Merveille de vulgarisation

En 1968, le physicien Gabriele Veneziano découvre qu’une fonction mathématique (la fonction Beta) décrit très bien plusieurs interactions fortes entre les particules élémentaires. Par la suite, en 1970, Yoichiro Nambu, Holger Nielsen et Leonard Susskind démontrent que la découverte de Veneziano peut s’expliquer si l’on considère que les particules élémentaires sont composées de minuscules cordes vibrantes d’une dimension. Les caractéristiques des particules élémentaires du modèle standard (la masse, la charge, le spin, etc.) seraient déterminées par les différents modes de vibration de ces cordes microscopiques. Après plus d’une douzaine d’années d’intenses recherches souvent ignorées par la communauté scientifique internationale, Michael Green et John Schwarz publient, en 1984, un article capital (qui causera la première révolution des cordes) dans lequel ils démontrent, entre autre, que la théorie des cordes peut possiblement réunir les 4 forces fondamentales et être le pont entre la mécanique quantique et la relativité générale, qui sont, prises individuellement, les meilleures théories pour décrire l’infiniment petit et l’infiniment grand que l’on possède, mais qui sont incompatibles l’une avec l’autre. La théorie des supercordes devient donc la meilleure candidate pour l’établissement d’une « Theory Of Everything » (TOE), but ultime de la science.

J’ai adoré ce livre de Brian Greene. Ayant une formation en physique, on ne m’avait jamais enseigné la théorie des supercordes et je n’avais qu’une vague idée des concepts la régissant. Greene commence par nous résumer la relativité générale (vitesse limite de la lumière, principe d’équivalence, déformation de l’espace temps, etc.). Par la suite, ils nous résume la mécanique quantique (fonction d’onde, probabilités, principe d’incertitude d’Heisenberg, etc.). Il explique pourquoi on ne réussit pas à réunir la mécanique quantique et la relativité générale. Ce serait parce que la relativité générale doit reposer sur un espace-temps lisse(1) et que les énormes fluctuations quantiques, à l’échelle sub-planckienne (pour un élément d’espace ≤10E-33 cm) et « permises » par le principe d’incertitude, brisent ce postulat fondamental. Avec les supercordes, l’avantage est que les distances sub-planckiennes ne sont pas prises en considération puisque les cordes ont une taille minimale de 10E-33 (la longueur de Planck) et qu’elles sont les particules élémentaires, donc la plus petite composante de l’univers. Autrement dit, l’espace-temps est « tissé » de cordes de longueur minimale de 10E-33 cm.

Brian Greene explique que la théorie des supercordes prédit des probabilités négatives lorsque nous limitons son développement à 3 dimensions spatiales. Avec 9 dimensions spatiales, les propriétés négatives s’annulent et la théorie des cordes devient crédible. Maintenant, pour expliquer pourquoi ne voyons que 3 dimensions spatiales (pour l’instant du moins), les théoriciens émettent l’hypothèse que les 6 autres dimensions spatiales se soient recourbées à une échelle extrêmement petite. Les formes allouées pour le recourbement des dimensions excédentaires sont limitées par les formules mathématiques de la théorie et on les appellent les espaces Calabi-Yau (ou formes Calabi-Yau).

Greene nous dit également qu’en 1985, on a établit que la supersymétrie(2) pouvait être incorporée de 5 manières différentes dans la théorie des supercordes. Ainsi, il existe 5 théories, à priori différentes, des supercordes (Type I, Type IIa, Type IIb, Heterotic 0(32) et Heterotic E8 x E8). C’est en 1995 qu’Edward Witten établit des relations entre les 5 différentes théories et qu’il postule l’existence d’une théorie englobante, la théorie-M (M-Theory), réunissant les 5 théories des cordes existantes. Witten démontre que la théorie-M se développe dans un espace à 10 dimensions spatiales (une de plus que pour les 5 théories existantes) et une temporelle.

En plus de son incroyable pouvoir de vulgarisation, j’ai également bien aimé la vision de la physique que possède l’auteur. Je m’identifie grandement à sa vision de la mère de toutes les sciences

(1) En mathématique, un espace lisse en est un où, entre autre, les vecteurs de base le composant sont infiniment dérivables.

(2) C’est dans ce livre que je crois avoir compris partiellement la notion de supersymétrie. De part leur recherche en physique théorique, les physiciens ont établit que, puisqu’il existe des particules et des anti-particules ayant les mêmes propriétés que les particules excepté leur charge qui est diamétralement opposée (par exemple, le positron, l’antiproton, etc.), il doit exister des s-particules qui ont les mêmes propriétés que les particules excepté leur spin qui est diamétralement opposé (par exemple, le sélectron, les sneutrinos, squarks, photinos, etc.). Le « super » de supercordes réfère à la supersymétrie.

Citations :

« The reductionist philosophy easily ignites heated debate. Many find it fatuous and downright repugnant to claim that the wonders of life and the universe are mere reflections of microscopic particles engaged in a pointless dance fully choreographed by the laws of physics. Is it really the case that feelings of joy, sorrow, or boredom are nothing but chemical reactions in the brain – reactions between molecules and atoms that, even more microscopically, are reactions between some of the [elementary] particles […], which are really just vibrating strings? In response to this line of criticism, Nobel laureate Steven Weinberg cautions in Dreams of a Final Theory,

At the other end of the spectrum are the opponents of reductionism who are appalled by what they feel to be the bleakness of modern science. To whatever extent they and their world can be reduced to matter of particles of fields and their interactions, they feel diminished by that knowledge….I would not try to answer these critics with a pep talk about the beauties of modern science. The reductionist worldview is chilling and impersonal. It has to be accepted as it is, not because we like it, but because that the way the world works.

Some agree with this stark view, some don’t.»

« In the beginning of the nineteenth century the French mathematician Pierre-Simon de Laplace enunciated the strictest and most far-reaching consequence of the clockwork universe that followed from Newton’s laws of motion […] if at some instant you know the positions and velocities of every particle in the universe, you can use Newton’s laws of motion to determine – at least in principle – their positions and velocities at any other prior or future time. From this perspective, any and all occurrences, from the formation of the sun to the crucifixion of Christ, to the motion of your eyes across this word, strictly follow from the precise positions and velocities of the particulate ingredients of the universe a moment after the big bang. […] We have seen that Heisenberg’s uncertainty principle undercuts Laplacian determinism because we fundamentally cannot know the precise positions and velocities of the constituents of the universe. Instead, these classical properties are remplaced by quantum wave functions, which tell us only the probability that any given particle is here or there, or that it has this or that velocity.

The downfall of Laplace’s vision, however, does not leave the concept of determinism in total ruins. Wave functions – the probability waves of quantum mechanics – evolve in time according to precise mathematical rules, such as the Schrödinger equation […]. This informs us that quantum determinism replaces Laplace’s classical determinism: Knowledge of the wave functions of all of the fundamental ingredients of the universe at some moment in time allows a “vast enough” intelligence to determine the wave functions at any prior of future time. Quantum determinism tells us that the probability that any particular event will occur at some chosen time in the future is fully determined by knowledge of the wave functions at any prior time. The probabilistic aspect of quantum mechanics significantly softens Laplacian determinism by shifting inevitability from outcomes to outcomelikelihoods, but the latter are fully determined within the conventional framework of quantum theory. »

« Sometimes attaining the deepest familiarity with a question is our best substitute for actually having the answer. »

• 

  L'univers élégant [Texte imprimé], une révolution scientifique, de l'infiniment grand à l'infiniment petit, l'unification de toutes les théories de la physique Brian Greene trad. de l'américain par Céline Laroche préf. de Trinh Xuan Thuan

  de Greene, Brian Trinh, Xuan Thuan (Préfacier) Laroche, Céline (Traducteur)
  Gallimard / Folio. Essais
  ISBN : 9782070302802 ; 12,30 € ; 17/02/2005 ; 656 p. ; Poche

  Go Amazon
• 

  The Elegant Universe : Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory de Brian Greene

  de Greene, Brian
  Random house
  ISBN : 9780375708114 ; CDN$ 19.95 ; 29/02/2000 ; 464 p. ; Broché

  Go Amazon