méthode appelée approche « bootstrap ». Les physiciens partent d’hypothèses de base considérées comme vraies et les suivent pour observer quelles théories en émergent. Selon Science News, les chercheurs ont exploré quels types d’amplitudes de diffusion, des objets mathématiques utilisés pour déterminer la probabilité que des particules interagissent d’une manière particulière, sont possibles compte tenu de quatre hypothèses spécifiques.

Quatre hypothèses pour raviver les amplitudes historiques

Les deux premières hypothèses de l’étude sont largement acceptées par la communauté scientifique. Il s’agit de l’unitarité, issue de la mécanique quantique, signifiant que toutes les probabilités doivent s’additionner pour atteindre 100 pour cent, et de l’invariance de Lorentz. Ce second point provient de la relativité restreinte d’Einstein et implique que les lois de la physique s’appliquent universellement, peu importe l’emplacement ou la vitesse.

Les deux hypothèses suivantes représentent des sauts conceptuels légèrement plus importants. L’une postule que la physique reste bien comportée à des énergies extrêmement élevées, un domaine où certaines théories, comme la relativité générale, s’effondrent. La dernière hypothèse, appelée « zéros minimaux », sélectionne les amplitudes de diffusion les plus simples possibles plutôt que des modèles plus complexes.

En utilisant uniquement ces quatre hypothèses, les auteurs ont dérivé deux amplitudes de diffusion spécifiques. L’étude produit les amplitudes de Veneziano et de Virasoro-Shapiro. Celles-ci avaient été prédites par les théoriciens des cordes des décennies plus tôt, incluant la tour infinie de particules décrite pour la première fois par le physicien théoricien italien Gabriele Veneziano à la fin des années 1960.

Une résonance inévitable aux confins de l’observable

La déduction mathématique opérée par l’équipe ramène les chercheurs vers des concepts structurants très précis. Grant Remmen, co-auteur de l’étude et chercheur à l’Université de New York (NYU), s’est exprimé dans un communiqué de presse. « Les détails précis de la théorie des cordes ont émergé automatiquement, y compris la tour infinie de particules massives en rotation qui forment les ‘harmoniques’ de la corde pour lesquelles la théorie est célèbre », précise-t-il.

L’apparition de ces harmoniques ne signifie pas que le monde académique a trouvé la théorie du tout de manière définitive. L’absence d’observation directe maintient l’écart habituel entre la construction théorique mathématique et la validation expérimentale concrète sur le terrain.

Les réponses recherchées par les physiciens se déploient à des échelles beaucoup trop petites pour être observées. Dans ce contexte d’investigation microscopique, les chercheurs soulignent qu’il est utile de savoir qu’un petit ensemble d’hypothèses raisonnables sur l’univers mène, presque inévitablement, aux cordes.

Selon la source : popularmechanics.com