Jusqu’aux derniers jours avant sa mort, en 1955, Einstein a poursuivi son rêve d’une théorie unifiée de toutes les forces et de toutes les particules de matière, et rendant compte des lois de la mécanique quantique, au moyen d’une géométrie de l’espace-temps plus complexe que celle de sa relativité générale. Ses héritiers pensent que la théorie des cordes, encore en chantier et au stade d’hypothèse de travail, est très prometteuse pour réaliser ce rêve. En plus de rendre compte des masses et des charges des particules du modèle standard, de celles du boson de Brout-Englert-Higgs à celles des quarks et des leptons, cette théorie pourrait aussi rendre compte de la nature de la matière noire et de l’énergie noire. Certains en attendent des succès encore plus spectaculaires : une compréhension profonde de l’origine de l’univers et peut-être aussi une technologie permettant de fabriquer des trous de ver traversables pour voyager entre les étoiles.On a dit de la théorie des cordes qu’elle était la physique du XXIe siècle tombée par hasard au XXe siècle tant il est difficile de percer ses secrets. Elle est en effet redoutable du point de vue mathématique et conceptuel, et nécessite de recourir à des théories aussi ésotériques que la géométrie et la topologie algébriques. Les équations de la théorie des cordes sont si difficiles à résoudre que le physicien Edward Witten fut obligé, comme Newton en son temps, de découvrir de nouvelles mathématiques. Elles lui ont valu la médaille Fields, l’équivalent du prix Nobel de mathématique.Les particules peuvent être décrites comme des cordes vibrantesLa théorie des cordes a pris naissance dans les travaux de Gabriele Veneziano en 1968 lorsqu’il cherchait à percer le mystère des interactions nucléaires fortes entre les protons et neutrons. Ce physicien a ainsi initié le « modèle dual de résonance » décrivant les particules hadroniques impliquées dans ces interactions, tels les mésons et les hypérons. Quelques années plus tard, le prix Nobel de physique Yoichiro Nambu et le physicien Leonard Susskind ont découvert que derrière l’équation mathématique proposée par Veneziano se cachaient des cordes capables de vibrer et de tourner sur elles-mêmes.Au début des années 1970, on découvrit avec l’aide de physiciens comme les Français Pierre Ramond et Joel Scherk que ces cordes, ouvertes ou bien fermées en boucles, peuvent représenter les particules de matière, comme les quarks, mais aussi les particules vectrices des forces, comme le photon et les bosons W et Z mais surtout le mythique graviton, cousin du photon et clé d’une théorie quantique de la gravitation. Il faut pour cela supposer l’existence de dimensions spatiales supplémentaires déjà postulée il y a presque 50 ans par Theodor Kaluza et Oskar Klein lorsqu’ils cherchaient comme Einstein à unifier les forces. Il faut aussi postuler l’existence de nouvelles particules décrites par une nouvelle théorie mathématique appelée supersymétrie. La théorie des cordes devint alors la théorie des supercordes.En tournant, les supercordes acquièrent des moments cinétiques, qui ne sont autres que les spins des particules connues. Capables de différents modes de vibrations comme une corde de violon, elles possèdent donc autant d'états d’énergie correspondant aux différentes masses des particules, en raison de la fameuse équivalence entre masse et énergie d’Einstein. Si on considère ces vibrations comme des notes de musique, les lois de l’univers se présentent un peu comme les partitions de symphonies.De la théorie des cordes à la théorie MLes dimensions spatiales supplémentaires seraient courbées sur elles-mêmes à la manière d’une sphère plus petite qu’un atome. Elles seraient en fait décrites par des formes géométriques que l’on appelle des espaces de Calabi-Yau, en l’honneur de deux mathématiciens, italien et chinois. Les formes de ces espaces sont tellement diverses qu’elles autorisent au moins 100500 univers possibles, solutions des équations de la théorie des supercordes. Ces univers existent peut-être, ce qui a conduit à la notion d’un multivers dont le nôtre ne serait qu’une infime partie. On a découvert au milieu des années 1990 que la théorie des supercordes était en fait contenue dans une théorie plus vaste possédant 11 dimensions d’espace-temps (10 d’espace plus une de temps) et où les cordes ne seraient pas les seuls objets fondamentaux étendus. Il existerait ainsi des membranes vibrantes, elles aussi soit fermées soit ouvertes, de sorte que la théorie des supercordes serait en fait un partie d'une plus grande, baptisée « théorie M ».Clé de la physique du Big Bang et de l’intérieur des trous noirs, la théorie des supercordes/M reste difficile à tester, même s'il a un temps été envisagé de le faire au LHC. Mais il faudrait peut-être un accélérateur de particules grand comme la Voie lactée. L’étude du rayonnement fossile avec des successeurs du satellite Planck et des ondes gravitationnelles avec eLisa pourrait aider.© Futura
