Histoire de la théorie des cordes

Cet article résume l'histoire de la théorie des cordes.

La théorie des cordes est une théorie de la physique moderne qui tente d'unifier la mécanique quantique (physique aux petites échelles) et la théorie de la relativité générale (indispensable pour décrire la gravitation de manière relativiste).

La principale particularité de la théorie des cordes est que son ambition ne s'arrête pas à cette réconciliation, mais qu'elle prétend réussir à unifier les quatre interactions élémentaires connues, on parle de théorie du tout,

Origine

La théorie des cordes a été à l'origine découverte pour expliquer certaines particularités du comportement des hadrons (particules sub-atomiques qui subissent la force nucléaire forte). Dans les expériences au sein d'accélérateurs de particules, les physiciens ont observé que le spin d'un hadron n'était jamais plus grand qu'un certain multiple du carré de son énergie. Aucun modèle simple du hadron, comme par exemple le représentant comme un ensemble qui plus est petites particules rassemblées pour des forces agissant comme des ressorts, ne permettait d'expliquer ce phénomène. En 1968, le physicien Gabriele Veneziano remarqua que la fonction Beta d'Euler pouvait être utilisée pour décrire la dispersion de l'amplitude des grandeurs pour des particules interagissant via la force nucléaire forte. Quoique cette remarque corresponde bien aux données expérimentales, les raisons de cette correspondance étaient inconnues.

Années 1970

En 1970, Yōichirō Nambu, Holger Bech Nielsen, et Leonard Susskind présentèrent une interprétation physique de la formule d'Euler en représentant les forces nucléaires comme des cordes vibrantes à une dimension. Cependant, cette description basée sur les cordes de la force nucléaire forte aboutissait à de nombreuses prédictions en contradiction directe avec les données expérimentales. La communauté scientifique perdit rapidement son intérêt pour cette théorie et développa la chromodynamique quantique pour décrire correctement le comportement des hadrons. Ce modèle sera incorporé dans le modèle standard, basé sur les particules et leurs champs, qui décrit jusqu'à actuellement (2008) la totalité des particules élémentaires observées.

En 1974 John Schwarz et Joël Scherk, et indépendamment Tamiaki Yoneya étudièrent les modèles de vibration de cordes décrivant les bosons, et découvrirent que leurs propriétés correspondaient précisément à celles du graviton, la particule hypothétique "messagère" de la force de gravitation. Schwarz et Scherk argumentèrent que la théorie des cordes n'avait pas été adoptée jusque là car les physiciens sous-estimaient sa portée. Ceci mena au développement de la théorie des cordes bosoniques, qui est toujours la première version enseignée à de nombreux étudiants. On espère à présent que la théorie des cordes ou l'une de ses descendantes apportera une compréhension complète de la totalité des interactions principales, à savoir d'une part les deux forces nucléaire et la force électromagnétique qui sont décrites par le modèle standard et d'autre part la force de gravitation qui est aujourd'hui bien décrite par la relativité générale. On parle ainsi de théorie du tout.

La théorie des cordes est formulée en termes de l'action de Polyakov, qui décrit comment les cordes se déplacent à travers l'espace et le temps. De même que des ressorts, les cordes possèdent une tension et veulent se contracter pour minimiser leur énergie potentielle, mais la conservation de l'énergie les empèche de disparaître et les fait osciller à la place. En appliquant les idées de la mécanique quantique aux cordes, il est envisageable de déduire différents modèles de vibration des cordes. A chacun de ces modèles correspond une particule différente. La masse de chaque particule et son mode d'interaction sont déterminés par la manière dont la corde vibre - ou, pour le voir d'une manière différente, par la "note" émise par la corde. La totalité des notes, chacune correspondant à un différent type de particule, est nommé le spectre de la théorie.

Les premiers modèles incluaient à la fois des cordes ouvertes, qui avaient deux extrêmités différentes, et des cordes fermées, pour lesquels les extrêmités étaient jointes pour former une boucle complète. Les deux types de cordes se comportent de manière un peu différente, donnant lieu à des spectres différents. L'ensemble des théories modernes des cordes n'utilisent pas ces deux types ; certaines n'incluent que le modèle de cordes fermées^[1].

Le tout premier modèle de théorie des cordes, la théorie des cordes bosoniques posait des problèmes. Principal était une instabilité principale due à la présence d'un tachyon dans son spectre, dont on pensait qu'elle résultait d'une instabilité de l'espace-temps lui-même. Comme son nom l'indique, le spectre des particules contenait seulement les bosons, ces particules comme le photon dont un des rôles est de transporter les interactions principales. Si les bosons forment un ingrédient critique de l'univers, ils n'en sont pas l'unique composant. La recherche d'un procédé par lequel la théorie des cordes pourrait inclure les fermions, qui forment la matière ordinaire, dans son spectre mena à l'invention de la théorie des supercordes, incorporant la supersymétrie qui postule une relation entre les bosons et les fermions. Ces théories des cordes incluent des vibrations "fermioniques" complexes à se représenter intuitivement ; plusieurs d'entre elles ont été élaborées.

Années 1980, la première révolution des cordes

Entre 1984 et 1986, les physiciens ont pris conscience que la théorie des cordes pourrait décrire l'ensemble des particules élémentaires et leurs interactions, et la plupart d'entre eux commencèrent à travailler sur ce qui semblait former la plus prometteuse idée pour unifier les théories de la physique. La première révolution des supercordes débuta par la découverte de l'annulation d'une anomalie dans la théorie des cordes de type I, par Michæl Green et John Schwarz en 1984. Cette anomalie était annulée par le mécanisme de Green-Schwarz. Plusieurs autres découvertes principales, telles l'élaboration de la corde hétérotique, furent réalisées en 1985.

Années 1990, la seconde révolution des cordes

Dans les années 1990, Edward Witten et d'autres découvrirent de particulièrement sérieuses indications que les différentes théories des supercordes forment différentes limites d'une nouvelle théorie à 11 dimensions nommée théorie M. Pour tout autant la formulation quantique de la théorie M n'est pas toujours établie. Cette découverte forma la seconde révolution des supercordes.

Dans le milieu des années 1990, Joseph Polchinski découvrit que la théorie exige l'inclusion d'objets qui plus est grande dimension, nommés D-branes. Ces dernières ont ajouté une structure mathématique riche à la théorie, et ont ouvert de nombreuses possibilités pour construire des modèles cosmologiques réalistes^[2].

En 1997, Juan Maldacena fit l'hypothèse d'une relation entre la théorie des cordes et une théorie de jauge nommée théorie Yang-Mills supersymétrique N=4. Cette conjecture, nommée correspondance AdS/CFT a soulevé un grand intérêt et est désormais bien acceptée^[3]. C'est une réalisation concrète du principe holographique, qui a de particulièrement fortes implications dans l'étude des trous noirs, de la localisation et de l'information en physique, mais aussi de la nature des interactions gravitationnelles.

Années 2000, développements récents

Plus il y a peu de temps, la découverte du paysage de la théorie des cordes, qui suggère que la théorie des cordes a un nombre particulièrement grand de vides non équivalents, a mené à de nombreuses discussions sur le pouvoir prédictif de cette théorie, et sur la façon dont la cosmologie peut y être incluse.

Notes

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