Théorie des cordes

Contexte

Les introductions à la théorie des cordes destinées au grand public doivent d'abord expliquer la physique. Certaines des controverses sur la théorie des cordes résultent de malentendus sur la physique. Un malentendu courant, même pour les scientifiques, est la présomption qu'une théorie s'avère vraie dans son explication du monde naturel partout où ses prédictions sont couronnées de succès. Un autre malentendu est que les physiciens, y compris les chimistes, ont déjà expliqué le monde. Cela conduit au malentendu selon lequel les théoriciens des cordes ont commencé à faire d'étranges hypothèses après avoir été "libérés de la vérité" de manière inexplicable.

Domaine classique

La physique newtonienne

La loi de Newton sur la gravitation universelle (UG), ajoutée aux trois lois galiléennes du mouvement et à quelques autres présomptions, a été publiée en 1687. La théorie de Newton a réussi à modéliser les interactions entre des objets d'une taille que nous pouvons voir, une gamme de phénomènes que l'on appelle aujourd'hui le domaine classique. La loi de Coulomb a modélisé l'attraction électrique. La théorie du champ électromagnétique de Maxwell a unifié l'électricité et le magnétisme, tandis que l'optique a émergé de ce champ.

La vitesse de la lumière est restée à peu près la même lorsqu'elle a été mesurée par un observateur se déplaçant dans son champ, cependant, bien que l'addition des vitesses ait prédit que le champ serait plus lent ou plus rapide par rapport à l'observateur voyageant avec ou contre lui. Ainsi, par rapport au champ électromagnétique, l'observateur continuait à perdre de la vitesse. Cela n'enfreignait pas pour autant le principe de relativité de Galilée, selon lequel les lois de la mécanique fonctionnent de la même manière pour tous les objets présentant une inertie.

Selon la loi de l'inertie, lorsqu'aucune force n'est appliquée à un objet, celui-ci conserve sa vitesse, qui est la vitesse et la direction. Un objet soit en mouvement uniforme, qui est une vitesse constante dans une direction invariable, soit au repos, qui est une vitesse nulle, subit une inertie. Cela montre l'invariance galiléenne - ses interactions mécaniques se déroulant sans variation - également appelée relativité galiléenne, car on ne peut pas percevoir si l'on est au repos ou en mouvement uniforme.

Théorie de la relativité

Relativité spéciale

En 1905, la théorie spéciale de la relativité d'Einstein a expliqué la précision du champ électromagnétique de Maxwell et de la relativité galiléenne en déclarant que la vitesse du champ est absolue - une constante universelle - alors que l'espace et le temps sont des phénomènes locaux par rapport à l'énergie de l'objet. Ainsi, un objet en mouvement relatif se raccourcit dans la direction de son élan (contraction de Lorentz), et le déroulement des événements ralentit (dilatation du temps). Un passager sur l'objet ne peut pas détecter le changement, car tous les appareils de mesure à bord de ce véhicule ont connu une contraction de la longueur et une dilatation du temps. Seul un observateur externe en repos relatif mesure l'objet en mouvement relatif à raccourcir le long de son trajet et le déroulement de ses événements ralenti. La relativité spéciale a laissé la théorie de Newton - qui affirme que l'espace et le temps sont absolus - incapable d'expliquer la gravitation.

Par le principe d'équivalence, Einstein a déduit que le fait d'être sous l'effet de la gravitation ou de l'accélération constante sont des expériences indissociables qui pourraient partager un mécanisme physique. Le mécanisme suggéré était la contraction progressive de la longueur et la dilatation du temps - une conséquence de la densité d'énergie locale dans l'espace 3D - établissant une tension progressive dans un objet rigide, soulageant sa tension en se déplaçant vers l'endroit de plus grande densité d'énergie. La relativité spéciale serait un cas limité d'un champ gravitationnel. La relativité spéciale s'appliquerait lorsque la densité d'énergie dans l'espace 3D est uniforme, et que le champ gravitationnel est donc mis à l'échelle de façon uniforme d'un endroit à l'autre, ce qui explique pourquoi un objet ne subit aucune accélération et donc aucune gravitation.

Relativité générale

En 1915, la théorie générale de la relativité d'Einstein a nouvellement expliqué la gravitation avec l'espace-temps 4D modélisé comme un collecteur Lorentzien. Le temps est une dimension fusionnée avec les trois dimensions de l'espace, car chaque événement dans l'espace 3D - 2D horizontalement et 1D verticalement - fait apparaître un point le long d'un axe temporel 1D. Même dans la vie de tous les jours, l'un des deux indique ou implique les deux. L'un dit ou du moins signifie : "Retrouvez-moi au bâtiment 123 Main Street qui croise Franklin Street dans un appartement 3D le 10 octobre 2012 à 21h00". En omettant ou en manquant la coordonnée temporelle, on arrive au bon endroit dans l'espace lorsque l'événement recherché est absent - il est dans le passé ou le futur - à peut-être 18h00 ou 12h00.

En faisant converger l'espace et le temps et en supposant les deux par rapport à la densité d'énergie dans le voisinage, et en fixant la seule constante ou absolue non pas comme masse égale mais comme vitesse de la lumière dans le vide, la relativité générale a révélé l'équilibre et la symétrie du monde naturel, jusqu'alors inimaginables. Chaque objet se déplace toujours à la vitesse de la lumière le long d'une ligne droite - son équivalent, sur une surface courbe, appelée géodésique ou ligne du monde - la seule voie de moindre résistance comme une chute libre dans l'espace-temps 4D dont la géométrie "courbe" au voisinage de la masse/énergie.

Un objet à la vitesse de la lumière dans le vide se déplace à une vitesse maximale dans l'espace 3D, mais ne présente aucune évolution des événements. Il est figé dans le temps : un objet immobile dans l'espace 3D s'écoule entièrement dans le temps 1D, et connaît la vitesse maximale de déroulement des événements. L'univers affiché est relatif à un endroit donné, mais une fois que la masse/énergie dans ce voisinage est indiquée, les équations d'Einstein prédisent ce qui se produit - ou s'est produit ou se produira - n'importe où dans l'univers. La notion popularisée selon laquelle le terme "relatif" dans la théorie d'Einstein suggère le subjectif ou l'arbitraire a été à quelque regret d'Einstein, qui a pensé plus tard qu'il aurait dû l'appeler théorie générale.

Cosmologie

Les particules messagères du champ électromagnétique, les photons, transportent une image à travers l'univers de manière intemporelle, tandis que les observateurs de ce champ ont un flux temporel suffisant pour décoder cette image et réagir en se déplaçant dans l'espace 3D, mais ne peuvent jamais dépasser cette image intemporelle. On pense que l'état de l'univers moins de 400 000 ans après le big bang présumé qui a donné naissance à notre univers est représenté par le fond micro-ondes cosmique (CMB).

En 1915, on pensait que l'univers était entièrement constitué de ce que nous appelons aujourd'hui la Voie lactée et qu'il était statique. Einstein a appliqué ses équations du champ gravitationnel, récemment publiées, et a découvert que l'univers s'étendait ou se rétrécissait en conséquence. Il a révisé la théorie en ajoutant une constante cosmologique pour équilibrer arbitrairement l'univers. Vers 1930, les données du télescope d'Edwin Hubble, interprétées par la relativité générale, ont révélé que l'univers était en expansion.

En 1916, sur un champ de bataille de la Première Guerre mondiale, Karl Schwarzschild a appliqué les équations d'Einstein, et la solution de Schwarzschild a prédit les trous noirs. Des décennies plus tard, les astrophysiciens ont identifié un trou noir supermassif au centre de chaque galaxie peut-être. Les trous noirs semblent mener la formation et le maintien des galaxies en régulant la formation et la destruction des étoiles.

Dans les années 1930, on a remarqué que, selon la relativité générale, les galaxies s'effondreraient si elles n'étaient pas entourées de matière invisible qui les maintiendrait ensemble, et dans les années 1970, la matière noire a commencé à être acceptée. En 1998, il a été déduit que l'expansion de l'univers, et non son ralentissement, s'accélère, ce qui indique une vaste densité d'énergie - suffisante pour accélérer à la fois la matière visible et la matière noire - à travers l'univers, un vaste champ d'énergie noire. Apparemment, moins de 5 % de la composition de l'univers est connue, tandis que les 95 % restants sont constitués de mystérieuse matière noire et d'énergie sombre.

Le domaine quantique

Une étrange mécanique

Dans les années 1920, la mécanique quantique (MQ) a été développée pour étudier le fonctionnement du champ électromagnétique à des échelles minuscules d'espace et de temps. Pourtant, les électrons - les particules de matière qui interagissent avec les photons qui sont les vecteurs de force du champ électromagnétique - semblaient défier complètement les principes mécaniques. Personne ne pouvait prédire l'emplacement d'une particule quantique d'un instant à l'autre.

Dans l'expérience de la fente, un électron voyagerait à travers un trou placé devant lui. Pourtant, un seul électron voyagerait simultanément à travers plusieurs trous, quel que soit le nombre de trous placés devant lui. L'électron unique laisserait sur la carte de détection un motif d'interférence comme si la particule unique était une onde qui avait traversé tous les trous simultanément. Et pourtant, cela ne se produisait que lorsqu'on ne l'observait pas. Si l'événement attendu était éclairé, l'interaction du photon avec le champ fixerait l'électron à une position unique.

Cependant, en vertu du principe d'incertitude, la position et le moment exacts de toute particule quantique ne peuvent être déterminés avec certitude. L'interaction de la particule avec l'instrument d'observation/mesure la dévie de telle sorte qu'une plus grande détermination de sa position entraîne une plus faible détermination de sa quantité de mouvement, et vice versa.

La théorie des champs quantifiés

En étendant la mécanique quantique à travers un champ, un modèle cohérent a émergé. D'un endroit à l'autre, la probabilité que la particule qui s'y trouve s'élève et s'abaisse comme une vague de probabilité - une densité de probabilité croissante et décroissante. Lorsqu'elle n'est pas observée, toute particule quantique entre en superposition, de sorte que même une seule particule remplit tout le champ, quelle que soit sa taille. Pourtant, la particule n'est pas définitivement n'importe où dans le champ, mais elle y est à une probabilité définie par rapport au fait qu'elle ait été à l'endroit adjacent. La forme d'onde du champ électromagnétique de Maxwell a été générée par une accumulation d'événements probabilistes. Ce ne sont pas les particules, mais la forme mathématique qui était constante.

Le réglage du champ à une relativité spéciale permettait de prédire l'ensemble du champ électromagnétique. Ainsi est née la théorie quantique relativiste du champ (QFT). Du champ électromagnétique, il s'agit de l'électrodynamique quantique relativiste (QED). Du champ faible et du champ électromagnétique ensemble, c'est la théorie électrofaible relativiste (EWT). Pour le champ fort, c'est la chromodynamique quantique relativiste (CDQ). Dans l'ensemble, cette théorie est devenue le modèle standard de la physique des particules.

Division de la physique

Lorsque le modèle standard est réglé sur la relativité générale afin d'inclure la masse, des densités de probabilité de l'infini apparaissent. Ceci est présumé incorrect, car la probabilité se situe généralement entre 0 et 1-0% à 100% de probabilité. Certains physiciens théoriciens soupçonnent que le problème se situe dans le Modèle Standard, qui représente chaque particule par un point à dimension zéro qui peut en principe être infiniment petit. Pourtant, en physique quantique, la constante de Planck est l'unité d'énergie minimale en laquelle un champ peut être divisé, ce qui est peut-être un indice de la plus petite taille que peut avoir une particule. Il y a donc une quête pour quantifier la gravité, pour développer une théorie de la gravité quantique.

Concept

Cadre

Conjectures de cordes qu'à l'échelle microscopique, l'espace-temps 4D d'Einstein est un champ de collecteurs Calabi-Yau, chacun contenant 6 dimensions spatiales enroulées, donc non étendues dans les 3 dimensions spatiales présentées au domaine classique. Dans la théorie des cordes, chaque particule quantique est remplacée par une corde 1D d'énergie vibrante dont la longueur est celle de Planck. Lorsque la corde se déplace, elle trace sa largeur, et devient donc 2D, une feuille de monde. Lorsqu'une corde vibre et se déplace dans l'espace 6D de Calabi-Yau, elle devient une particule quantique. Avec cette approche, le graviton hypothétique - prévu pour expliquer la relativité générale - émerge facilement.

Théories

La théorie des cordes a commencé par la théorie des cordes bosoniques, dont les 26 dimensions agissent autant que beaucoup moins. Pourtant, elle ne modélisait que les bosons, qui sont des particules d'énergie, tout en omettant les fermions, qui sont des particules de matière. La théorie des cordes bosoniques ne pouvait donc pas expliquer la matière. Pourtant, en ajoutant la supersymétrie à la théorie des cordes bosoniques, les fermions ont été obtenus, et la théorie des cordes est devenue une théorie superstringente, expliquant aussi la matière.

(Dans les versions de la théorie quantique des champs qui incluent la supersymétrie (SUSY), chaque boson a un fermion correspondant, et vice versa. C'est-à-dire que chaque particule d'énergie a une particule de matière correspondante, et chaque particule de matière a une particule d'énergie correspondante, mais le partenaire non observable est plus massif et donc super. Ces superpartenaires peuvent sembler une prédiction extravagante, pourtant de nombreux théoriciens et expérimentateurs favorisent des versions supersymétriques du modèle standard, dont les équations doivent sinon être modifiées de façon extravagante et parfois arbitraire pour maintenir le succès de la prédiction ou la cohérence mathématique, mais avec les superpartenaires alignés).

Controverses

Incontestable - non scientifique ?

L'affirmation de la théorie des cordes selon laquelle toutes les molécules sont des chaînes d'énergie a suscité de vives critiques. Il existe de nombreuses versions de la théorie des cordes, mais aucune ne permet de prédire avec succès les données d'observation expliquées par le modèle standard. La théorie M est maintenant connue pour avoir d'innombrables solutions, prédisant souvent l'existence de choses étranges et inconnues. Certains prétendent que les théoriciens des cordes ne sélectionnent que les prédictions souhaitées.

L'allégation selon laquelle la théorie des cordes ne fait pas de prédictions vérifiables est fausse, car elle en fait beaucoup. Aucune théorie - un modèle prédictif et peut-être explicatif d'un domaine de phénomène naturel - n'est vérifiable. Toutes les théories physiques conventionnelles jusqu'au modèle standard ont fait des affirmations sur des aspects inobservables du monde naturel. Même le modèle standard a diverses interprétations du monde naturel. Lorsque le modèle standard est utilisé, il devient souvent une version avec supersymétrie, doublant le nombre d'espèces de particules identifiées jusqu'à présent par les physiciens des particules.

Personne ne peut littéralement mesurer l'espace, pourtant Newton a postulé l'espace et le temps absolus, et la théorie de Newton a fait des prédictions explicites, hautement testables et prévisibles pendant 200 ans, mais la théorie était encore falsifiée comme étant explicative de la nature. Les physiciens acceptent qu'il n'existe pas de force d'attraction de ce type attirant directement la matière vers la matière, sans parler du fait que cette force traverse l'univers instantanément. Néanmoins, la théorie de Newton est toujours paradigmatique de la science.

Des dimensions cachées ?

L'idée d'une dimension cachée de l'espace peut sembler occulte. Certains théoriciens de la gravité quantique de boucle - un concurrent de la gravité quantique - considèrent la théorie des cordes comme fondamentalement erronée en présumant que l'espace a même une forme jusqu'à ce que des particules le façonnent. Autrement dit, ils ne doutent pas que l'espace prenne des formes diverses, ils considèrent simplement que ce sont les particules qui déterminent la forme de l'espace, et non l'inverse. Le vortex espace-temps prédit par la relativité générale est apparemment confirmé.

S'il est interprété comme naturellement vrai, le modèle standard, qui représente une particule quantique comme un point 0D, indique déjà que l'espace-temps est une mer de formes qui s'enroulent, la mousse quantique. Les théoriciens des cordes ont tendance à croire que la nature est plus élégante, une croyance que le théoricien de la boucle Lee Smolin écarte comme étant romantique tout en utilisant la synthèse moderne de la biologie comme dispositif rhétorique. Les expériences visant à détecter des dimensions spatiales supplémentaires ont jusqu'à présent échoué, mais il est toujours possible que des signes en soient la preuve.

Tant de solutions ?

La théorie M a plusieurs billions de solutions. Leonard Susskind, un leader de la théorie des cordes, interprète la plasticité des solutions de la théorie des cordes comme un support paradoxal qui résout le mystère de la raison d'être de cet univers, comme le montre la théorie M, mais comme une variante d'un schéma général qui donne toujours des résultats approximatifs.

La relativité générale a apporté de nombreuses découvertes qui, en 1915, étaient pratiquement inimaginables, sauf dans la fiction. Solution des équations d'Einstein qui cherchait à expliquer la dynamique des particules quantiques, le pont Einstein-Rosen prédit un raccourci reliant deux points distants dans l'espace-temps. Communément appelé "trou de ver", le pont Einstein-Rosen est mis en doute, mais pas réfuté, ce qui montre soit que toutes les conséquences d'une théorie ne doivent pas être exactes, soit que la réalité est assez bizarre, de manière inobservable.

Plusieurs mondes

Même le modèle standard de la physique des particules suggère des possibilités bizarres que les récits populistes de la science omettent ou mentionnent comme des curiosités inexpliquées. La théorie reçoit conventionnellement l'interprétation de Copenhague, selon laquelle le champ n'est que des possibilités, aucune réelle jusqu'à ce qu'un observateur ou un instrument interagisse avec le champ, dont la fonction d'onde s'effondre alors et ne laisse que sa fonction de particule, seules les particules étant réelles. Pourtant, l'effondrement de la fonction d'onde a été simplement supposé - ni confirmé expérimentalement ni même modélisé mathématiquement - et aucune variance de la fonction d'onde dans le domaine quantique ou de la fonction particulaire dans le domaine classique n'a été trouvée.

En 1957, Hugh Everett a décrit son interprétation de "l'état relatif". Everett soutenait que la fonction d'onde ne s'effondre pas, et puisque toute la matière et les interactions sont présumées être constituées de particules d'ondes quantiques, toutes les variations possibles du champ quantique - indiquées par les équations mathématiques - sont réelles et se produisent simultanément, mais à des moments différents de l'histoire. Selon cette interprétation, tout ce qui interagit avec le champ rejoint l'état du champ qui est relatif à l'état de l'observateur - lui-même une forme d'onde dans son propre champ quantique - alors que les deux interagissent simplement dans une forme d'onde universelle qui ne s'effondre jamais. Aujourd'hui, l'interprétation de nombreux physiciens de la transition apparente entre le domaine quantique et le domaine classique n'est pas l'effondrement de la fonction d'onde, mais la décohérence quantique.

Dans la décohérence, une interaction avec le champ amène l'observateur dans une seule constellation déterminante du champ quantique, et donc toutes les observations s'alignent sur ce nouvel état quantique combiné. La thèse d'Everett a inspiré l'interprétation de nombreux mondes, dans laquelle il est prédit que notre univers est constitué de mondes parallèles virtuellement ou potentiellement infinis qui sont réels, mais chacun à une distance minuscule des autres mondes. Comme la forme d'onde de chaque monde est universelle - elle ne s'effondre pas - et que ses relations mathématiques sont invariables, les mondes parallèles remplissent simplement les vides et ne se touchent pas.

De nombreux univers

Einstein doute que les trous noirs, tels que prévus par la solution Schwarzschild, soient réels. Certains conjecturent maintenant que les trous noirs n'existent pas en tant que tels mais qu'ils sont une énergie sombre, ou que notre univers est à la fois un trou noir et une énergie sombre. La solution de Schwarzschild des équations d'Einstein peut être étendue au maximum pour prédire un trou noir ayant un revers - un autre univers émergeant d'un trou blanc. Peut-être que le big bang de notre univers a été la moitié d'un grand rebondissement, que quelque chose s'est effondré en un trou noir et que notre univers a émergé de l'autre côté comme un trou blanc.

Les particules sont des ficelles ?

Les physiciens doutent largement que les particules quantiques soient réellement des points 0D tels que représentés dans le modèle standard, qui offre un formalisme - des dispositifs mathématiques dont les coups prédisent des phénomènes d'intérêt dès l'entrée des données - et non une interprétation des mécanismes déterminant ces phénomènes. Pourtant, les théoriciens des cordes ont tendance à conjecturer avec optimisme que les cordes sont à la fois réelles et explicatives, et pas seulement des dispositifs prédictifs. Les accélérateurs de particules actuels sont bien au-delà de leur capacité à propulser des particules sondes à des niveaux d'énergie suffisamment élevés pour surmonter l'énergie propre d'une particule quantique et déterminer s'il s'agit d'une ficelle. Pourtant, cette limitation existe aussi pour tester d'autres théories de la gravité quantique. Les développements suggèrent d'autres stratégies pour "observer" la structure des particules quantiques.

Paradoxalement, même si les tests confirmaient que les particules sont des chaînes d'énergie, cela ne prouverait toujours pas de manière concluante que les particules sont des chaînes, car il pourrait y avoir d'autres explications, peut-être une déformation inattendue de l'espace bien que la particule soit un point 0D de vraie solidité. Même lorsque les prédictions réussissent, il y a de nombreuses explications possibles - le problème de la sous-détermination - et les philosophes de la science ainsi que certains scientifiques n'acceptent même pas un succès prédictif sans faille comme une vérification des explications de la théorie réussie si celles-ci sont posées comme offrant un réalisme scientifique, une vraie description du monde naturel.

La matière, c'est l'énergie ?

Les discussions des physiciens des particules qui testent les particules prédites par les physiciens théoriques en faisant entrer en collision des particules dans des accélérateurs suggèrent que les particules quantiques sont de minuscules particules newtoniennes que les expérimentateurs craquent pour révéler leur structure. Au lieu de cela, lorsque deux particules, chacune d'une certaine masse - mesurée en termes d'énergie sous forme d'électronvolts - entrent en collision, elles peuvent se combiner en une particule de cette masse/énergie combinée, et la particule générée est "observée" pour la correspondance avec la prédiction.

Il n'est pas controversé parmi les physiciens que toutes les particules sont de l'énergie. Les théoriciens de la boucle, parfois en rivalité avec la théorie des cordes, prétendent que l'espace-temps lui-même se convertit en particules. Le fait que la matière soit une variante spéciale de l'énergie est une conséquence de la théorie spéciale de la relativité d'Einstein, et c'est alors qu'Einstein a formalisé l'équivalence masse-énergie, E=mc2. Lorsque des photons suffisamment énergétiques entrent en collision, ils peuvent se combiner et générer la création de matière-matière. Toutes les particules ont des antiparticules, et les atomes de matière ont des antiatomes d'antimatière, dont l'union annihile les particules et la matière tout en laissant de l'énergie.

Développements

La découverte de la symétrie miroir est une source d'inspiration. Les espaces de Calabi-Yau ont tendance à s'associer par paires, de sorte que des solutions auparavant difficiles dans le mode vibratoire extrême d'une corde peuvent être résolues par la géométrie de l'espace de Calabi-Yau miroir dans sa plage opposée.

La théorie des cordes est généralement résolue par la théorie des champs conformes, une théorie des champs quantiques sur l'espace 2D. Il est confirmé que les molécules peuvent s'effondrer en 2D. Et l'électron, longtemps présumé être une particule élémentaire, se divise apparemment en trois entités portant séparément les trois degrés de liberté de l'électron lorsque les molécules qui contiennent les électrons sont canalisées par une voie 1D.