Brian Greene au sujet de la théorie des cordes

Durant l'année 1919 Un mathématicien allemand quasiment inconnu, du nom de Théodore Kaluza proposa une idée extrêmement audacieuse, et d'une certaine manière, très étrange Il suggéra que notre univers pourrait avoir en réalité plus de dimensions que les trois que nous connaissons tous C'est-à-dire qu'en plus de gauche, droite, en arrière, en avant, et en haut, en bas Kaluza suggéra qu'il pourrait y avoir des dimensions supplémentaires dans l'espace que pour une raison quelconque nous ne voyons pas encore Bon, quand quelqu'un émet une idée audacieuse et étrange parfois c'est tout ce que c'est: audacieux et étrange mais ça n'a rien à voir avec le monde qui nous entoure Cette idée en particulier, pourtant bien qu'on ne sache pas encore si elle juste ou fausse et à la fin je parlerai des expériences qui, dans quelques années, nous diront peut-être si elle est vraie ou fausse cette idée a eu un impact majeur sur la physique du siècle passé et elle continue à influencer une grande partie de la recherche de pointe.

Et donc j'aimerais vous parler de l'histoire de ces dimensions supplémentaires Alors comment on fait ? Pour commencer il faut faire un peu d'histoire. Retourner en 1907. C'est une année durant laquelle Einstein est auréolé de la découverte de la théorie de la relativité restreinte et il décide de démarrer un nouveau projet pour tenter de comprendre complètement la grande et omniprésente force de la gravité Et à ce moment-là, beaucoup de gens autour de lui pensaient que la question avait déjà été résolue. Newton avait fourni au monde une théorie de la gravitation à la fin du 17è siècle qui fonctionne bien, décrit le mouvement des planètes le mouvement de la Lune, et ainsi de suite le mouvement de pommes apocryphes tombant des arbres sur la tête des gens Tout ça pouvait être décrit d'après le travail de Newton

Mais Einstein se rendit compte que Newton avait oublié quelque chose dans son histoire car Newton lui-même avait écrit que même s'il comprenait comment calculer l'effet de la gravité il avait été incapable d'identifier comment elle fonctionne réellement Comment se fait-il que le Soleil, à 150 millions de km, influence d'une certaine manière le mouvement de la Terre ? Comment le Soleil l'atteint-il à travers l'espace vide et inerte, pour exercer son influence ? Et c'est une tâche à laquelle Einstein s'est attelé pour comprendre comment fonctionne la gravité. Laissez-moi vous montrer ce qu'il a trouvé Donc Einstein a découvert que le medium qui transmet la gravité, c'est l'espace lui-même Voilà l'idée: imaginez que l'espace est un substrat de tout ce qui existe

Einstein dit que l'espace est lisse et plat, si aucune matière n'est présente. Mais si de la matière est présente, comme le Soleil, cela provoque une déformation, une courbe dans la structure de l'espace. Et c'est ça qui transmet la force de la gravité. Même la Terre déforme l'espace autour d'elle Maintenant jetez un oeil à la Lune La Lune reste en orbite, d'après cette théorie, parce qu'elle roule le long d'une vallée dans cet environnement courbé que le Soleil, la Lune et la Terre peuvent tous créer par le simple fait de leur présence Maintenant la vue d'ensemble de tout ça La Terre elle-même est maintenue en orbite parce qu'elle roule le long d'une vallée dans l'environnement qui est courbé du fait de la présence du Soleil Voilà l'idée nouvelle sur le fonctionnement réel de la gravité

Bon, cette idée a été testée en 1919 par des observations astronomiques Ça marche vraiment. Ça décrit les données. Et cela apporta la célébrité à Einstein dans le monde entier Et c'est ce qui a fait réfléchir Kaluza Comme Einstein, il était en quête de ce qu'on appelle une "théorie unifiée" Il s'agit d'une théorie qui serait capable de décrire toutes les forces de la nature à partir d'un ensemble d'idées un ensemble de principes, une équation générale, si vous voulez. Donc Kaluza se dit, "Einstein a réussi à décrire la relativité" "en termes de déformations et de courbes de l'espace" en fait, de l'espace et du temps, pour être plus précis. "Peut-être que je peux faire la même chose avec l'autre force connue" qui était, à l'époque, connue comme la force électromagnétique. On en connaît d'autres aujourd'hui, mais à cette époque c'était la seule autre à laquelle les gens réfléchissaient. Vous savez, la force qui cause l'életricité et l'attraction magnétique, et ainsi de suite

Et donc Kaluza dit, "peut-être que je peux faire la même chose" "et décrire la force électromagnétique en termes de déformations et de courbes" Ça soulève une question: déformations et courbes de quoi ? Einstein avait déjà épuisé l'espace et le temps les déformations et les courbes, pour décrire la gravité Il semblait qu'il n'y avait plus rien à déformer ou courber Donc Kaluza dit, "eh bien, peut-être qu'il y a plus de dimensions de l'espace" Il dit, "si je veux décrire une force supplémentaire" "peut-être que j'ai besoin d'une dimension supplémentaire" Donc il imagina que le monde avait quatre dimensions de l'espace, et non trois, et il imagina que l'électromagnétisme était constitué de déformations et de courbes dans cette quatrième dimension. Maintenant voilà le truc: quand il écrivit les équations décrivant les déformations et les courbes dans un univers avec quatre dimensions d'espace, et non trois, il tomba sur les vieilles équations qu'Einstein avait déjà établies en trois dimensions (celles-là concernaient la gravité) mais il découvrit une équation en plus à cause de la dimension supplémentaire. Et quand il regarda cette équation. Ce n'était autre que l'équation que les scientifiques connaissaient depuis longtemps pour décrire la force électromagnétique Extraordinaire... elle était apparue comme ça. Il était tellement excité lorsqu'il réalisa cela qu'il courut partout dans sa maison en hurlant: "Victoire !" parce qu'il avait trouvé la théorie unifiée.

Manifestement, Kaluza était un homme qui prenait la théorie très au sérieux Et en fait, il... Une anecdote dit que lorsqu'il voulut apprendre à nager il lut un livre, un traité de natation... (Rires) ... et plongea dans l'océan C'est un homme qui jouerait sa vie sur une théorie Maintenant, pour ceux d'entre nous qui ont un petit peu plus de sens pratique, son observation soulève immédiatement deux questions. Numéro un: s'il y a plus de dimensions d'espace, où sont-elles ? On ne semble pas les voir. Et numéro deux: est-ce que cette théorie fonctionne vraiment en détail, quand on essaye de l'appliquer au monde qui nous entoure ? La première question a été résolue en 1926 par un chercheur nommé Oskar Klein. Il suggéra qu'il puisse y avoir deux types de dimensions... il pourrait y avoir les grandes dimensions, faciles à voir, mais il pourrait aussi y avoir des dimension infimes, enroulées enroulées si petites, que bien qu'elles soient tout autour de nous on ne les voit pas.

Laissez-moi vous montrer ça visuellement Donc imaginez que vous regardez quelque chose comme un cable portant un feu de circulation. C'est à Manhattan. Vous êtes dans Central Park (ça n'est pas très important) mais le cable a l'air d'être en une dimension d'un point de vue éloigné pourtant vous et moi savons tous qu'il a une certaine épaisseur. Cela dit c'est très dur de le voir, de loin. Mais si on fait un zoom et que l'on prend le point de vue de, mettons, une petite fourmi qui se promène... les petites fourmis sont si petites qu'elles ont accès à toutes les dimensions la longueur mais aussi cette dimension, dans et contre le sens des aiguilles d'une montre Et j'espère que vous appréciez tout ça Ça a pris tellement de temps de faire faire ça à ces fourmis

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Mais ça illustre le fait que les dimensions peuvent être de deux types: grandes et petites. Et l'idée que peut-être les grandes dimensions autour de nous sont celles qu'on peut facilement voir, mais qu'il pourrait y avoir des dimensions supplémentaires, enroulées, un peu comme la partie circulaire de ce cable si petites qu'elles sont restées invisibles jusqu'à maintenant. Je vais vous montrer à quoi ça ressemblerait. Si on jette un œil, disons, à l'espace lui-même... Bien sur, je ne peux montrer que deux dimensions sur un écran. Certains d'entre vous corrigeront ça un jour, mais tout ce qui n'est pas plat sur l'écran est une nouvelle dimension on rapetisse encore, et encore, et encore et tout en bas dans les profondeurs microscopiques de l'espace lui-même voilà l'idée: on pourrait avoir des dimensions supplémentaires enroulées.

Là on a la forme d'un petit cercle, si petites qu'on ne les voit pas. Mais si vous étiez une petite fourmi ultra microscopique en balade vous pourriez marcher dans les grandes dimensions que l'on connaît tous (c'est la partie quadrillée) mais vous auriez aussi accès aux infimes dimensions enroulées qui sont si petites qu'on ne peut les voir à l'œil nu ou même avec aucun de nos instruments les plus fins. Mais profondément enfouies dans la structure de l'espace lui-même, l'idée est qu'il pourrait y avoir d'autres dimensions, comme on le voit ici. Voilà une explication sur la façon dont l'univers pourrait avoir plus de dimensions que celles qu'on voit. Mais qu'en est-il de la deuxième question que j'ai posée: est-ce que la théorie marche vraiment quand on essaye de l'appliquer au monde réel ?

Eh bien il s'avère qu'Einstein et Kaluza et beaucoup d'autres ont essayé d'affiner cette structure et de l'appliquer à la physique de l'univers telle qu'on la comprenait à l'époque, et en détail ça ne fonctionnait pas. En détail, par exemple, ils n'arrivaient pas à ce que la masse de l'électron s'intègre correctement dans la théorie. Énormément de gens travaillèrent dessus, mais dans les années 40, de façon sure dans les années 50, cette idée étrange mais tout à fait fascinante sur la manière d'unifier les lois de la physique avait disparu. Jusqu'à ce que quelque chose d'extraordinaire se produise à notre époque. A notre époque, une nouvelle approche pour unifier les lois de la physique est suivie par des physiciens comme moi, et beaucoup d'autres dans le monde, ça s'appelle la Théorie des Supercordes, comme vous le disiez. Et ce qu'il y a d'extraordinaire c'est que la théorie des supercordes n'a rien à voir à première vue avec cette idée de dimensions supplémentaires, mais lorsque l'on étudie la théorie des supercordes on s'aperçoit qu'elle ressuscite l'idée dans une nouvelle forme éclatante.

Je vais vous expliquer comment ça se passe. La théorie des supercordes: qu'est-ce que c'est ? Eh bien c'est une théorie qui tente de répondre à la question: quels sont les éléments basiques, fondamentaux, indivisibles, insécables qui constituent tout ce qui nous entoure dans le monde ? Voilà l'idée. Imaginez qu'on regarde un objet courant, juste une bougie dans un bougeoir, et imaginez qu'on veuille savoir de quoi il est fait. Alors on fait un voyage au plus profond de l'objet et on examine ses constituants. Et donc très profond... on sait tous que si on va suffisamment loin, on trouve les atomes. On sait aussi tous que les atomes ne sont pas la fin du voyage. Ils ont des petits électrons qui grouillent autour d'un noyau central avec des neutrons et des protons. Même les neutrons et les protons contiennent des particules plus petites appelées quarks C'est là que les idées conventionnelles s'arrêtent.

Voici l'idée nouvelle de la théorie des cordes. Au plus profond de n'importe laquelle de ces particules, il y a autre chose. Cette autre chose, c'est ce filament d'énergie qui danse. Ça ressemble à une corde qui vibre c'est de là que vient l'idée de théorie des cordes Et de la même manière que les cordes en vibration que vous venez de voir sur un violoncelle peuvent vibrer selon différents schémas, celles-ci peuvent aussi vibrer selon différents schémas. Elles ne produisent pas différentes notes de musique. En revanche, elles produisent les différentes particules qui constituent le monde qui nous entoure. Donc si ces idées-là sont correctes, voici à quoi le paysage ultra-microscopique de l'univers ressemble. Il est constitué d'un très grand nombre de ces minuscules filaments d'énergie en vibration qui vibrent à différentes fréquences. Les différentes fréquences produisent différentes particules. Les différentes particules sont responsables de toute la richesse du monde qui nous entoure.

Et là vous voyez l'unification, parce que les particules de matière, électrons et quarks, les particules de radiation, photons, gravitons, sont tous construits à partir d'une entité. Donc la matière et les forces de la nature sont toutes réunies sous la rubrique des cordes en vibration. Et c'est ça que l'on entend par théorie unifiée. Maintenant voilà où est le piège. Quand on étudie les mathématiques de la théorie des cordes, on découvre que ça ne marche aps dans un univers qui n'a que trois dimensions d'espace. Ça ne marche pas dans un univers à quatre dimensions d'espace, ni à cinq, ni à six. Finalement, on peut étudier les équations, et montrer que ça ne marche que dans un univers qui a dix dimensions d'espace et une dimension de temps. Ça nous ramène directement à l'idée de Kaluza et Klein selon laquelle notre monde, quand il est correctement décrit, a plus de dimensions que celles que l'on voit.

Maintenant vous pouvez réfléchir à tout ça et vous dire, bon, "OK, vous savez, s'il y a des dimensions supplémentaires, et qu'elles sont vraiment enroulées très serrées, d'accord, peut-être qu'on ne les verra pas si elles sont suffisamment petites. Mais s'il y a une minuscule civilisation de petits hommes verts qui se baladent là-dessous et qu'ils sont suffisamment petits, on ne les verra pas non plus, et c'est vrai. L'une des autres prédictions de la théorie des cordes... non, ce n'est pas une des autres prédictions de la théorie des cordes

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Mais cela soulève la question: est-ce qu'on essaye juste de cacher ces dimensions supplémentaires, ou est-ce qu'elles nous apprennent quelque chose sur le monde ? Dans le temps qu'il reste, j'aimerais vous parler de deux de leurs caractéristiques. La première, c'est que nombre d'entre nous croient que ces dimensions supplémentaires détiennent la réponse à ce qui est peut-être la question la plus profonde en physique théorique, en théorie des sciences. Et cette question c'est: quand on observe le monde comme les scientifiques l'ont fait ces cent dernières années, il semble y avoir environ 20 nombres qui décrivent vraiment notre univers. Ce sont des nombres comme la masse des particules, comme les électrons et les quarks, la puissance de la gravité, la puissance de la force électromagnétique... une liste d'environ 20 nombres qui ont été mesurés avec une précision incroyable, mais personne ne peut expliquer pourquoi ces nombres ont les valeurs particulières qu'ils ont.

Maintenant, est-ce que la théorie des cordes apporte une réponse ? Pas encore. Mais on pense que la raison pour laquelle ces nombres ont les valeurs qu'ils ont dépend peut-être de la forme de ces dimensions. Et ce qui est extraordinaire, c'est que si ces nombres avaient n'importe quelles autres valeurs que celles qu'on connaît, l'univers, tel qu'on le connaît, n'existerait pas. C'est une question profonde. Pourquoi ces nombres sont-ils si finement réglés qu'ils permettent aux étoiles de briller et aux planètes de se former alors qu'on sait que si l'on trafique ces nombres... si j'avais 20 cadrans ici et que je vous laissais venir et bidouiller ces nombres, presque tous les bidouillages feraient disparaître l'univers. Alors peut-on expliquer ces 20 nombres ? Et la théorie des cordes suggère que ces 20 nombres ont quelque chose à voir avec les dimensions supplémentaires. Je vais vous montrer comment. Donc quand on parle des dimensions supplémentaires en théorie des cordes, ce n'est pas une dimension supplémentaire, comme d'après les vieilles idées de Kaluza et Klein. Voici ce que dit la théorie des cordes à propos des dimensions supplémentaires. Elles ont une géométrie entremêlée très complexe.

Ceci est un exemple de ce qu'on appelle une forme de Calabi-Yau... le nom n'est pas très important. Mais comme vous pouvez le voir, les dimensions supplémentaires se replient sur elles-mêmes et elles s'emmêlent dans une forme, une structure très intéressante. et l'idée, c'est que si les dimensions supplémentaires ressemblent à ça, alors le paysage microscopique de notre univers, tout autour de nous, ressemblerait à ça à une échelle microscopique. Quand vous balancez votre main, vous déplaceriez ces dimensions supplémentaires encore et encore, mais elles sont si petites qu'on ne le saurait pas. Mais quelle est l'implication physique, néanmoins, concernant ces 20 nombres ?

Pensez à ça, si vous regardez cet instrument, un cor français, vous notez que les vibrations des courants d'air sont influencées par la forme de l'instrument. Maintenant en théorie des cordes, tous les nombres sont les reflets de la façon dont les cordes peuvent vibrer. Ainsi de même que ces courants d'air sont affectés par les coudes et les virages de l'instrument, les cordes elles-mêmes seront affectées par les schémas de vibration dans la géométrie au sein de laquelle elles se déplacent. Donc je vais ajouter quelques cordes à cette histoire. Et si vous regardez ces petits trucs vibrer dans tous les sens... ils vont arriver dans une seconde - voilà, remarquez que la façon dont ils vibrent est affectée par la géométrie des dimensions supplémentaires.

Donc si on savait exactement à quoi ressemblent les dimensions supplémentaires (on ne sait pas encore, mais si on savait) nous devrions être capable de calculer les notes qui sont possibles, les schémas de vibration possibles. Et si on pouvait calculer les schémas de vibration possibles, on devrait pouvoir calculer ces 20 nombres. Et si la réponse que l'on obtient par nos calculs correspond aux valeurs de ces nombres qui ont été déterminées par des expérimentations précises et détaillées, ce serait de bien des manières la première explication fondamentale de pourquoi la structure de l'univers est tel qu'elle est. Maintenant le deuxième problème avec lequel je voudrais conclure est: comment pourrions-nous tester l'existence de ces dimensions supplémentaires plus directement ? Est-ce que c'est juste une structure mathématique intéressante qui pourrait expliquer certaines caractéristiques du monde jusque-là inexpliquées, ou peut-on véritablement tester l'existence de ces dimensions supplémentaires ? Et on pense (et ça c'est, je trouve, tout à fait passionnant) que dans les cinq prochaines années à peu près, on sera peut-être capable de tester l'existence de ces dimensions supplémentaires.

Voilà comment ça marche. Au CERN, à Genève, en Suisse, on est en train de construire une machine appelée Grand Collisionneur de Hadrons. C'est une machine qui enverra des particules le long d'un tunnel, en direction opposée, quasiment à la vitesse de la lumière. De temps à autre ces particules seront dirigées les unes contre les autres, pour qu'il y ait une collision frontale. L'espoir, c'est que si la collision a suffisamment d'énergie, elle puisse éjecter certains des débris de la collision de nos dimensions, les forçant à entrer dans les autres dimensions. Comment est-ce qu'on le saura ? Eh bien, on mesurera la quantité d'énergie après la collision, on la comparera à la quantité d'énergie avant, et s'il y a moins d'énergie après la collision qu'avant, Ce sera la preuve que l'énergie s'est égarée. Et si elle s'égare d'après le bon schéma que l'on peut calculer, ce sera la preuve que les dimensions supplémentaires sont là.

Laissez-moi vous montrer cette idée visuellement. Donc imaginez qu'on ait un certain type de particule appelée graviton... c'est le genre de débris que l'on s'attend à voir éjecté si les dimensions supplémentaires existent. Mais voilà comment va se dérouler l'expérience. Vous prenez ces particules, vous les cognez l'une contre l'autre. Vous les cognez l'une contre l'autre, et si on a raison, une partie de l'énergie de cette collision ira dans des débris qui s'échappent dans ces dimensions supplémentaires. Donc c'est le genre d'expériences que l'on étudiera dans les cinq, sept ou peut-être dix années à venir. Et si l'expérience porte ses fruits, si l'on voit ce genre de particule être expulsé en remarquant qu'il y a moins d'énergie dans nos dimensions que lorsqu'on a commencé, cela montrera que les dimensions supplémentaires sont réelles.

Et pour moi c'est une histoire véritablement étonnante, et une opportunité exceptionnelle. Si on revient à Newton avec l'espace absolu... ça ne fournissait rien d'autre qu'un stade, une scène sur laquelle les événements de l'univers prenaient place. Einstein débarque et dit, en fait, l'espace et le temps peuvent se déformer et se courber, c'est ça la gravité. Et là la théorie des cordes débarque et dit, oui, la gravité, la mécanique quantique, l'électromagnétisme... tous réunis dans un seul ensemble, mais seulement si l'univers a plus de dimensions que celles qu'on voit Et c'est une expérience qui pourrait tester leur existence de notre vivant. Une possibilité incroyable. Merci beaucoup.

(Applaudissements)