La théorie des supercordes est populaire. Ce qu'il faut savoir sur la théorie des cordes

Questions clés :

Quels sont les composants fondamentaux de l’Univers – les « premières briques de la matière » ? Existe-t-il des théories qui peuvent expliquer tous les phénomènes physiques fondamentaux ?

Question : est-ce réel ?

Actuellement et dans un avenir proche, une observation directe à si petite échelle n’est pas possible. La physique est en recherche, et les expériences en cours, telles que la découverte de particules supersymétriques ou la recherche de dimensions supplémentaires dans les accélérateurs, pourraient indiquer que la théorie des cordes est sur la bonne voie.

Que la théorie des cordes soit ou non la théorie de tout, elle nous donne un ensemble unique d’outils pour scruter les structures plus profondes de la réalité.

Théorie des cordes

Macro et micro

Lorsqu'elle décrit l'Univers, la physique le divise en deux moitiés apparemment incompatibles : le micromonde quantique et le macromonde, dans lequel la gravité est décrite.

La théorie des cordes est une tentative controversée de combiner ces moitiés en une « théorie du tout ».

Particules et interactions

Le monde est composé de deux sortes particules élémentaires- les fermions et les bosons. Les fermions sont tous de la matière observable et les bosons sont porteurs des quatre interactions fondamentales connues : faible, électromagnétique, forte et gravitationnelle. Grâce à une théorie appelée modèle standard, les physiciens ont pu décrire et tester avec élégance les trois interactions fondamentales, toutes sauf la plus faible : les forces gravitationnelles. Aujourd’hui, le modèle standard est le modèle le plus précis et confirmé expérimentalement de notre monde.

Pourquoi avons-nous besoin de la théorie des cordes ?

Le modèle standard n’inclut pas la gravité, ne peut pas décrire le centre d’un trou noir et le Big Bang et n’explique pas les résultats de certaines expériences. La théorie des cordes tente de résoudre ces problèmes et d’unifier la matière et les interactions en remplaçant les particules élémentaires par de minuscules cordes vibrantes.

La théorie des cordes est basée sur l'idée que toutes les particules élémentaires peuvent être représentées comme une « première brique » élémentaire : une corde. Les cordes peuvent vibrer, et différents modes de telles vibrations à grande distance nous apparaîtront comme différentes particules élémentaires. Un mode de vibration fera ressembler la corde à un photon, un autre la fera ressembler à un électron.

Il existe même un mode qui décrit le porteur de l'interaction gravitationnelle : le graviton ! Des variantes de la théorie des cordes décrivent des cordes de deux types : ouvertes (1) et fermées (2). Les cordes ouvertes ont deux extrémités (3) situées sur des structures semblables à des membranes appelées D-branes, et leur dynamique décrit trois des quatre interactions fondamentales, toutes à l'exception des forces gravitationnelles.

Les cordes fermées ressemblent à des boucles, elles ne sont pas liées aux D-branes - ce sont les modes vibrationnels des cordes fermées qui sont représentés par un graviton sans masse. Les extrémités d'une corde ouverte peuvent se joindre pour former une corde fermée, qui à son tour peut se briser pour devenir une corde ouverte, ou converger et se diviser en deux cordes fermées (5) - ainsi dans la théorie des cordes, l'interaction gravitationnelle est combinée avec toutes les autres.

Les cordes sont le plus petit de tous les objets sur lesquels la physique opère. La gamme de tailles V des objets montrés dans l'image ci-dessus s'étend jusqu'à 34 ordres de grandeur - si un atome avait la taille du système solaire, alors la taille de la corde pourrait être légèrement plus grande que celle du noyau atomique.

Dimensions supplémentaires

Les théories des cordes cohérentes ne sont possibles que dans un espace de dimension supérieure, où en plus des 4èmes dimensions spatio-temporelles familières, 6 dimensions supplémentaires sont nécessaires. Les théoriciens pensent que ces dimensions supplémentaires plié en formes insaisissables petites - les espaces Calabi-Yau. L’un des problèmes de la théorie des cordes est qu’il existe presque nombre infini options de convolution (compactification) de Calabi-Yau, qui nous permettent de décrire n'importe quel monde, et jusqu'à présent, il n'y a aucun moyen de trouver cette version de compactification qui nous permettrait de décrire ce que nous voyons autour de nous.

Supersymétrie

La plupart des versions de la théorie des cordes nécessitent le concept de supersymétrie, basé sur l'idée que les fermions (matière) et les bosons (interactions) sont des manifestations du même objet et peuvent se transformer l'un en l'autre.

La théorie de tout ?

La supersymétrie peut être incorporée à la théorie des cordes de 5 manières différentes, conduisant à 5 différents types la théorie des cordes, ce qui signifie que la théorie des cordes elle-même ne peut pas prétendre être la « théorie du tout ». Ces cinq types sont liés les uns aux autres par des transformations mathématiques appelées dualités, ce qui a conduit à comprendre que tous ces types sont des aspects de quelque chose de plus général. Cette théorie plus générale est appelée M-Théorie.

Il existe 5 formulations différentes de la théorie des cordes, mais après un examen plus approfondi, il s'avère qu'elles sont toutes des manifestations d'une théorie plus générale.

Théorie des supercordes

En bref sur la théorie des supercordes

Cette théorie a l’air tellement folle qu’il est fort possible qu’elle soit exacte !

Différentes versions Les théories des cordes sont désormais considérées comme les principaux prétendants au titre de théorie universelle globale expliquant la nature de tout ce qui existe. Et c'est une sorte de Saint Graal des physiciens théoriciens impliqués dans la théorie des particules élémentaires et de la cosmologie. Théorie universelle (alias théorie de tout) ne contient que quelques équations qui combinent l’ensemble connaissance humaine sur la nature des interactions et les propriétés des éléments fondamentaux de la matière à partir desquels l'Univers est construit. Aujourd'hui, la théorie des cordes a été combinée avec le concept supersymétrie, à la suite de quoi est né théorie des supercordes, et à ce jour, c'est le maximum qui a été atteint en termes d'unification de la théorie des quatre interactions principales (forces agissant dans la nature). La théorie de la supersymétrie elle-même est déjà construite sur la base d'un a priori concept moderne, selon lequel toute interaction (de champ) à distance est provoquée par l'échange de particules-porteuses d'interaction du type correspondant entre les particules en interaction (modèle standard). Pour plus de clarté, les particules en interaction peuvent être considérées comme les « briques » de l’univers, et les particules porteuses peuvent être considérées comme du ciment.

Dans le modèle standard, les quarks agissent comme des éléments constitutifs et les porteurs d'interactions comme des éléments de base. bosons de jauge, que ces quarks échangent entre eux. La théorie de la supersymétrie va encore plus loin et affirme que les quarks et les leptons eux-mêmes ne sont pas fondamentaux : ils sont tous constitués de structures de matière encore plus lourdes et non découvertes expérimentalement (blocs de construction), maintenues ensemble par un « ciment » encore plus solide de particules super-énergétiques. -porteurs d'interactions que les quarks dans la composition des hadrons et des bosons. Naturellement, dans conditions de laboratoire Aucune des prédictions de la théorie de la supersymétrie n'a encore été vérifiée, mais les composants hypothétiques cachés du monde matériel ont déjà des noms - par exemple, sélectron (partenaire supersymétrique de l'électron), Squark

L’image de l’Univers offerte par ces théories est cependant assez facile à visualiser. À une échelle d'environ 10 à 35 m, soit 20 ordres de grandeur plus petite que le diamètre du même proton, qui comprend trois quarks liés, la structure de la matière diffère de ce à quoi nous sommes habitués, même au niveau des particules élémentaires. . À de si petites distances (et à des énergies d'interaction si élevées que cela est inimaginable), la matière se transforme en une série d'ondes stationnaires de champ, semblables à celles excitées par les cordes des instruments de musique. Comme une corde de guitare, une telle corde peut exciter, en plus du son principal, de nombreux harmoniques ou harmoniques Chaque harmonique a son propre état énergétique. Selon

principe de relativité

(Théorie de la relativité), l'énergie et la masse sont équivalentes, ce qui signifie que plus la fréquence de vibration de l'onde harmonique de la corde est élevée, plus son énergie est élevée et plus la masse de la particule observée est élevée. Cependant, s'il est assez facile de visualiser une onde stationnaire dans une corde de guitare, les ondes stationnaires proposées par la théorie des supercordes sont difficiles à visualiser - le fait est que les vibrations des supercordes se produisent dans un espace qui a 11 dimensions. Nous sommes habitués à un espace à quatre dimensions, qui contient trois dimensions spatiales et une dimension temporelle (gauche-droite, haut-bas, avant-arrière, passé-futur). Dans l’espace des supercordes, les choses sont beaucoup plus compliquées (voir encadré). Les physiciens théoriciens contournent le problème délicat des dimensions spatiales « supplémentaires » en arguant qu’elles sont « cachées » (ou, en termes scientifiques, « compactées ») et ne sont donc pas observées aux énergies ordinaires.

C'est peut-être tout ce que l'on peut dire brièvement sur l'une des théories qui, non sans raison, prétendent aujourd'hui être la théorie universelle de la Grande Unification de toutes les interactions de forces. Hélas, cette théorie n’est pas sans péché. Tout d'abord, il n'a pas encore été amené à une forme mathématique stricte en raison de l'insuffisance de l'appareil mathématique pour le mettre en stricte correspondance interne. 20 ans se sont écoulés depuis la naissance de cette théorie, et personne n'a réussi à harmoniser systématiquement certains de ses aspects et versions avec d'autres. Ce qui est encore plus désagréable, c’est qu’aucun des théoriciens proposant la théorie des cordes (et en particulier des supercordes) n’a jusqu’à présent proposé une seule expérience dans laquelle ces théories pourraient être testées en laboratoire. Hélas, j'ai peur que jusqu'à ce qu'ils le fassent, tout leur travail restera un jeu bizarre de fantaisie et d'exercices pour comprendre la connaissance ésotérique en dehors du courant dominant des sciences naturelles.

Introduction aux supercordes

traduction de Sergueï Pavlyuchenko

La théorie des cordes est l’une des théories les plus passionnantes et les plus profondes de la physique théorique moderne. Malheureusement, cela reste une chose assez difficile à comprendre, qui ne peut être comprise que du point de vue de la théorie quantique des champs. La connaissance des mathématiques telles que la théorie des groupes, la géométrie différentielle, etc. ne nuira pas à la compréhension. Ainsi, pour la plupart, cela reste une « chose en soi ».

Cette introduction se veut une introduction concise « lisible » aux concepts de base de la théorie des cordes pour les personnes intéressées. Il faudra malheureusement faire preuve de rigueur et d'exhaustivité pour l'accessibilité de la présentation. Nous espérons qu'il vous donnera des réponses aux questions les plus simples sur la théorie des cordes et que vous serez imprégné de la beauté de ce domaine scientifique.

La théorie des cordes est encore aujourd’hui un domaine de connaissances en développement dynamique ; chaque jour apporte quelque chose de nouveau chez elle. Nous ne savons pas encore avec certitude si la théorie des cordes décrit notre Univers et dans quelle mesure. Mais elle peut bien le décrire, comme le montre cette critique.

La version originale se trouve sur http://www.sukidog.com/jpierre/strings/index.html.

Pourquoi la théorie des cordes ?

L'échelle d'énergie caractéristique pour gravité quantique appelé Masse de Planck et s'exprime par la constante de Planck, la vitesse de la lumière et la constante gravitationnelle comme suit :

On peut supposer que dans sa forme finale, la théorie des cordes apportera des réponses aux questions suivantes :

• Quelle est l’origine des 4 forces de la Nature que nous connaissons ?
• Pourquoi les masses et les charges des particules sont-elles telles qu’elles sont ?
• Pourquoi vivons-nous dans un espace à 4 dimensions spatiales ?
• Quelle est la nature de l’espace-temps et de la gravité ?

  Fondamentaux de la théorie des cordes

  Nous sommes habitués à considérer les particules élémentaires (telles que les électrons) comme des objets ponctuels à 0 dimension. Un concept un peu plus général est cordes fondamentales comme des objets à une dimension. Ils sont infiniment fins et leur longueur est de l'ordre de . Mais ceci est tout simplement négligeable par rapport aux longueurs avec lesquelles nous traitons habituellement, nous pouvons donc les considérer comme pratiquement ponctuelles. Mais comme nous le verrons, leur nature de chaîne est très importante.

  Il y a des chaînes ouvrir Et fermé. En se déplaçant dans l’espace-temps, ils couvrent une surface appelée feuille du monde.

  

  Ces cordes ont des modes vibrationnels spécifiques qui déterminent les nombres quantiques inhérents à la particule, tels que la masse, le spin, etc. L'idée de base est que chaque mode transporte un ensemble de nombres quantiques correspondant à un type spécifique de particule. C'est l'unification finale : toutes les particules peuvent être décrites à travers un seul objet : une chaîne !

  À titre d'exemple, considérons une chaîne fermée qui ressemble à ceci :

  Une telle chaîne correspond au sans masse graviton avec spin 2 - une particule qui transfère l'interaction gravitationnelle. C'est d'ailleurs l'une des caractéristiques de la théorie des cordes : elle inclut naturellement et inévitablement la gravité comme l'une des interactions fondamentales.

  Les cordes interagissent par fission et fusion. Par exemple, l’annihilation de deux chaînes fermées en une seule chaîne fermée ressemble à ceci :

  
  

  Notez que la surface de la feuille du monde est une surface lisse. Cela implique une autre « bonne » propriété de la théorie des cordes : elle ne contient pas un certain nombre de divergences inhérentes à la théorie quantique des champs avec des particules ponctuelles. Diagramme de Feynman pour le même processus

  

  contient une singularité topologique au point d'interaction.

  Si nous « collons » deux interactions de chaînes simples ensemble, nous obtenons un processus dans lequel deux chaînes fermées interagissent par union en une chaîne fermée intermédiaire, qui se divise ensuite à nouveau en deux :
  

  Cette contribution majeure au processus d’interaction s’appelle approche arboricole. Afin de calculer les amplitudes mécaniques quantiques des processus en utilisant théorie des perturbations, ajoutez les contributions de processus quantiques d’ordre supérieur. La théorie des perturbations donne de bons résultats car les contributions deviennent de plus en plus petites à mesure que nous utilisons des ordres de plus en plus élevés. Même si vous ne calculez que les premiers diagrammes, vous pouvez obtenir des résultats assez précis. En théorie des cordes, les ordres supérieurs correspondent à un plus grand nombre de trous (ou « poignées ») sur les feuilles du monde.
  
  

  L’avantage de cette approche est que chaque ordre de la théorie des perturbations correspond à un seul diagramme (par exemple, dans la théorie des champs avec des particules ponctuelles, le nombre de diagrammes augmente de façon exponentielle dans les ordres supérieurs). La mauvaise nouvelle est que les calculs précis de diagrammes comportant plus de deux trous sont très difficiles en raison de la complexité de l'appareil mathématique utilisé pour travailler avec de telles surfaces. La théorie des perturbations est très utile pour étudier les processus faiblement couplés, et la plupart des découvertes en physique des particules et en théorie des cordes en découlent. Cependant, tout cela est encore loin d’être terminé. Les réponses aux questions les plus profondes de la théorie ne peuvent être obtenues qu’après avoir complété une description précise de cette théorie.

  D-branes

  Les chaînes peuvent avoir des conditions aux limites complètement arbitraires. Par exemple, une chaîne fermée a des conditions aux limites périodiques (la chaîne « se transforme en elle-même »). Les chaînes ouvertes peuvent avoir deux types de conditions aux limites : les conditions Neumann et conditions Dirichlet. Dans le premier cas, l’extrémité de la corde peut se déplacer librement, mais sans emporter d’élan. Dans le second cas, l'extrémité de la chaîne peut se déplacer le long d'un collecteur. Cette diversité est appelée Brane D ou Dp-brane(lors de l'utilisation de la deuxième notation, « p » est un nombre entier caractérisant le nombre de dimensions spatiales de la variété). Un exemple est deux chaînes avec une ou les deux extrémités attachées à une brane D ou D2 bidimensionnelle :

  

  Les D-branes peuvent avoir un certain nombre de dimensions spatiales allant de -1 au nombre de dimensions spatiales de notre espace-temps. Par exemple, dans la théorie des supercordes, il y a 10 dimensions – 9 spatiales et une temporelle. Ainsi, dans les supercordes, le maximum qui peut exister est une brane D9. A noter que dans ce cas les extrémités des cordes sont fixées sur un collecteur couvrant tout l'espace, elles peuvent donc se déplacer partout, donc en effet la condition de Neumann est imposée ! Dans le cas p=-1, toutes les coordonnées spatiales et temporelles sont fixes, et une telle configuration est appelée instantané harmoniques D-instanton. Si p = 0, alors toutes les coordonnées spatiales sont fixes et la fin de la chaîne ne peut exister qu'en un seul point dans l'espace, c'est pourquoi les branes D0 sont souvent appelées Particules D. Exactement de la même manière, les branes D1 sont appelées cordes D. À propos, le mot « brane » lui-même vient du mot « membrane », qui fait référence à des branes bidimensionnelles, ou 2 branes.

  En réalité, les branes D sont dynamiques ; elles peuvent fluctuer et bouger. Par exemple, ils interagissent gravitationnellement. Dans le diagramme ci-dessous, vous pouvez voir comment une chaîne fermée (dans notre cas un graviton) interagit avec une brane D2. Il convient de noter en particulier le fait que lors de l'interaction, la chaîne fermée s'ouvre avec les deux extrémités sur la brane en D.
  
  
  La théorie des cordes est donc bien plus qu’une simple théorie des cordes !

  Dimensions supplémentaires

  Les supercordes existent dans un espace-temps à 10 dimensions, alors que nous vivons dans un espace-temps à 4 dimensions. Et si les supercordes décrivent notre Univers, nous devons d’une manière ou d’une autre relier ces deux espaces. Pour ce faire, réduisons 6 dimensions à une très petite taille. Si la taille de la dimension compacte s'avère être de l'ordre de la taille des chaînes (), alors en raison de la petitesse de cette dimension, nous ne pourrons tout simplement pas la voir directement. En fin de compte, nous obtiendrons notre espace à (3+1) dimensions, dans lequel chaque point de notre Univers à 4 dimensions correspond à un minuscule espace à 6 dimensions. Ceci est montré très schématiquement dans l’image ci-dessous :

  

  Il s’agit en fait d’une idée assez ancienne qui remonte aux travaux de Kaluza et Klein dans les années 1920. Dans ce cas, le mécanisme décrit ci-dessus est appelé Théorie de Kaluza-Klein harmoniques compactage. Le travail de Kaluza lui-même montre que si nous prenons la relativité dans un espace-temps à 5 dimensions, puis plions une dimension en cercle, nous obtenons un espace-temps à 4 dimensions avec la relativité plus l'électromagnétisme ! Et cela se produit parce que l'électromagnétisme est Théorie de jauge U(1). U(1) est un groupe de rotations autour d’un point du plan. Le mécanisme de Kaluza-Klein donne une interprétation géométrique simple de ce cercle : c'est la cinquième dimension très pliée. Bien que les mesures pliées soient petites pour une détection directe, elles peuvent néanmoins avoir une signification physique profonde. [Fuit accidentellement dans la presse, le travail de Kaluza et Klein a suscité de nombreuses spéculations sur la cinquième dimension.]

  Comment savoir s’il existe réellement des dimensions supplémentaires et comment les « ressentir » si nous disposons d’accélérateurs dotés d’énergies suffisamment élevées ? De la mécanique quantique, on sait que si l'espace est périodique, alors l'impulsion est quantifiée : , alors que si l'espace est illimité, alors le spectre des valeurs d'impulsion est continu. Si vous diminuez le rayon de compactification (la taille des dimensions supplémentaires), la plage des valeurs de mouvement admissibles augmentera. C'est ainsi qu'on obtient une tour d'états de quantité de mouvement - la tour Kaluza Klein.

  

  Et si le rayon du cercle est considéré comme très grand (on « décompacte » la mesure), alors la plage des valeurs possibles de l'impulsion sera assez étroite, mais sera « presque continue ». Un tel spectre sera similaire au spectre de masse du monde sans compactifications. Par exemple, sans masse dans plus Les dimensions des États dans un plus petit nombre de dimensions ressembleront exactement à la tour des États décrite ci-dessus. Ensuite, un « ensemble » de particules dont les masses sont également espacées les unes des autres doit être observée. Certes, pour « voir » les particules les plus massives, il faut des accélérateurs bien meilleurs que ceux dont nous disposons actuellement.

  Les cordes ont encore une chose magnifique propriété- ils peuvent « envelopper » une dimension compactée, ce qui conduit à l'apparition mods négociables dans le spectre de masse. Une chaîne fermée peut s'enrouler autour d'une dimension compactée un nombre entier de fois. À l’instar de l’affaire Kaluza-Klein, elles contribuent à la dynamique en . La différence significative réside précisément dans un rapport différent avec le rayon de compactage. Dans ce cas, pour des petites tailles de dimensions supplémentaires, les modes réversibles deviennent très faciles !
  
  

  Nous devons maintenant passer à notre espace à 4 dimensions. Pour ce faire, nous avons besoin d’une théorie des supercordes à 10 dimensions sur une variété compacte à 6 dimensions. Naturellement, le tableau décrit ci-dessus devient plus complexe. Le moyen le plus simple est de supposer que toutes ces 6 dimensions sont 6 cercles, elles représentent donc toutes un tore à 6 dimensions. De plus, un tel schéma permet de préserver la supersymétrie. On pense qu'une certaine supersymétrie existe également dans notre espace à 4 dimensions sur des échelles d'énergie de l'ordre de 1 TeV (c'est à ces énergies que la supersymétrie a récemment été recherchée dans les accélérateurs modernes). Afin de préserver une supersymétrie minimale, N = 1 en 4 dimensions, il est nécessaire de compactifier sur une variété spéciale à 6 dimensions appelée Collecteur Calabi-Yau.

  Les propriétés des variétés Calabi-Yo peuvent avoir d'importantes applications en physique des basses énergies - pour les particules que nous observons, leurs masses et leurs propriétés. nombres quantiques, ainsi qu'au nombre de générations de particules. Le problème ici est que, de manière générale, il existe un grand nombre de variétés de Calabi-Yo et nous ne savons pas laquelle utiliser. C'est le sens, ayant en fait une théorie des cordes à 10 dimensions, nous comprenons que la théorie à 4 dimensions ne devient pas la seule possible, du moins à notre niveau de compréhension (encore incomplet). Les « gens des cordes » (scientifiques travaillant dans le domaine des théories des cordes) espèrent qu’avec une théorie des cordes complète et non perturbative (une théorie qui n’est PAS construite sur les perturbations décrites un peu plus haut), nous pourrons expliquer comment les L'univers est passé d'une physique à 10 dimensions, qui pourrait avoir eu lieu pendant la période de haute énergie immédiatement après le Big Bang, à la physique à 4 dimensions à laquelle nous sommes confrontés aujourd'hui. [En d'autres termes, nous trouverons une variété Calabi-Yo unique.] Andrew Strominger a montré que les variétés Calabi-Yo peuvent être continuellement liées les unes aux autres par transformations coniques et ainsi on peut se déplacer entre différentes variétés Calabi-Yo en changeant les paramètres de la théorie. Mais cela suggère la possibilité que différentes théories à 4 dimensions issues de différentes variétés Calabi-Yo soient différentes phases de la même théorie.

  Dualité

  Les cinq théories des supercordes décrites ci-dessus s'avèrent très différentes du point de vue de la théorie perturbative faiblement couplée (la théorie des perturbations développée ci-dessus). Mais en réalité, comme cela est devenu évident ces dernières années, ils sont tous liés par diverses dualités de cordes. Appelons la théorie double s'ils décrivent la même physique.

  Le premier type de dualité dont nous discuterons ici est T-dualité. Ce type de dualité relie une théorie compactifiée sur un cercle de rayon avec une théorie compactifiée sur un cercle de rayon. Ainsi, si dans une théorie l'espace est plié en un cercle de petit rayon, alors dans l'autre il sera enroulé en un cercle de grand rayon, mais les deux décriront la même physique ! Les théories des supercordes de type IIA et de type IIB sont connectées via la dualité T, les théories hétérotiques SO (32) et E8 x E8 sont également connectées via elle.

  Une autre dualité que nous examinerons est S-dualité. En termes simples, cette dualité relie la limite du couplage fort d'une théorie à la limite connexion faible une autre théorie. (Notez que les descriptions faiblement couplées des deux théories peuvent être très différentes.) Par exemple, la théorie des cordes hétérotiques SO (32) et la théorie de type I sont S-duales en 10 dimensions. Cela signifie que dans la limite de couplage fort SO(32), la théorie hétérotique devient une théorie de type I dans la limite de couplage faible et vice versa. Vous pouvez trouver des preuves de dualité entre les limites forte et faible en comparant les spectres des états de lumière dans chacune des images et en constatant qu'ils sont cohérents les uns avec les autres. Par exemple, dans la théorie des cordes de type I, il existe une corde D qui est lourde lorsqu'elle est faiblement couplée et légère lorsqu'elle est fortement couplée. Cette chaîne D transporte les mêmes champs lumineux que la feuille du monde des cordes hétérotiques SO(32), donc lorsque la théorie de type I est couplée très fortement, la chaîne D devient très légère, et nous verrons simplement la description devenir la même, comme ainsi que via une chaîne hétérotique faiblement couplée. Une autre dualité S dans la 10ème dimension est l'auto-dualité des cordes IIB : la limite fortement couplée de la corde IIB est simplement une autre théorie IIB, mais faiblement couplée. La théorie IIB a également une corde en D (bien qu'elle soit plus supersymétrique que les cordes en D de la théorie de type I, donc la physique est différente) qui devient légère lorsqu'elle est fortement couplée, mais cette corde en D est aussi l'autre corde fondamentale. de la théorie ii Type IIB.

  

  Les dualités entre les différentes théories des cordes prouvent qu’elles constituent toutes simplement des limites différentes d’une même théorie. Chacune des limites a sa propre applicabilité et des limites différentes différentes descriptions couper. Qu'est-ce que c'est Théorie M montré sur la photo ? Continuez à lire !

  Théorie M

  Aux basses énergies, la théorie M est décrite par une théorie appelée supergravité à 11 dimensions. Cette théorie a une membrane et cinq branes comme solitons, mais pas de cordes. Comment pouvons-nous obtenir ici les cordes que nous aimons déjà ? Il est possible de compactifier la théorie M à 11 dimensions sur un cercle de petit rayon pour obtenir une théorie à 10 dimensions. Alors si notre membrane avait la topologie d'un tore, alors en pliant un de ces cercles, on obtiendrait une corde fermée ! Dans la limite où le rayon est très petit, on obtient une supercorde de Type IIA.

  

  Mais comment savons-nous que la théorie M sur le cercle produira une supercorde de type IIA, et non des supercordes IIB ou hétérotiques ? La réponse à cette question peut être obtenue après une analyse minutieuse des champs sans masse que nous obtenons grâce à la compactification de la supergravité à 11 dimensions sur un cercle. Un autre test simple consisterait à découvrir que la brane D de la théorie M est unique à la théorie IIA. Rappelons que la théorie IIA contient des branes D0, D2, D4, D6, D8 et une cinq brane NS. Le tableau suivant résume ce qui précède :
  

  Ici, les branes D6 et D8 sont omises. La brane D6 peut être interprétée comme un « monopôle Kalutza-Klein », qui est une solution spéciale de supergravité à 11 dimensions lorsqu'elle est compactée sur un cercle. La brane D8 n’a pas d’interprétation claire en termes de théorie M, c’est toujours une question ouverte.

  Une autre façon d’obtenir une théorie cohérente à 10 dimensions est de compactifier la théorie M en petit segment. Cela signifie que nous supposons que l’une des dimensions (la 11ème) a une longueur finie. Dans ce cas, les extrémités du segment déterminent les limites de 9 dimensions spatiales. Une membrane ouverte peut être construite à ces limites. Puisque l’intersection de la membrane avec la frontière est une chaîne, nous pouvons voir que le « volume mondial » de dimension (9+1) peut contenir des chaînes « qui dépassent » de la membrane. Après tout cela, afin d'éviter des anomalies, il est nécessaire que chacune des frontières porte un groupe de jauge E8. Par conséquent, si l’espace entre les frontières est très petit, nous obtenons une théorie à 10 dimensions avec des cordes et un groupe de jauge E8 x E8. Et c'est une corde hétérotique E8 x E8 !

  

  Ainsi, en considérant conditions différentes et les différentes dualités entre les théories des cordes, nous arriverons à la conclusion qu'à la base de tout cela se trouve une seule théorie - Théorie M. De plus, cinq théories des supercordes et la supergravité à 11 dimensions constituent ses limites classiques. Dans un premier temps, nous avons essayé d'obtenir les théories quantiques correspondantes en « élargissant » les limites classiques à l'aide de la théorie perturbative (théorie des perturbations). Cependant, la théorie perturbative a ses limites d'applicabilité, donc en étudiant les aspects non perturbatifs de ces théories, en utilisant les dualités, la supersymétrie, etc. nous arrivons à la conclusion qu'ils sont tous unis par une seule théorie quantique. Cette unicité est très attrayante, c'est pourquoi les travaux visant à construire une théorie M quantique complète battent leur plein.
  
  

  Trous noirs

  La description classique de la gravité – la Théorie Générale de la Relativité (GTR) – contient des solutions appelées « trous noirs » (BH). Il existe de nombreux types de trous noirs, mais ils présentent tous des caractéristiques similaires. propriétés générales. L’horizon des événements est une surface dans l’espace-temps qui, en termes simples, sépare la région à l’intérieur du trou noir de la région à l’extérieur. L'attraction gravitationnelle d'un trou noir est si forte que rien, pas même la lumière, ayant pénétré sous l'horizon, ne peut s'en échapper. Ainsi, les trous noirs classiques ne peuvent être décrits qu’à l’aide de paramètres tels que la masse, la charge et le moment cinétique.

  (explication du diagramme de Penrose a)

  Les trous noirs sont de bons laboratoires pour étudier les théories des cordes, car les effets de la gravité quantique sont importants même pour des trous noirs assez grands. Les trous noirs ne sont pas vraiment « noirs » car ils rayonnent ! En utilisant des arguments semi-classiques, Stephen Hawking a montré que les trous noirs émettent un rayonnement thermique depuis leur horizon. Puisque la théorie des cordes, entre autres choses, est également une théorie de la gravité quantique, elle est capable de décrire de manière cohérente les trous noirs. Et puis il y a les trous noirs qui satisfont l’équation du mouvement des cordes. Ces équations sont similaires aux équations de la Relativité Générale, mais elles ont quelques champs supplémentaires, qui est venu là des cordes. Dans les théories des supercordes, il existe des solutions spéciales telles que les trous noirs, eux-mêmes supersymétriques.

  L'un des résultats les plus spectaculaires de la théorie des cordes a été la dérivation de la formule pour Entropie de Bekenstein-Hawking Un trou noir obtenu en considérant les états microscopiques des cordes qui forment le trou noir. Bekenstein a noté que les trous noirs obéissent à la « loi des aires », dM = K dA, où « A » est l'aire de l'horizon et « K » est une constante de proportionnalité. Parce que poids brut Un trou noir est son énergie de repos, alors la situation est très similaire à la thermodynamique : dE = T dS, comme le montre Bekenstein. Hawking a montré plus tard dans une approximation semi-classique que la température d'un trou noir est T = 4k, où « k » est une constante appelée « gravité de surface ». Ainsi, l’entropie d’un trou noir peut être réécrite sous la forme . De plus, Strominger et Vafa ont récemment montré que cette formule d'entropie peut être obtenue au microscope (jusqu'à un facteur 1/4) en utilisant la dégénérescence des états quantiques des cordes et des D-branes correspondant à certains BH supersymétriques de la théorie des cordes. À propos, les branes D donnent une description à de petites distances comme si elles étaient faiblement couplées. Par exemple, les BH considérés par Strominger et Vafa sont décrits par 5 branes, 1 branes et des cordes ouvertes « vivant » sur la 1 brane, toutes pliées en un tore à 5 dimensions, donnant effectivement un objet à 1 dimension - le BH.

  

  Dans ce cas, le rayonnement de Hawking peut être décrit dans le cadre de la même structure, mais s'il est ouvert, les cordes peuvent « voyager » dans les deux sens. Les cordes ouvertes interagissent les unes avec les autres et le rayonnement est émis sous forme de cordes fermées.

  

  Des calculs précis montrent que pour les mêmes types de trous noirs, la théorie des cordes fait les mêmes prédictions que la supergravité semi-classique, y compris une correction non triviale dépendante de la fréquence appelée « paramètre de gris » ( facteur de corps gris).

  La gravité quantique découverte sur Terre ?
  

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  Explication: Existe-t-il des parties distinctes de la gravité ? La théorie connue sous le nom de mécanique quantique décrit les lois qui régissent l'univers à de petites distances, tandis que la théorie de la relativité générale d'Einstein explique la nature de la gravité et de l'univers à de petites distances. sur une grande échelle. Jusqu'à présent, aucune théorie n'a été créée pour les unir. Des recherches récemment menées en France pourraient avoir montré que la gravité est un champ quantique. Il est déclaré que Le champ gravitationnel de la Terre a montré sa nature quantique. Dans une expérience réalisée par Valery Nezvizhevsky et ses collègues, il a été démontré que les neutrons ultra-froids se déplaçant dans un champ gravitationnel ne sont détectés qu'à des altitudes discrètes. Les scientifiques du monde entier attendent une confirmation indépendante de ces résultats. La figure montre en fausses couleurs la surface qui pourrait se former lors de l'évolution d'une corde unidimensionnelle. En décrivant les particules élémentaires comme de minuscules cordes, de nombreux physiciens travaillent au développement d’une véritable théorie quantique de la gravité.

  (NDLR : Les expériences de physiciens français et russes décrites dans cette note, publiée dans Nature 415 , 297 (2002) n'a rien à voir avec gravité quantique. Leur explication(tous deux donnés par les auteurs des expériences et donnés dans le magazine New Scientist et sur le site Physicsweb.org) complètement différent.

  Les expérimentateurs recherchent de nouvelles forces prédites par les théories des supercordes

  Des chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder ont pu mener l'expérience la plus sensible à ce jour pour mesurer l'interaction gravitationnelle entre des masses séparées par une distance de seulement deux fois l'épaisseur d'un cheveu humain, mais ils n'ont observé aucune des nouvelles forces prédites. .

  Les résultats obtenus permettent d'exclure certaines variantes de la théorie des supercordes, dans lesquelles le paramètre correspondant pour l'influence de nouvelles forces issues des mesures « effondrées » est compris entre 0,1 et 0,01 mm.

  La théorie des cordes, considérée comme l’approche la plus prometteuse de la grande unification tant attendue – un récit unique de toutes les forces et de la matière connues – estime que tout dans l’univers est constitué de minuscules boucles de cordes vibrantes. Selon diverses versions de la théorie des supercordes, il doit y avoir au moins six ou sept dimensions spatiales supplémentaires au-delà des trois qui nous sont accessibles, et les théoriciens pensent que ces dimensions supplémentaires sont regroupées en petits espaces. Cette « compactification » donne naissance à ce que l'on appelle des champs de modules, qui décrivent la taille et la forme des dimensions pliées en chaque point de l'espace-temps.

  Les régions du module exercent des forces comparables en force à la gravité normale et, selon des prévisions récentes, elles peuvent être détectées à des distances aussi petites que 0,1 mm. La limite de sensibilité atteinte lors des expériences précédentes permettait de tester la force d'attraction entre deux masses séparées de seulement 0,2 mm, la question restait donc ouverte. Cependant, il reste ouvert désormais.

  "Si ces forces existent réellement, alors nous savons maintenant qu'elles devraient se manifester à des distances plus courtes que celles que nous avons testées", explique le chef du laboratoire, professeur à l'Université du Colorado, John Price. "Cependant, ces résultats ne réfutent pas en eux-mêmes. la théorie ii. Il faut juste garder à l'esprit que l'effet devra être recherché à des distances plus courtes et en utilisant des réglages avec une sensibilité plus élevée. De plus, les chercheurs affirment que expériences similaires eux-mêmes et ne sont pas destinés à confirmer ou à réfuter la théorie des supercordes. "Les idées que nous testons ne sont que quelques-unes scénarios possibles, inspiré par des cordes plutôt que par des prédictions précises de la théorie elle-même, a déclaré John Price dans une interview avec Space.com. "La théorie des cordes n'a encore aucun moyen de faire des prédictions précises de ce type, et je dirais que personne ne sait si la théorie des cordes sera un jour capable de le faire. Cependant, des expériences à de plus petites distances peuvent encore en ajouter." des correctifs à l'écheveau de la physique", et il est donc très important de poursuivre ce type de recherche car "quelque chose de nouveau et de "très fondamental" pourrait être découvert".

  Le dispositif expérimental des chercheurs de l'Université du Colorado, appelé résonateur haute fréquence, était constitué de deux fines plaques de tungstène (20 mm de long et 0,3 mm d'épaisseur). L'une de ces plaques a été amenée à vibrer à une fréquence de 1000 Hz. Les mouvements du deuxième plateau, provoqués par l’influence du premier, ont été mesurés par une électronique très sensible. Il s'agit de sur les forces mesurées en femtonewtons (10-15 n), soit environ un millionième du poids d'un grain de sable. La force de gravité agissant sur des distances aussi courtes s’est avérée assez traditionnelle, décrite par la célèbre loi de Newton.

  Le professeur Price prévoit de poursuivre les expériences pour tenter de mesurer les forces à des distances encore plus courtes. Pour passer à l'étape suivante, les expérimentateurs du Colorado ont retiré le bouclier en saphir plaqué or entre les bandes de tungstène qui bloquait les forces électromagnétiques et l'ont remplacé par une feuille de cuivre-béryllium plus fine, permettant aux masses de se rapprocher. Ils prévoient également de refroidir configuration expérimentale pour réduire les interférences dues aux fluctuations thermiques.

  Quel que soit le sort de la théorie des supercordes, les idées de dimensions supplémentaires, introduites il y a près de cent ans (à l'époque de nombreux physiciens se moquaient d'elles), deviennent particulièrement populaires en raison de la crise des modèles physiques standards, incapables d'expliquer la théorie des supercordes. de nouvelles observations. Parmi les faits les plus flagrants figure l’expansion accélérée de l’Univers, qui a de nombreuses confirmations. Une nouvelle force mystérieuse, appelée pour l’instant énergie noire, sépare notre espace, agissant comme une sorte d’antigravité. Personne ne sait quel genre de phénomène physique se cache derrière cela. Ce que les cosmologistes savent, c'est que si la gravité maintient les galaxies ensemble au niveau « local », des forces mystérieuses les séparent. Ô à une plus grande échelle.

  L’énergie sombre peut s’expliquer par les interactions entre les dimensions, celles que nous voyons et celles qui nous sont encore cachées, estiment certains théoriciens. Lors de la réunion annuelle de l'AAAS (Association américaine pour l'avancement de la science) qui s'est tenue à Denver au début du mois, d'éminents cosmologistes et physiciens ont exprimé un optimisme prudent à ce sujet.

  "Il y a un certain espoir que cette nouvelle approche résoudra l'ensemble des problèmes d'un seul coup", déclare le physicien Sean Carroll, professeur adjoint à l'Université de Chicago.

  Tous ces problèmes se concentrent inévitablement autour de la gravité, dont Newton a calculé la force il y a plus de trois siècles. La gravité a été la première des forces fondamentales à être décrite mathématiquement, mais elle reste encore la moins bien comprise. La mécanique quantique, développée dans les années 20 du siècle dernier, décrit bien le comportement des objets au niveau atomique, mais n'est pas très « amicale » avec la gravité. Le fait est que même si la gravité agit sur de grandes distances, elle reste très faible par rapport aux trois autres forces fondamentales (interactions électromagnétiques, fortes et faibles qui dominent le microcosme). Comprendre la gravité au niveau quantique devrait relier la mécanique quantique à une description complète d’autres forces.

  En particulier, les scientifiques n'ont pas pu déterminer pendant longtemps si la loi de Newton (la proportionnalité inverse de la force au carré de la distance) est valable à de très petites distances, dans le monde dit quantique. Newton a développé sa théorie sur les distances astronomiques, comme les interactions du Soleil avec les planètes, mais il s'avère maintenant qu'elle est également valable dans le microcosme.

  "Ce qui se passe actuellement en physique des particules, en physique gravitationnelle et en cosmologie rappelle beaucoup l'époque où la mécanique quantique a commencé à se réunir", déclare Maria Spiropulu, chercheuse à l'Université de Chicago et organisatrice de l'atelier AAAS sur la physique extra-dimensionnelle (physique. de dimensions supplémentaires).

  Pour la première fois, il était possible de mesurer la vitesse de la gravité

  

  Le physicien russe Sergei Kopeikin, travaillant à l'Université du Missouri en Colombie, et l'Américain Edward Fomalont de l'Observatoire national de radioastronomie de Charlottesville, en Virginie, ont déclaré qu'ils étaient les premiers à mesurer la vitesse de gravité avec une précision acceptable. Leur expérience confirme l'opinion de la plupart des physiciens : la vitesse de la gravité est égale à la vitesse de la lumière. Cette idée sous-tend les théories modernes, notamment la théorie de la relativité générale d’Einstein, mais jusqu’à présent, personne n’a été capable de mesurer cette quantité directement dans une expérience. La recherche a été publiée mardi lors de la 201e réunion de l'American Astronomical Society à Seattle. Les résultats avaient déjà été soumis pour publication dans une revue scientifique, mais ont été critiqués par certains experts. Kopeikin lui-même considère ces critiques comme infondées.

  La théorie de la gravité de Newton suppose que les effets de la gravité sont instantanés, mais Einstein a proposé que la gravité se déplace à la vitesse de la lumière. Ce postulat devient l’un des fondements de sa Théorie de la Relativité en 1915.

  L'égalité de la vitesse de gravité et de la vitesse de la lumière signifie que si le Soleil disparaissait soudainement du centre du système solaire, la Terre resterait sur son orbite pendant environ 8,3 minutes - le temps qu'il faut à la lumière pour se déplacer depuis le centre du système solaire. Soleil à la Terre. Après ces quelques minutes, la Terre, se sentant libérée gravité solaire, quitterait son orbite et s'envolerait dans l'espace en ligne droite.

  Comment mesurer la « vitesse de la gravité » ? Une façon de résoudre ce problème est d’essayer de détecter les ondes gravitationnelles – de petites « ondulations » dans le continuum espace-temps qui s’écartent de toute masse accélératrice. Diverses installations de capture des ondes gravitationnelles ont déjà été construites en grand nombre, mais aucune d'entre elles n'a jusqu'à présent pu enregistrer un tel effet en raison de sa faiblesse exceptionnelle.

  Kopeikin a emprunté un chemin différent. Il a réécrit les équations de la relativité générale pour exprimer le champ gravitationnel d'un corps en mouvement en termes de masse, de vitesse et de vitesse gravitationnelle. Il a été décidé d'utiliser Jupiter comme corps massif. Une opportunité plutôt rare s'est produite en septembre 2002, lorsque Jupiter est passé devant un quasar (de tels événements se produisent environ une fois tous les 10 ans), émettant intensément des ondes radio. Kopeikin et Fomalont ont combiné les résultats des observations d'une douzaine de radiotélescopes en différentes parties globe, d'Hawaï à l'Allemagne (en utilisant à la fois les radiotélescopes de 25 mètres de l'Observatoire national de radioastronomie et l'instrument allemand de 100 mètres à Effelsberg) pour mesurer le changement visible infime de la position du quasar provoqué par la courbure des ondes radio provenant de cette source dans l'orbite de Jupiter. champ gravitationnel. En étudiant la nature de l'influence du champ gravitationnel de Jupiter sur le passage des ondes radio, connaissant sa masse et sa vitesse de déplacement, il est possible de calculer la vitesse de gravité.

  Le travail conjoint des radiotélescopes terrestres a permis d'atteindre une précision 100 fois supérieure à celle obtenue avec le télescope spatial Hubble. Les déplacements mesurés dans l'expérience étaient très minimes : les changements de position du quasar (la distance angulaire entre celui-ci et le quasar de référence a été mesurée) étaient de l'ordre de 50 millionièmes d'arcseconde. L'équivalent de telles mesures pourrait être la taille d'un dollar en argent sur la Lune ou l'épaisseur d'un cheveu humain à une distance de 250 milles, disent les astronomes (les sources occidentales, apparemment, n'ont pas pensé à prêter attention à la signification de l'expression russe). nom de famille d'un des auteurs des études, sinon ils ne compareraient pas les tailles avec un dollar, et avec notre unité monétaire...).

  Le résultat obtenu : la gravité est transmise à une vitesse de lumière de 0,95, l'erreur expérimentale possible est de plus ou moins 0,25. "Nous savons maintenant que la vitesse de la gravité est probablement égale à la vitesse de la lumière", a déclaré Fomalont. "Et nous pouvons exclure en toute confiance tout résultat qui serait le double de cette vitesse."

  Steven Carlip, professeur de physique à l'Université de Californie, a déclaré que l'expérience était une « bonne démonstration » du principe d'Einstein. Il dit que l'expérience a été précédée de mesures de la déviation de la lumière par le Soleil, mais celles-ci étaient beaucoup moins précises. D’ailleurs, de nouvelles mesures de vitesse gravitationnelle dans un futur très proche devront préciser cette valeur. Plusieurs interféromètres à ondes gravitationnelles ont été mis en service ces derniers mois, dont l'un devrait enfin détecter directement les ondes gravitationnelles et ainsi mesurer leur vitesse, une constante fondamentale importante de notre Univers.

  Il convient toutefois de noter que l’expérience elle-même ne constitue pas une confirmation sans ambiguïté de la théorie de la gravité d’Einstein. Avec le même succès, cela peut être considéré comme une confirmation des théories alternatives existantes. Par exemple, la théorie relativiste de la gravité (RTG) de l’académicien Logunov, connue du grand public il y a une dizaine d’années, ne s’écarte pas à cet égard de la relativité générale. Il existe également des ondes gravitationnelles dans les RTG, même si, comme on le sait, il n'y a pas de trous noirs. Et encore une autre « réfutation » de la théorie de la gravité de Newton n’a pas de valeur particulière. Néanmoins, le résultat est important du point de vue de la « clôture » de certaines versions de théories modernes et du soutien d'autres - il est associé aux théories cosmologiques des univers multiples et à ce qu'on appelle la théorie des cordes ou supercordes, mais il est trop tôt pour en tirer des conclusions. conclusions finales, disent les chercheurs. Dans la dernière théorie dite M unifiée, qui est un développement de la théorie des supercordes, en plus des « cordes », de nouveaux objets multidimensionnels sont apparus : les branes. Les théories des supercordes, de par leur nature, incluent la gravité, puisque les calculs basés sur elles prédisent invariablement l'existence du graviton, une particule hypothétique en apesanteur avec un spin de 2. On suppose qu'il existe des dimensions spatiales supplémentaires, seulement « effondrées ». Et la gravité pourrait prendre un « raccourci » à travers ces dimensions supplémentaires, se déplaçant apparemment plus vite que la vitesse de la lumière, mais sans violer les équations de la Relativité Générale.

  Deux physiciens relativistes présentent leurs vues sur l'Univers,
  son évolution et le rôle de la théorie quantique

  DANS Américain scientifique ces conférences ont été publiées avec des abréviations, les endroits correspondants dans le texte sont marqués de points de suspension

  Introduction

  En 1994, Stephen Hawking et Roger Penrose ont donné une série de conférences publiques sur la relativité générale à l'Institut des sciences mathématiques Isaac Newton de l'Université de Cambridge. Notre magazine vous présente des extraits de ces conférences publiées cette année par la maison d'édition Université de Princeton Presse intitulée "La nature de l'espace et du temps", qui permet de comparer les points de vue de ces deux scientifiques. Bien que tous deux appartiennent à la même école de physique (Penrose a soutenu la thèse de doctorat de Hawking à Cambridge), leurs points de vue sur le rôle de la mécanique quantique dans l'évolution de l'univers sont très différents les uns des autres. En particulier, Hawking et Penrose ont des idées différentes sur ce qui arrive aux informations stockées dans un trou noir et pourquoi le début de l'univers est différent de sa fin.

  L'une des découvertes majeures de Hawking, faite en 1973, fut la prédiction selon laquelle, en raison des effets quantiques, les trous noirs pourraient émettre des particules. À la suite de ce processus, le trou noir s’évapore et il est possible qu’il ne reste plus rien de sa masse d’origine. Mais lors de leur formation, les trous noirs absorbent de nombreuses particules tombant sur eux avec différents types, propriétés et configurations. Bien que la théorie quantique exige que ces informations soient stockées, les détails de ce qui leur arrive ensuite restent un sujet de débat intense. Hawking et Penrose pensent tous deux que lorsqu’un trou noir émet, il perd les informations qu’il contenait. Mais Hawking insiste sur le fait que cette perte est irremplaçable, tandis que Penrose soutient qu'elle est compensée par des mesures spontanées des états quantiques qui réinjectent des informations dans le trou noir.

  Les deux scientifiques conviennent qu’une future théorie de la gravité quantique est nécessaire pour décrire la nature. Mais leurs points de vue diffèrent sur certains aspects de cette théorie. Penrose pense que même si interactions fondamentales les particules élémentaires sont symétriques par rapport à l'inversion du temps, alors la gravité quantique doit briser cette symétrie. L’asymétrie temporelle expliquerait alors pourquoi l’univers a commencé de manière si uniforme (comme le montre le rayonnement de fond micro-onde produit par le big bang), alors qu’à la fin l’univers doit être hétérogène.

  Penrose tente d'inclure une asymétrie similaire dans son hypothèse sur la courbure de Weyl. L'espace-temps, selon Albert Einstein, est courbé par la présence de matière. Mais l’espace-temps peut également présenter une certaine déformation inhérente, appelée courbure de Weyl. Les ondes gravitationnelles et les trous noirs, par exemple, permettent à l’espace-temps de se plier même dans des régions vides. Dans l'univers primitif, la courbure de Weyl était probablement nulle, mais dans l'univers mourant, comme le soutient Penrose, grand nombre les trous noirs entraîneront une augmentation de la courbure de Weyl. Ce sera la différence entre le début et la fin de l'univers.

  Hawking convient que le big bang et l'effondrement final (« Big crunch ») seront différents, mais il ne considère pas l'asymétrie temporelle comme une loi de la nature. La principale raison de cette différence, pense-t-il, est la voie sur laquelle est programmé le développement de l’univers. Il postule une sorte de démocratie, déclarant qu'il ne peut y avoir un seul point dans l'espace dans l'univers ; et par conséquent, l'univers ne peut pas avoir de frontière. C'est cette proposition d'absence de frontière qui, selon Hawking, explique l'homogénéité du rayonnement de fond micro-ondes.

  Les deux physiciens ont également des points de vue fondamentalement différents sur l’interprétation de la mécanique quantique. Hawking estime que le seul but de la théorie est de faire des prédictions cohérentes avec les données expérimentales. Penrose estime qu’une simple comparaison des prédictions avec les expériences ne suffit pas à expliquer la réalité. Il souligne que la théorie quantique, qui nécessite la superposition de fonctions d’onde, est un concept qui peut conduire à des absurdités. Ces scientifiques portent ainsi à un nouveau niveau le débat bien connu entre Einstein et Bohr sur les conséquences bizarres de la théorie quantique.

  Stephen Hawking sur les trous noirs quantiques :

  La théorie quantique des trous noirs... semble introduire un nouveau niveau d'imprévisibilité en physique au-delà de l'incertitude habituelle de la mécanique quantique. En effet, les trous noirs semblent avoir une entropie interne et perdent des informations sur notre région de l'univers. Je dois dire que ces affirmations sont très controversées : de nombreux scientifiques travaillant dans le domaine de la gravité quantique, y compris presque tous ceux qui sont issus de la physique des particules, rejettent instinctivement l'idée selon laquelle les informations sur l'état d'un système quantique peuvent être perdues. Cependant, cette vision n’a pas vraiment réussi à expliquer comment l’information peut s’échapper d’un trou noir. En fin de compte, je crois qu'ils seront obligés d'accepter ma proposition selon laquelle l'information est irrémédiablement perdue, tout comme ils ont été forcés d'accepter que les trous noirs émettent, ce qui contredit toutes leurs idées préconçues...

  Le fait que la gravité soit attractive signifie que dans l’univers, la matière a tendance à se rassembler en un seul endroit, une tendance à la formation d’objets comme les étoiles et les galaxies. La compression ultérieure de ces objets peut être limitée pendant un certain temps par la pression thermique, dans le cas des étoiles, ou par la rotation et les mouvements internes, dans le cas des galaxies. Cependant, la chaleur ou le moment cinétique finira par être emporté et l'objet recommencera à rétrécir. Si la masse est inférieure à environ une masse et demie solaire, la compression peut être arrêtée par la pression d'un gaz dégénéré d'électrons ou de neutrons. L’objet se stabilisera pour devenir respectivement une naine blanche ou une étoile à neutrons. Cependant, si la masse est supérieure à cette limite, rien ne peut arrêter la compression constante. Une fois que la compression d'un objet approche d'une certaine taille critique, le champ gravitationnel sur sa surface sera si fort que les cônes de lumière seront inclinés vers l'intérieur.... Nous pouvons voir que même les rayons lumineux allant vers l'extérieur sont courbés les uns vers les autres, de sorte qu'ils se rapprochent plutôt que de s'éloigner. Cela signifie qu'il y a une surface fermée....

  Il doit donc exister une région de l’espace-temps d’où il est impossible de s’échapper à une distance infinie. Cette région est appelée un trou noir. Sa limite s'appelle l'horizon des événements, c'est une surface formée de rayons lumineux qui ne peuvent s'échapper vers l'infini....

  Une grande quantité d’informations est perdue lorsqu’un corps cosmique s’effondre pour former un trou noir. Un objet qui s'effondre est décrit par un très grand nombre de paramètres. Son état est déterminé par les types de matière et les moments multipolaires de leur distribution de masse. Malgré cela, le trou noir en formation est totalement indépendant du type de matière et perd rapidement tous les moments multipolaires à l'exception des deux premiers : le monopôle, qui est la masse, et le dipôle, qui est le moment cinétique.

  Cette perte d’informations n’avait vraiment pas d’importance dans la théorie classique. On peut dire que toutes les informations concernant l’objet qui s’effondre se retrouvent à l’intérieur du trou noir. Pour un observateur extérieur au trou noir, il serait très difficile de déterminer à quoi ressemble l’objet qui s’effondre. Cependant, dans la théorie classique, cela était encore possible en principe. L’observateur ne perdrait jamais de vue l’objet qui s’effondre. Au lieu de cela, il lui semblerait que l'objet ralentissait dans sa contraction et devenait de plus en plus faible à mesure qu'il s'approchait de l'horizon des événements. Cet observateur pouvait encore voir de quoi était fait l’objet qui s’effondrait et comment sa masse était répartie.

  Cependant, du point de vue de la théorie quantique, tout change complètement. Lors de l'effondrement, l'objet n'émettrait qu'un nombre limité de photons avant de traverser l'horizon des événements. Ces photons seraient totalement insuffisants pour nous transmettre toutes les informations concernant l’objet qui s’effondre. Cela signifie que dans la théorie quantique, il n’existe aucun moyen permettant à un observateur externe de déterminer l’état d’un tel objet. On pourrait penser que cela n’aurait pas beaucoup d’importance puisque l’information resterait à l’intérieur du trou noir, même si elle ne pouvait pas être mesurée de l’extérieur. Mais c’est exactement le cas où se manifeste le deuxième effet de la théorie quantique des trous noirs…

  La théorie quantique force les trous noirs à émettre et à perdre de la masse. Et apparemment, ils finissent par disparaître complètement – ​​avec les informations qu’ils contiennent. Je tiens à faire valoir que ces informations sont effectivement perdues et ne sont restituées sous aucune forme. Comme je le montrerai plus tard, avec cette perte d’information, l’incertitude entre en physique à un niveau plus élevé que l’incertitude habituelle associée à la théorie quantique. Malheureusement, contrairement à la relation d’incertitude de Heisenberg, ce nouveau niveau d’incertitude sera assez difficile à confirmer expérimentalement dans le cas des trous noirs.

  Roger Penrose sur la théorie quantique et l'espace-temps :

  La théorie quantique, la relativité restreinte, la relativité générale et la théorie quantique des champs sont les plus grandes théories physiques du 20e siècle. Ces théories ne sont pas indépendantes les unes des autres : la relativité générale a été construite sur la base de la relativité restreinte, et la théorie quantique des champs repose sur la relativité restreinte et la théorie quantique.

  On disait communément que la théorie quantique des champs était la théorie physique la plus précise qui ait jamais existé, avec une précision de 11 décimales près. Cependant, je tiens à souligner que la relativité générale a désormais été testée à 14 décimales près (et cette précision n'est évidemment limitée que par la précision des horloges fonctionnant sur Terre). Je parle du pulsar binaire Hulse-Taylor PSR 1913+16, une paire d'étoiles à neutrons tournant l'une par rapport à l'autre, dont l'une est un pulsar. La relativité générale prédit qu'une telle orbite se contracte lentement (et sa période diminue) car de l'énergie est perdue en raison de l'émission d'ondes gravitationnelles. Ce processus a en effet été observé expérimentalement, et la description complète de son mouvement, observée depuis 20 ans... est en accord avec la théorie de la relativité générale (qui inclut la théorie de Newton) avec la précision remarquable notée plus haut. Les chercheurs de ce système stellaire ont reçu à juste titre le prix Nobel pour leurs travaux. Les théoriciens quantiques ont toujours soutenu, citant l’exactitude de leur théorie, que la relativité générale devrait suivre son exemple, mais je pense maintenant que la théorie quantique des champs devrait suivre son exemple.

  Bien que ces quatre théories aient connu un grand succès, elles ne sont pas exemptes de problèmes... La relativité générale prédit l'existence de singularités dans l'espace-temps. Il existe un « problème de mesure » en théorie quantique, que je décrirai plus tard. Il se peut que la solution aux problèmes de ces théories soit de reconnaître le fait qu’elles sont des théories incomplètes. Par exemple, nombreux sont ceux qui s’attendent à ce que la théorie quantique des champs puisse d’une manière ou d’une autre « salir » les singularités de la théorie de la relativité générale…

  Je voudrais maintenant dire quelques mots concernant la perte d'informations dans les trous noirs, qui, je crois, est liée à la dernière déclaration. Je suis d'accord avec presque tout ce que Stephen a dit à ce sujet. Mais alors que Stephen considère la perte d'informations dans les trous noirs comme une nouvelle incertitude en physique, à un niveau plus élevé que l'incertitude de la mécanique quantique, je la vois comme une simple incertitude « supplémentaire ». petite quantité des informations sont perdues lors de l'évaporation d'un trou noir... mais cet effet sera bien moindre que la perte d'informations lors de l'effondrement (pour laquelle j'accepte toute image raisonnable de la disparition finale d'un trou noir à décrire).

  À titre d’expérience de pensée, considérons un système fermé dans une grande boîte et considérons le mouvement de la matière à l’intérieur de la boîte dans l’espace des phases. Dans les régions de l'espace des phases correspondant aux emplacements du trou noir, les trajectoires décrivant l'évolution physique du système convergeront et les volumes de phase remplis par ces trajectoires diminueront. Cela se produit à la suite d’une perte d’informations au niveau de la singularité du trou noir. Cette réduction est en contradiction directe avec la loi mécanique classique, connu sous le nom de théorème de Liouville, qui stipule que les volumes de phase portés par les trajectoires de phase restent constants.... Ainsi, l'espace-temps d'un trou noir viole la conservation de tels volumes. Cependant, dans mon image, cette perte de volume dans l'espace des phases est compensée par le processus de mesures quantiques spontanées, à la suite de quoi les informations sont restaurées et une augmentation du volume dans espace des phases. D'après ce que je comprends, cela se produit parce que l'incertitude associée à la perte d'information dans les trous noirs est, pour ainsi dire, « supplémentaire » à l'incertitude de la mécanique quantique : chacune d'entre elles n'est qu'une face d'une même médaille....

  Examinons maintenant l'expérience de pensée du chat de Schrödinger. Il décrit la position peu enviable d'un chat dans une boîte, dans laquelle un photon émis tombe sur un miroir translucide et la partie transmise de sa fonction d'onde est enregistrée par un capteur. Si le capteur détecte un photon, le pistolet se déclenche, tuant le chat. Si le capteur ne détecte pas le photon, alors le chat reste bien vivant. (Je sais que Stephen n'approuve pas la maltraitance des chats, même dans les expériences de pensée !) La fonction d'onde d'un tel système est une superposition de ces deux possibilités.... Mais pourquoi seules les alternatives macroscopiques sont-elles "chat mort" et "chat vivant" disponible à notre perception ? et non des superpositions macroscopiques de tels états ? ...

  Je suggère qu'avec l'utilisation de la relativité générale, l'utilisation de superpositions de géométries spatio-temporelles alternatives se heurte à de sérieuses difficultés. Il est possible que la superposition de deux géométries différentes soit instable et se désintègre vers l'une de ces deux alternatives. De telles géométries pourraient être, par exemple, l’espace et le temps d’un chat vivant ou mort. Pour désigner cette désintégration d'une superposition dans l'un des états alternatifs, j'utilise le terme de réduction objective, que j'aime car il a un bon acronyme (OR). Qu'est-ce que la longueur de Planck de 10 à 33 centimètres a à voir avec cela ? Cette longueur est un critère naturel pour déterminer si les géométries sont réellement des mondes différents. L'échelle de Planck détermine également l'échelle de temps à laquelle se produit la réduction en diverses alternatives.

  Hawking sur la cosmologie quantique :

  Je conclus cette conférence en discutant d'une question sur laquelle Roger et moi avons différents points de vue- c'est la flèche du temps. Il existe une distinction très claire entre le sens du temps vers l’avant et vers l’arrière dans notre partie de l’univers. Il suffit de rembobiner n'importe quel film pour voir cette différence. Au lieu que les tasses tombent de la table et se brisent en petits morceaux, nous verrions ces fragments se rassembler et sauter à nouveau sur la table. La vraie vie n'est-elle pas quelque chose comme ça ?

  Les lois locales des champs physiques satisfont à l'exigence de symétrie dans le temps, ou, pour être plus précis, d'invariance CPT (Charge-Parity-Time). Ainsi, la différence observée entre passé et futur provient des conditions aux limites de l’univers. Considérons un modèle dans lequel un univers spatialement fermé s'étend jusqu'à sa taille maximale puis s'effondre à nouveau. Comme Roger l'a souligné, l'univers sera très différent à la fin de cette histoire. À ses débuts, nous pensons maintenant que l’univers sera assez lisse et régulier. Cependant, lorsqu’il recommencera à s’effondrer, nous nous attendons à ce qu’il soit extrêmement désordonné et irrégulier. Comme il existe beaucoup plus de configurations désordonnées que de configurations ordonnées, cela signifie que les conditions initiales doivent être choisies de manière extrêmement précise.

  En conséquence, les conditions aux limites doivent être différentes à ces instants. L'hypothèse de Roger est que le tenseur de Weyl ne devrait disparaître qu'à une fin du temps. Le tenseur de Weyl est la partie de la courbure de l'espace-temps qui n'est pas déterminée par la distribution locale de la matière via les équations d'Einstein. Cette courbure est extrêmement petite au stade précoce ordonné et très grande dans l’univers en effondrement. Ainsi, cette proposition permettrait de distinguer les deux extrémités du temps et d’expliquer l’existence de la flèche du temps.

  Je pense que la proposition de Roger est weylienne dans deux sens du terme. Premièrement, ce n’est pas invariant par CPT. Roger considère cette propriété comme une vertu, mais je pense qu'il ne faut pas abandonner les symétries sans bonnes raisons. Deuxièmement, si le tenseur de Weyl était exactement égal à zéroà un stade précoce de l'univers, il resterait homogène et isotrope tout au long des temps ultérieurs. L'hypothèse Weyl de Roger ne peut expliquer ni les fluctuations du fond micro-onde ni les perturbations qui provoquent les galaxies et les corps comme nous.

  Malgré tout cela, je pense que Roger a souligné une différence très importante entre ces deux limites temporelles. Mais le fait que la petitesse du tenseur de Weyl dans l'une des frontières ne doit pas être accepté par nous ad hoc, mais doit être obtenu à partir du principe plus fondamental de « pas de frontières »...

  Comment deux frontières temporelles peuvent-elles être différentes ? Pourquoi les perturbations devraient-elles être faibles dans l’un d’eux, mais pas dans l’autre ? La raison en est que les équations de champ ont deux solutions complexes possibles.... Évidemment, une solution correspond à une extrémité des temps, et l'autre à l'autre.... À une extrémité des temps, l'univers était très lisse. , et le tenseur de Weyl était petit . Cependant, il ne peut pas être exactement égal à zéro, car cela conduit à une violation de la relation d'incertitude. Au lieu de cela, il doit y avoir de petites fluctuations qui peuvent ensuite se développer en galaxies et en corps comme nous. Contrairement au début, la fin de l’univers devrait être très irrégulière et chaotique, et le tenseur de Weyl très grand. Cela expliquerait pourquoi la flèche du temps a lieu et pourquoi les tasses tombent de la table et se brisent beaucoup plus facilement qu'elles ne sont restaurées et rebondissent.

  Penrose sur la cosmologie quantique :

  D'après ce que je comprends du concept de Stephen, je conclus que nos désaccords sur ce problème(L'hypothèse de courbure de Weyl a) sont extrêmement grandes... Pour une singularité initiale, la courbure de Weyl est approximativement nulle.... Stephen a soutenu qu'il devrait y avoir de petites fluctuations quantiques dans l'état initial, et donc l'hypothèse de courbure de Weyl nulle a est classique et inacceptable. Mais je pense qu'il existe une certaine liberté quant à la formulation précise de cette hypothèse. De petites perturbations sont bien sûr acceptables de mon point de vue dans le régime quantique. Il suffit de limiter significativement ces fluctuations autour de zéro....

  Il est possible que le principe « sans frontières » de James-Hartley-Hawking soit un bon candidat pour décrire la structure de l’état initial. Cependant, il me semble qu’il faut autre chose pour expliquer l’état final. En particulier, une théorie expliquant la structure des singularités devrait inclure la rupture du CPT et d'autres symétries afin d'être compatible avec l'hypothèse de courbure de Weyl. Une telle violation de la symétrie temporelle pourrait être assez minime ; et pourrait être implicitement contenu dans une nouvelle théorie allant au-delà de la mécanique quantique.

  Hawking sur la réalité physique :

  Ces conférences ont fait ressortir très clairement la différence entre Roger et moi. Il est platonicien et je suis positiviste. Il s'inquiète sérieusement du fait que le chat de Schrödinger se trouve dans un état quantique dans lequel il est à moitié vivant et à moitié mort. Il y sent un décalage avec la réalité. Mais de telles choses ne me dérangent pas. Je n’exige pas que la théorie corresponde à la réalité, car je ne sais pas ce qu’est la réalité. La réalité n’est pas une qualité que l’on peut tester avec du papier tournesol. Tout ce qui m'importe, c'est que la théorie prédise les résultats des mesures. La théorie quantique y parvient avec beaucoup de succès....

  Roger pense que... l'effondrement de la fonction d'onde introduit la symétrie CPT dans la physique. Il voit de telles perturbations à l’œuvre dans au moins deux domaines de la physique : la cosmologie et les trous noirs. Je suis d'accord que nous pouvons utiliser l'asymétrie temporelle lorsque nous posons des questions sur les observations. Mais je rejette complètement l’idée selon laquelle certains processus physiques conduisent à une réduction de la fonction d’onde, ou que cela ait quelque chose à voir avec la gravité quantique ou la conscience. Tout cela a à voir avec la magie et la magie, mais pas avec la science.

  Penrose sur la réalité physique :

  La mécanique quantique n'existe que depuis 75 ans. Ce n’est pas grand-chose, surtout si on le compare, par exemple, à la théorie de la gravité de Newton. Je ne serais donc pas surpris si la mécanique quantique était modifiée pour de très gros objets.

  Au début de ce débat, Stephen a suggéré qu’il était positiviste et que j’étais platonicien. Je suis heureux qu'il soit positiviste, mais pour ma part, je peux dire que je suis plutôt réaliste. Aussi, si vous comparez ce débat avec le fameux débat Bohr-Einstein il y a environ 70 ans, je pense que Stephen joue le rôle de Bohr et je joue le rôle d'Einstein ! Pour Einstein, il fallait qu'il y ait quelque chose de semblable à monde réel, décrit pas nécessairement par une fonction d'onde, tandis que Bohr a souligné que fonction d'onde ne décrit pas le monde réel, mais seulement les connaissances nécessaires pour prédire les résultats d'une expérience.

  On pense maintenant que les arguments de Bohr étaient plus puissants et qu'Einstein (selon sa biographie écrite par Abraham Pais) aurait pu pêcher depuis 1925. En effet, il n’a pas apporté une grande contribution à la mécanique quantique, même si ses critiques perspicaces lui ont été très utiles. Je pense que la raison en était que la théorie quantique manquait de certains éléments importants. L’un de ces composants était le rayonnement des trous noirs découverts par Stephen 50 ans plus tard. Les fuites d’informations associées au rayonnement des trous noirs sont un phénomène qui pourrait amener la théorie quantique à un nouveau niveau.

  Stephen Hawking pense qu'il n'y a peut-être pas de théorie définitive de l'univers

  Dans une conférence télévisée donnée par le célèbre physicien Stephen Hawking d'Angleterre aux auditeurs de plusieurs auditoires du Massachusetts Institut de technologie(Massachusetts Institute of Technology - MIT) a décrit la recherche des scientifiques pour une théorie complète de l'Univers. Et en conclusion, l'auteur des livres scientifiques à succès A Brief History of Time et The Theory of Everything, professeur de mathématiques à l'Université de Cambridge, a suggéré qu'« il est possible [une telle théorie] soit impossible ».

  "Certaines personnes seront très déçues d'apprendre qu'il n'existe pas de théorie définitive", a déclaré Hawking. "J'étais également dans ce camp, mais maintenant j'ai changé d'avis. Nous serons toujours confrontés à de nouvelles découvertes scientifiques. Sans cela, la civilisation va stagner." "La recherche peut continuer pendant très longtemps."

  L'émission télévisée, au cours de laquelle quelques difficultés techniques sont apparues au niveau de l'image et du son, a également été diffusée via Internet. Il était organisé par le Cambridge-MIT Institute (CMI) – une alliance stratégique de trois ans entre l'Université de Cambridge en Angleterre et le Massachusetts Institute of Technology.

  Hawking a essentiellement résumé l'histoire de la physique des particules, en se concentrant sur chiffres clés et des théories dans ce domaine, en commençant par Aristote et en terminant par Stephen Weinberg (Stephen Weinberg, lauréat du prix Nobel, né en 1933).

  Les équations de Maxwell et de Dirac, par exemple, « régissent presque toute la physique et toute la chimie et la biologie », a expliqué Hawking. « Ainsi, connaissant ces équations, nous pourrions en principe prédire le comportement humain, même si je ne peux pas prétendre que je l'avais moi-même. il y a un grand succès dans ce domaine », a-t-il conclu sous les rires du public.

  Le cerveau humain contient trop de particules pour résoudre toutes les équations nécessaires pour prédire le comportement d’une personne. Peut-être qu'un jour, dans un avenir proche, nous apprendrons à prédire le comportement du ver nématode.

  Toutes les théories développées jusqu'à présent pour expliquer l'univers "sont soit contradictoires, soit incomplètes", a déclaré Hawking. Et il a suggéré pourquoi il est en principe impossible de développer une théorie complète de l'Univers. Il a basé son argument sur les travaux de Kurt Gödel, un mathématicien tchèque qui a écrit le célèbre théorème selon lequel, dans n'importe quelle branche des mathématiques, certaines propositions ne peuvent jamais être prouvées ou réfutées.

  Avez-vous déjà pensé que l'univers était comme un violoncelle ? C'est vrai, elle n'est pas venue. Parce que l'univers n'est pas comme un violoncelle. Mais cela ne veut pas dire qu’il n’y a pas de cordes.

  Bien entendu, les cordes de l’univers ne ressemblent guère à celles que nous imaginons. Dans la théorie des cordes, ce sont des fils d’énergie vibrants incroyablement petits. Ces fils ressemblent davantage à de minuscules « bandes élastiques », capables de se tortiller, de s’étirer et de se comprimer de toutes sortes de manières.
  . Tout cela ne signifie cependant pas qu'il est impossible de « jouer » sur eux la symphonie de l'univers, car, selon les théoriciens des cordes, tout ce qui existe est constitué de ces « fils ».

  Une contradiction en physique.
  Dans la seconde moitié du XIXe siècle, il semblait aux physiciens que rien de sérieux ne pouvait plus être découvert dans leur science. Physique classique Je pensais qu’il n’y avait plus de problèmes sérieux et que la structure entière du monde ressemblait à une machine parfaitement régulée et prévisible. Le problème, comme d'habitude, est survenu à cause d'un non-sens - l'un des petits "nuages" qui restaient encore dans le ciel clair et compréhensible de la science. À savoir, lors du calcul de l'énergie de rayonnement d'un corps absolument noir (un corps hypothétique qui, à n'importe quelle température, absorbe complètement le rayonnement incident sur lui, quelle que soit la longueur d'onde - NS. Les calculs ont montré que énergie totale Le rayonnement de tout corps absolument noir doit être infiniment grand. Pour échapper à une absurdité aussi évidente, le scientifique allemand Max Planck a suggéré en 1900 que lumière visible, les rayons X et autres ondes électromagnétiques ne peuvent être émis que par certaines portions discrètes d'énergie, qu'il a appelées quanta. Avec leur aide, il a été possible de résoudre le problème particulier d'un corps absolument noir. Cependant, les conséquences hypothèse quantique car le déterminisme n’était pas encore réalisé à cette époque. Jusqu'à ce qu'en 1926, un autre scientifique allemand, Werner Heisenberg, formule le fameux principe d'incertitude.

  Son essence se résume au fait que, contrairement à toutes les affirmations dominantes jusqu'à présent, la nature limite notre capacité à prédire l'avenir sur la base de lois physiques. Nous parlons bien sûr du futur et du présent. particules subatomiques. Il s’est avéré qu’ils se comportent complètement différemment de la façon dont les choses se comportent dans le macrocosme qui nous entoure. Au niveau subatomique, la structure de l’espace devient inégale et chaotique. Le monde des minuscules particules est si turbulent et incompréhensible qu'il contredit bon sens. L'espace et le temps y sont tellement tordus et entrelacés qu'il n'y a pas de concepts ordinaires de gauche et de droite, de haut en bas, ou même d'avant et d'après. Il n’existe aucun moyen de dire avec certitude à quel point de l’espace se trouve actuellement une particule particulière ni quel est son moment cinétique. Il n'y a qu'une certaine probabilité de trouver une particule dans de nombreuses régions de l'espace-temps. Les particules au niveau subatomique semblent « se propager » dans tout l’espace. De plus, le « statut » des particules lui-même n’est pas défini : dans certains cas, elles se comportent comme des ondes, dans d’autres, elles présentent les propriétés de particules. C’est ce que les physiciens appellent la dualité onde-particule de la mécanique quantique.

  Dans la théorie de la relativité générale, comme dans un État aux lois opposées, la situation est fondamentalement différente. L'espace ressemble à un trampoline : un tissu lisse qui peut être plié et étiré par des objets massifs. Ils créent des déformations dans l’espace-temps – ce que nous considérons comme la gravité. Inutile de dire que la théorie de la relativité générale, harmonieuse, correcte et prévisible, est en conflit insoluble avec le « Crazy Hooligan » - mécanique quantique et, par conséquent, le monde macro ne peut pas « faire la paix » avec le monde micro. C’est là que la théorie des cordes vient à la rescousse.

  La théorie de tout.
  La théorie des cordes incarne le rêve de tous les physiciens d’unifier les deux théories fondamentalement contradictoires de la mécanique quantique et de la mécanique quantique, un rêve qui a hanté le plus grand « Gitan et le Clochard », Albert Einstein, jusqu’à la fin de ses jours.

  De nombreux scientifiques pensent que tout, de la danse exquise des galaxies à la danse folle des particules subatomiques, peut en fin de compte s'expliquer par un seul élément fondamental. principe physique. Peut-être même une loi unique qui unit tous les types d’énergie, de particules et d’interactions dans une formule élégante.

  Oto décrit l'une des forces les plus célèbres de l'univers : la gravité. La mécanique quantique décrit trois autres forces : la force nucléaire forte, qui colle les protons et les neutrons dans les atomes, l'électromagnétisme et la force faible, qui est impliquée dans désintégration radioactive. Tout événement dans l'univers, de l'ionisation d'un atome à la naissance d'une étoile, est décrit par les interactions de la matière à travers ces quatre forces. En utilisant les mathématiques les plus complexes, il a été possible de montrer que les interactions électromagnétiques et faibles ont caractère général, les combinant en un seul électrofaible. Par la suite, une forte interaction nucléaire leur a été ajoutée - mais la gravité ne les rejoint en aucun cas. La théorie des cordes est l'un des candidats les plus sérieux pour relier les quatre forces et, par conséquent, englober tous les phénomènes de l'univers - ce n'est pas pour rien qu'elle est également appelée la « Théorie du Tout ».

  Au début, il y avait un mythe.
  Jusqu’à présent, tous les physiciens ne sont pas ravis de la théorie des cordes. Et à l’aube de son apparition, elle semblait infiniment éloignée de la réalité. Sa naissance même est une légende.

  À la fin des années 1960, le jeune physicien théoricien italien Gabriele Veneziano cherchait des équations qui pourraient expliquer la forte force nucléaire - la « colle » extrêmement puissante qui maintient ensemble les noyaux des atomes, liant les protons et les neutrons. Selon la légende, il serait tombé par hasard sur un livre poussiéreux sur l'histoire des mathématiques, dans lequel il aurait trouvé une équation vieille de deux cents ans, écrite pour la première fois par le mathématicien suisse Leonhard Euler. Imaginez la surprise de Veneziano lorsqu'il découvrit que l'équation d'Euler, qui pendant longtemps considérée comme une simple curiosité mathématique, décrit cette forte interaction.

  Comment c’était vraiment ? L'équation était probablement le résultat de nombreuses années Le travail de Veneziano et le hasard n'ont fait que contribuer à faire le premier pas vers la découverte de la théorie des cordes. L'équation d'Euler, qui expliquait miraculeusement la force forte, prit une nouvelle vie.

  Finalement, elle a attiré l'attention du jeune physicien et théoricien américain Leonard Susskind, qui a vu que, tout d'abord, la formule décrivait des particules qui n'avaient pas structure interne et pourrait vibrer. Ces particules se comportaient de telle manière qu’elles ne pouvaient pas être de simples particules ponctuelles. Susskind a compris : la formule décrit un fil qui ressemble à un élastique. Elle pouvait non seulement s'étirer et se contracter, mais aussi osciller et se tortiller. Après avoir décrit sa découverte, Susskind a introduit l'idée révolutionnaire des cordes.

  Malheureusement, l’écrasante majorité de ses collègues ont accueilli cette théorie avec beaucoup de sang-froid.

  Modèle standard.
  À l’époque, la science conventionnelle représentait les particules comme des points plutôt que comme des cordes. Depuis des années, les physiciens étudient le comportement des particules subatomiques en les heurtant à grande vitesse et étudient les conséquences de ces collisions. Il s’est avéré que l’univers est bien plus riche qu’on pourrait l’imaginer. Il s’agissait d’une véritable « explosion démographique » de particules élémentaires. Les étudiants diplômés en physique ont couru dans les couloirs en criant qu'ils avaient découvert une nouvelle particule - il n'y avait même pas assez de lettres pour les désigner.

  Mais, hélas, dans la « Maternité » des nouvelles particules, les scientifiques n'ont jamais pu trouver la réponse à la question : pourquoi y en a-t-il autant et d'où viennent-elles ?

  Cela a incité les physiciens à faire une prédiction inhabituelle et surprenante : ils ont réalisé que les forces à l’œuvre dans la nature pouvaient également s’expliquer en termes de particules. Autrement dit, il existe des particules de matière et des particules porteuses d'interactions. Tel est, par exemple, un photon - une particule de lumière. Plus il y a de ces particules - porteuses - des mêmes photons qui sont échangés par les particules de matière, plus lumière plus brillante. Les scientifiques ont prédit que cet échange de particules - porteurs - n'est rien d'autre que ce que nous percevons comme une force. Cela a été confirmé par des expériences. C’est ainsi que les physiciens ont réussi à se rapprocher du rêve d’Einstein d’unir les forces.

  Les scientifiques pensent que si nous retournons juste après le big bang, lorsque l’univers était plus chaud de plusieurs milliards de degrés, les particules qui transportent l’électromagnétisme et la force faible deviendront indiscernables et se combineront en une seule force appelée force électrofaible. Et si nous remontons encore plus loin dans le temps, alors l’interaction électrofaible se combinerait avec l’interaction forte pour former une « Superforce » totale.

  Même si tout cela reste encore à prouver, la mécanique quantique a soudainement expliqué comment trois des quatre forces interagissent au niveau subatomique. Et elle l’a expliqué de manière magnifique et cohérente. Cette image cohérente des interactions est finalement devenue le modèle standard. Mais, hélas, cette théorie parfaite avait un gros problème : elle n'incluait pas la plupart des force connue niveau macro - gravité.

  Graviton.
  Pour la théorie des cordes, qui n’a pas eu le temps de « fleurir », l’« automne » est arrivée ; elle contenait dès sa naissance trop de problèmes ; Par exemple, les calculs de la théorie prédisaient l’existence de particules qui, comme on l’a vite établi, n’existent pas. C'est ce qu'on appelle le tachyon, une particule qui se déplace dans le vide plus rapidement que la lumière. Entre autres choses, il s’est avéré que la théorie nécessite jusqu’à 10 dimensions. Il n’est pas surprenant que cela ait été très déroutant pour les physiciens, car c’est évidemment plus grand que ce que nous voyons.

  En 1973, seuls quelques jeunes physiciens étaient encore aux prises avec les mystères de la théorie des cordes. L’un d’eux était le physicien théoricien américain John Schwartz. Pendant quatre ans, Schwartz a tenté d’apprivoiser ces équations indisciplinées, mais en vain. Entre autres problèmes, l’une de ces équations persistait à décrire une particule mystérieuse qui n’avait pas de masse et n’avait pas été observée dans la nature.

  Le scientifique avait déjà décidé d'abandonner son entreprise désastreuse, puis il s'est rendu compte : peut-être que les équations de la théorie des cordes décrivent également la gravité ? Cependant, cela impliquait une révision des dimensions des principaux « héros » de la théorie : les cordes. En suggérant que les cordes sont des milliards et des milliards de fois plus petites qu'un atome, les Stringers ont transformé le défaut de la théorie en son avantage. La particule mystérieuse dont John Schwartz avait tant essayé de se débarrasser agissait désormais comme un graviton - une particule recherchée depuis longtemps et qui permettrait de transférer la gravité au niveau quantique. C’est ainsi que la théorie des cordes a ajouté au puzzle la gravité, qui manquait dans le modèle standard. Mais, hélas, même à cette découverte, la communauté scientifique n’a réagi d’aucune façon. La théorie des cordes restait au bord de la survie. Mais cela n'a pas arrêté Schwartz. Un seul scientifique voulait se joindre à ses recherches, prêt à risquer sa carrière au nom de ficelles mystérieuses : Michael Green.

  Poupées gigognes subatomiques.
  Malgré tout, au début des années 1980, la théorie des cordes présentait encore des contradictions insolubles, appelées anomalies scientifiques. Schwartz et Green entreprirent de les éliminer. Et leurs efforts n’ont pas été vains : les scientifiques ont réussi à éliminer certaines contradictions de la théorie. Imaginez la stupéfaction de ces deux-là, déjà habitués au fait que leur théorie soit ignorée, lorsque la réaction de la communauté scientifique a explosé. monde scientifique. En moins d’un an, le nombre de théoriciens des cordes est passé à des centaines de personnes. C’est alors que la théorie des cordes reçut le titre de théorie du tout. Nouvelle théorie semblait être capable de décrire toutes les composantes de l'univers. Et ce sont les composants.

  Comme nous le savons, chaque atome est constitué de particules encore plus petites - des électrons qui tourbillonnent autour d'un noyau constitué de protons et de neutrons. Les protons et les neutrons, quant à eux, sont constitués de particules encore plus petites : les quarks. Mais la théorie des cordes dit que cela ne s’arrête pas aux quarks. Les quarks sont constitués de minuscules brins d'énergie frétillants qui ressemblent à des cordes. Chacune de ces chaînes est incroyablement petite. Si petit que si un atome était agrandi à la taille du système solaire, la corde aurait la taille d’un arbre. Tout comme les différentes vibrations d'une corde de violoncelle créent ce que nous entendons, comme différentes notes de musique, les différentes manières (modes) de vibration d'une corde confèrent aux particules leurs propriétés uniques - masse, charge, etc. Savez-vous en quoi, relativement parlant, les protons au bout de votre ongle diffèrent du graviton encore inconnu ? Uniquement par l’ensemble des minuscules cordes qui les composent et la façon dont ces cordes vibrent.

  Bien entendu, tout cela est plus que surprenant. Depuis Grèce antique les physiciens sont habitués au fait que tout dans ce monde est constitué de quelque chose comme des boules, de minuscules particules. Et ainsi, n'ayant pas eu le temps de s'habituer au comportement illogique de ces boules, qui découle de la mécanique quantique, il leur est demandé d'abandonner complètement le paradigme et de fonctionner avec des sortes de restes de spaghetti.

  Comment fonctionne le monde.
  La science connaît aujourd’hui un ensemble de nombres qui constituent les constantes fondamentales de l’univers. Ce sont eux qui déterminent les propriétés et les caractéristiques de tout ce qui nous entoure. Parmi ces constantes figurent, par exemple, la charge d’un électron, la constante gravitationnelle et la vitesse de la lumière dans le vide. Et si nous modifions ces chiffres, même un nombre insignifiant de fois, les conséquences seront catastrophiques. Supposons que nous augmentions la force interaction électromagnétique. Ce qui s'est passé? Nous pouvons soudainement constater que les ions commencent à se repousser plus fortement, et fusion thermonucléaire, qui fait briller les étoiles et émettent de la chaleur, est soudainement tombé en panne. Toutes les étoiles s'éteindront.

  Mais qu’est-ce que la théorie des cordes, avec ses dimensions supplémentaires, a à voir là-dedans ? Le fait est que, selon elle, ce sont les dimensions supplémentaires qui déterminent valeur exacte constantes fondamentales. Certaines formes de mesure font vibrer une corde d’une certaine manière et produisent ce que nous considérons comme un photon. Sous d’autres formes, les cordes vibrent différemment et produisent un électron. En vérité, Dieu est caché dans les « petites choses » : ce sont ces petites formes qui déterminent toutes les constantes fondamentales de ce monde.

  Théorie des supercordes.
  Au milieu des années 1980, la théorie des cordes a pris une apparence grandiose et ordonnée, mais à l’intérieur du monument régnait la confusion. En quelques années seulement, cinq versions de la théorie des cordes ont vu le jour. Et bien que chacun d'eux soit construit sur des cordes et des dimensions supplémentaires (les cinq versions sont combinées dans la théorie générale des supercordes - NS), ces versions divergeaient considérablement dans les détails.

  Ainsi, dans certaines versions, les cordes avaient des extrémités ouvertes, dans d'autres elles ressemblaient à des anneaux. Et dans certaines versions, la théorie exigeait même non pas 10, mais jusqu'à 26 dimensions. Le paradoxe est que les cinq versions actuelles peuvent être considérées comme également vraies. Mais lequel décrit réellement notre univers ? Ce un autre mystère théorie des cordes. C’est pourquoi de nombreux physiciens ont encore une fois abandonné la théorie de la « folie ».

  Mais le principal problème des cordes, comme déjà mentionné, est l’impossibilité (du moins pour l’instant) de prouver expérimentalement leur présence.

  Certains scientifiques, cependant, affirment encore que la prochaine génération d'accélérateurs dispose d'une opportunité très minime, mais toujours de tester l'hypothèse de dimensions supplémentaires. Bien que la majorité, bien sûr, soit sûre que si cela est possible, cela n'arrivera hélas pas très bientôt - au moins dans des décennies, au maximum - même dans cent ans.

  C'est déjà le quatrième sujet. Il est également demandé aux volontaires de ne pas oublier les sujets qu'ils ont exprimé le souhait de couvrir, ou peut-être que quelqu'un vient de choisir un sujet dans la liste. Je suis responsable de la republication et de la promotion sur les réseaux sociaux. Et maintenant notre sujet : « théorie des cordes »

  Vous avez probablement entendu dire que la théorie scientifique la plus populaire de notre époque, la théorie des cordes, implique l’existence de bien plus de dimensions que ce que le bon sens nous dit.

  Le plus gros problème pour les physiciens théoriciens est de savoir comment combiner toutes les interactions fondamentales (gravitationnelles, électromagnétiques, faibles et fortes) en théorie unifiée. La théorie des supercordes prétend être la théorie du tout.

  Mais il s’est avéré que le nombre le plus pratique de dimensions requis pour que cette théorie fonctionne est jusqu’à dix (dont neuf spatiales et une temporelle) ! S'il y a plus ou moins de mesures, équations mathématiques donner des résultats irrationnels qui vont à l'infini - la singularité.

  La prochaine étape du développement de la théorie des supercordes - la théorie M - compte déjà onze dimensions. Et une autre version de celle-ci - la théorie F - toutes les douze. Et ce n’est pas du tout une complication. La théorie F décrit un espace à 12 dimensions avec des équations plus simples que la théorie M décrit un espace à 11 dimensions.

  Bien entendu, la physique théorique n’est pas qualifiée de théorique pour rien. Toutes ses réalisations n'existent jusqu'à présent que sur papier. Ainsi, pour expliquer pourquoi nous ne pouvons nous déplacer que dans un espace tridimensionnel, les scientifiques ont commencé à expliquer que les malheureuses dimensions restantes avaient dû se réduire en sphères compactes au niveau quantique. Pour être précis, non pas en sphères, mais en espaces Calabi-Yau. Ce sont des figures tridimensionnelles, à l’intérieur desquelles se trouve leur propre monde avec sa propre dimension. Une projection bidimensionnelle d’une telle variété ressemble à ceci :

  
  Plus de 470 millions de ces chiffres sont connus. Lequel d'entre eux correspond à notre réalité est en cours de calcul. Il n'est pas facile d'être un physicien théoricien.

  Oui, cela semble un peu tiré par les cheveux. Mais peut-être que ça explique pourquoi monde quantique si différent de ce que nous percevons.

  Revenons un peu dans l'histoire

  En 1968, un jeune physicien théoricien, Gabriele Veneziano, s'intéressait aux nombreuses caractéristiques observées expérimentalement de la force nucléaire forte. Veneziano, qui travaillait alors au CERN, le laboratoire européen des accélérateurs à Genève, en Suisse, a travaillé sur ce problème pendant plusieurs années jusqu'au jour où il a eu une brillante idée. À sa grande surprise, il réalisa que la formule mathématique exotique, inventée environ deux cents ans plus tôt par le célèbre mathématicien suisse Leonhard Euler, était purement à des fins mathématiques- la fonction dite bêta d'Euler - semble pouvoir décrire d'un seul coup toutes les nombreuses propriétés des particules participant à l'interaction nucléaire forte. La propriété remarquée par Veneziano donnait un puissant description mathématique de nombreuses caractéristiques de l'interaction forte ; cela a déclenché une vague de travaux dans lesquels la fonction bêta et ses diverses généralisations ont été utilisées pour décrire les vastes quantités de données accumulées lors de l'étude des collisions de particules dans le monde. Cependant, d’une certaine manière, l’observation de Veneziano était incomplète. Comme une formule par cœur utilisée par un étudiant qui n'en comprend pas le sens, la fonction bêta d'Euler a fonctionné, mais personne n'a compris pourquoi. C'était une formule qui nécessitait une explication.

  Gabriele Veneziano

  Cela a changé en 1970, lorsque Yoichiro Nambu de l'Université de Chicago, Holger Nielsen de l'Institut Niels Bohr et Leonard Susskind de l'Université de Stanford ont pu découvrir la signification physique de la formule d'Euler. Ces physiciens ont montré que lorsque des particules élémentaires sont représentées par de petites cordes vibrantes unidimensionnelles, la forte interaction de ces particules est décrite avec précision par la fonction d'Euler. Si les morceaux de ficelle étaient suffisamment petits, pensaient ces chercheurs, ils ressembleraient toujours à des particules ponctuelles et ne contrediraient donc pas les résultats. observations expérimentales. Bien que cette théorie soit simple et intuitivement attrayante, la description des cordes de la force forte s’est vite révélée erronée. Au début des années 1970. Les physiciens des hautes énergies ont pu approfondir leur connaissance du monde subatomique et ont montré qu'un certain nombre de prédictions de modèles basés sur des cordes sont en conflit direct avec les résultats des observations. Dans le même temps, il y a eu un développement parallèle de la théorie quantique des champs – la chromodynamique quantique – qui utilisait un modèle ponctuel de particules. Le succès de cette théorie dans la description de l'interaction forte a conduit à l'abandon de la théorie des cordes.
  La plupart des physiciens des particules pensaient que la théorie des cordes avait été jetée à jamais aux poubelles, mais un certain nombre de chercheurs y sont restés fidèles. Schwartz, par exemple, estimait que « la structure mathématique de la théorie des cordes est si belle et possède tellement de propriétés étonnantes qu'elle doit sûrement pointer vers quelque chose de plus profond » 2 ). L’un des problèmes rencontrés par les physiciens avec la théorie des cordes était qu’elle semblait offrir trop de choix, ce qui prêtait à confusion. Certaines configurations de cordes vibrantes dans cette théorie avaient des propriétés qui ressemblaient à celles des gluons, ce qui donnait des raisons de la considérer véritablement comme une théorie de l'interaction forte. Cependant, en plus de cela, il contenait des particules porteuses d’interaction supplémentaires qui n’avaient rien à voir avec les manifestations expérimentales de l’interaction forte. En 1974, Schwartz et Joel Scherk de l'École Technique Supérieure de France ont fait une proposition audacieuse qui transformait cet apparent désavantage en avantage. Après avoir étudié les étranges modes de vibration des cordes qui ressemblent à des particules porteuses, ils ont réalisé que ces propriétés coïncident étonnamment étroitement avec les propriétés supposées d'une hypothétique particule porteuse d'interaction gravitationnelle - le graviton. Bien que ces " petites particules» l'interaction gravitationnelle n'a pas encore été découverte, les théoriciens peuvent en prédire avec confiance propriétés fondamentales, que doivent avoir ces particules. Sherk et Schwartz ont découvert que ces caractéristiques sont exactement réalisées pour certains modes de vibration. Sur cette base, ils suggèrent que le premier avènement de la théorie des cordes a échoué parce que les physiciens en ont trop réduit la portée. Sherk et Schwartz ont annoncé que la théorie des cordes n'est pas seulement une théorie de la force forte, c'est théorie des quanta, qui inclut, entre autres, la gravité).

  La communauté des physiciens a réagi à cette suggestion avec une grande réserve. En fait, selon les mémoires de Schwartz, « notre travail était ignoré de tous » 4). Les voies du progrès étaient déjà encombrées par de nombreuses tentatives infructueuses de combiner la gravité et la mécanique quantique. La théorie des cordes avait échoué dans sa tentative initiale de décrire la force forte, et beaucoup semblaient inutiles d’essayer de l’utiliser pour atteindre des objectifs encore plus ambitieux. Des études ultérieures plus détaillées ont été menées à la fin des années 1970 et au début des années 1980. ont montré que la théorie des cordes et la mécanique quantique ont leurs propres contradictions, quoique plus petites. Il semblait que la force gravitationnelle était à nouveau capable de résister à la tentative de l'intégrer dans une description de l'univers au niveau microscopique.
  C'était jusqu'en 1984. Dans un article historique résumant plus d'une décennie de recherches intensives qui avaient été largement ignorées ou rejetées par la plupart des physiciens, Green et Schwartz ont établi que l'incohérence mineure avec la théorie quantique qui tourmentait la théorie des cordes pouvait être autorisée. De plus, ils ont montré que la théorie résultante était suffisamment large pour couvrir les quatre types de forces et tous les types de matière. La nouvelle de ce résultat s'est répandue dans la communauté des physiciens, des centaines de physiciens des particules ayant arrêté de travailler sur leurs projets pour prendre part à un assaut qui semblait être la bataille théorique finale d'un assaut de plusieurs siècles contre les fondations les plus profondes de l'univers.
  Le succès de Word of Green et de Schwartz a finalement atteint même les étudiants diplômés de première année, et la morosité précédente a été remplacée par un sentiment passionnant de participation à un tournant de l'histoire de la physique. Beaucoup d’entre nous sont restés éveillés jusque tard dans la nuit, plongés dans les gros volumes de physique théorique et de mathématiques abstraites qui sont essentiels à la compréhension de la théorie des cordes.

  Si vous en croyez les scientifiques, alors nous-mêmes et tout ce qui nous entoure sommes constitués d'un nombre infini de micro-objets repliés mystérieux.
  Période de 1984 à 1986 maintenant connue comme « la première révolution dans la théorie des supercordes ». Au cours de cette période, plus d’un millier d’articles sur la théorie des cordes ont été rédigés par des physiciens du monde entier. Ces travaux ont démontré de manière concluante que les nombreuses propriétés du modèle standard, découvertes au cours de décennies de recherches minutieuses, découlent naturellement du magnifique système de la théorie des cordes. Comme Michael Green l’a noté : « Dès le moment où vous êtes initié à la théorie des cordes et où vous réalisez que presque toutes les avancées majeures en physique du siècle dernier ont découlé – et ont découlé avec une telle élégance – d’un point de départ aussi simple, cela démontre clairement l’incroyable puissance de cette théorie. »5 De plus, pour beaucoup de ces propriétés, comme nous le verrons ci-dessous, la théorie des cordes fournit une description beaucoup plus complète et satisfaisante que le modèle standard. Ces réalisations ont convaincu de nombreux physiciens que la théorie des cordes peut tenir ses promesses et devenir la théorie unificatrice finale.
  

  Projection bidimensionnelle d'une variété Calabi-Yau tridimensionnelle. Cette projection donne une idée de la complexité des dimensions supplémentaires.

  Cependant, tout au long de ce chemin, les physiciens travaillant sur la théorie des cordes se sont heurtés à de sérieux obstacles. En physique théorique, nous sommes souvent confrontés à des équations soit trop complexes à comprendre, soit difficiles à résoudre. Habituellement, dans une telle situation, les physiciens n'abandonnent pas et tentent d'obtenir une solution approximative à ces équations. La situation en théorie des cordes est beaucoup plus compliquée. Même la dérivation des équations elle-même s'est avérée si complexe que jusqu'à présent, seule une forme approximative a été obtenue. Ainsi, les physiciens travaillant en théorie des cordes se retrouvent dans une situation où ils doivent rechercher des solutions approximatives pour approximer des équations. Après plusieurs années de progrès étonnants réalisés lors de la première révolution des supercordes, les physiciens ont été confrontés au fait que les équations approximatives qu'ils utilisaient étaient incapables de répondre correctement à un certain nombre de questions importantes, entravant ainsi le développement ultérieur de la recherche. Sans idées concrètes pour aller au-delà de ces méthodes approximatives, de nombreux physiciens travaillant dans le domaine de la théorie des cordes ont éprouvé un sentiment de frustration croissant et sont revenus à leurs recherches antérieures. Pour ceux qui sont restés, fin des années 80 et début des années 90. ont été une période d’épreuve.

  La beauté et le pouvoir potentiel de la théorie des cordes attiraient les chercheurs comme un trésor doré enfermé en toute sécurité dans un coffre-fort, visible uniquement à travers un minuscule judas, mais personne ne possédait la clé qui libérerait ces forces endormies. La longue période de « sécheresse » a été interrompue de temps en temps par des découvertes importantes, mais il était clair pour tout le monde qu'il fallait de nouvelles méthodes qui iraient au-delà des solutions approximatives déjà connues.

  L'impasse s'est terminée par un discours époustouflant prononcé par Edward Witten en 1995 lors d'une conférence sur la théorie des cordes à l'Université de Californie du Sud, un discours qui a stupéfié une salle remplie à pleine capacité des plus grands physiciens du monde. Dans ce document, il dévoile un plan pour la prochaine étape de la recherche, ouvrant ainsi la voie à la « deuxième révolution de la théorie des supercordes ». Les théoriciens des cordes travaillent désormais énergiquement sur de nouvelles méthodes qui promettent de surmonter les obstacles qu’ils rencontrent.
  

  Pour une vulgarisation généralisée du TS, l’humanité devrait ériger un monument à Brian Greene, professeur à l’Université de Columbia. Son livre de 1999 « L’univers élégant. Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory » est devenu un best-seller et a remporté un prix Pulitzer. Le travail du scientifique a constitué la base d’une mini-série de vulgarisation scientifique avec l’auteur lui-même comme animateur – un fragment peut être vu à la fin du document (photo Amy Sussman/Université Columbia).

  

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  Essayons maintenant de comprendre au moins un peu l'essence de cette théorie.

  Commençons par le début. La dimension zéro est un point. Elle n'a pas de taille. Il n'y a nulle part où se déplacer, aucune coordonnée n'est nécessaire pour indiquer l'emplacement dans une telle dimension.

  Plaçons-en un deuxième à côté du premier point et traçons une ligne à travers eux. Voici la première dimension. Un objet unidimensionnel a une taille - longueur, mais pas de largeur ni de profondeur. Les déplacements dans un espace unidimensionnel sont très limités, car un obstacle survenant sur le chemin ne peut être évité. Pour déterminer l'emplacement sur ce segment, vous n'avez besoin que d'une seule coordonnée.

  Mettons un point à côté du segment. Pour adapter ces deux objets, nous aurons besoin d’un espace bidimensionnel avec une longueur et une largeur, c’est-à-dire une aire, mais sans profondeur, c’est-à-dire un volume. L'emplacement de n'importe quel point sur ce champ est déterminé par deux coordonnées.

  La troisième dimension apparaît lorsque nous ajoutons un troisième axe de coordonnées à ce système. Il est très facile pour nous, habitants de l'univers tridimensionnel, d'imaginer cela.

  Essayons d'imaginer comment les habitants d'un espace bidimensionnel voient le monde. Par exemple, ces deux hommes :

  Chacun d’eux verra son camarade ainsi :

  Et dans cette situation :

  Nos héros se verront ainsi :

  C'est le changement de point de vue qui permet à nos héros de se juger comme des objets bidimensionnels, et non comme des segments unidimensionnels.

  Imaginons maintenant qu'un certain objet volumétrique se déplace dans la troisième dimension, qui croise ce monde bidimensionnel. Pour un observateur extérieur, ce mouvement se traduira par un changement des projections bidimensionnelles de l'objet sur l'avion, comme un brocoli dans un appareil IRM :

  Mais pour un habitant de notre Flatland, une telle image est incompréhensible ! Il ne peut même pas l'imaginer. Pour lui, chacune des projections bidimensionnelles sera considérée comme un segment unidimensionnel de longueur mystérieusement variable, apparaissant dans un endroit imprévisible et disparaissant également de manière imprévisible. Les tentatives visant à calculer la longueur et le lieu d'origine de tels objets en utilisant les lois de la physique de l'espace bidimensionnel sont vouées à l'échec.

  Nous, habitants du monde tridimensionnel, voyons tout comme étant bidimensionnel. Seul le mouvement d'un objet dans l'espace permet de ressentir son volume. Nous verrons également tout objet multidimensionnel comme bidimensionnel, mais il changera de manière étonnante en fonction de notre relation avec lui ou du temps.

  De ce point de vue, il est intéressant de penser, par exemple, à la gravité. Tout le monde a probablement vu des images comme celle-ci :

  Ils décrivent généralement la façon dont la gravité courbe l’espace-temps. Ça se plie... où ? Exactement pas dans aucune des dimensions qui nous sont familières. UN tunnel quantique, c'est-à-dire la capacité d'une particule à disparaître à un endroit et à apparaître dans un endroit complètement différent, et derrière un obstacle à travers lequel dans nos réalités elle ne pourrait pas pénétrer sans y faire un trou ? Et les trous noirs ? Et si tous ces mystères et d’autres de la science moderne s’expliquaient par le fait que la géométrie de l’espace n’est pas du tout la même que celle que nous avons l’habitude de percevoir ?

  L'horloge tourne

  Le temps ajoute une autre coordonnée à notre Univers. Pour qu'une fête ait lieu, vous devez savoir non seulement dans quel bar elle aura lieu, mais aussi l'heure exacte de cet événement.

  D’après notre perception, le temps n’est pas tant une ligne droite qu’un rayon. Autrement dit, il a un point de départ et le mouvement s'effectue dans une seule direction - du passé vers le futur. De plus, seul le présent est réel. Ni le passé ni le futur n'existent, tout comme les petits-déjeuners et les dîners n'existent pas du point de vue d'un employé de bureau à l'heure du déjeuner.

  Mais la théorie de la relativité n’est pas d’accord avec cela. De son point de vue, le temps est une dimension à part entière. Tous les événements qui ont existé, existent et existeront sont également réels, tout comme la plage de la mer est réelle, quel que soit l'endroit exact où les rêves du bruit des vagues nous ont surpris. Notre perception est quelque chose comme un projecteur qui éclaire un certain segment sur une ligne droite du temps. L’humanité dans sa quatrième dimension ressemble à ceci :

  Mais nous ne voyons qu’une projection, une tranche de cette dimension à chaque instant individuel. Oui, oui, comme du brocoli dans un appareil IRM.

  Jusqu’à présent, toutes les théories fonctionnaient avec un grand nombre de dimensions spatiales, et la dimension temporelle était toujours la seule. Mais pourquoi l’espace autorise-t-il plusieurs dimensions, mais une seule fois ? Jusqu’à ce que les scientifiques puissent répondre à cette question, l’hypothèse de deux espaces temporels ou plus semblera très attrayante à tous les philosophes et écrivains de science-fiction. Et les physiciens aussi, et alors ? Par exemple, l’astrophysicien américain Itzhak Bars considère que la racine de tous les problèmes liés à la théorie du tout est la seconde dimension temporelle négligée. Comme exercice mental, essayons d'imaginer un monde à deux temps.

  Chaque dimension existe séparément. Cela s'exprime par le fait que si nous modifions les coordonnées d'un objet dans une dimension, les coordonnées dans d'autres peuvent rester inchangées. Ainsi, si vous vous déplacez le long d'un axe du temps qui en coupe un autre à angle droit, alors au point d'intersection, le temps s'arrêtera. En pratique, cela ressemblera à ceci :

  Tout ce que Neo avait à faire était de placer son axe temporel unidimensionnel perpendiculairement à l'axe temporel des balles. Une simple bagatelle, vous en conviendrez. En réalité, tout est bien plus compliqué.

  L’heure exacte dans un univers à deux dimensions temporelles sera déterminée par deux valeurs. Est-il difficile d’imaginer un événement en deux dimensions ? C’est-à-dire qui s’étend simultanément sur deux axes temporels ? Il est probable qu’un tel monde nécessiterait des spécialistes capables de cartographier le temps, tout comme les cartographes cartographient la surface bidimensionnelle du globe.

  Qu’est-ce qui distingue l’espace bidimensionnel de l’espace unidimensionnel ? La capacité de contourner un obstacle, par exemple. Cela dépasse complètement les limites de notre esprit. Un habitant d’un monde unidimensionnel ne peut pas imaginer ce que c’est que de franchir un cap. Et qu’est-ce que c’est – un angle dans le temps ? De plus, dans un espace bidimensionnel, vous pouvez voyager en avant, en arrière ou même en diagonale. Je n'ai aucune idée de ce que ça fait de traverser le temps en diagonale. Sans parler du fait que le temps est sous-jacent à de nombreuses lois physiques, et il est impossible d'imaginer comment la physique de l'Univers changera avec l'avènement d'une autre dimension temporelle. Mais c’est tellement excitant d’y penser !

  Très grande encyclopédie

  D'autres dimensions n'ont pas encore été découvertes et n'existent que dans modèles mathématiques. Mais vous pouvez essayer de les imaginer ainsi.

  Comme nous l’avons découvert plus tôt, nous voyons une projection tridimensionnelle de la quatrième dimension (temporelle) de l’Univers. En d’autres termes, chaque instant de l’existence de notre monde est un point (semblable à la dimension zéro) dans la période allant du Big Bang à la fin du monde.

  Ceux d’entre vous qui ont lu des articles sur le voyage dans le temps savent quel rôle important y joue la courbure du continuum espace-temps. Il s'agit de la cinquième dimension - c'est dans elle que l'espace-temps à quatre dimensions est « courbé » afin de rapprocher deux points de cette ligne. Sans cela, les déplacements entre ces points seraient trop longs, voire impossibles. En gros, la cinquième dimension est similaire à la seconde : elle déplace la ligne « unidimensionnelle » de l'espace-temps dans un plan « bidimensionnel » avec tout ce que cela implique sous la forme de la capacité de franchir un cap.

  Un peu plus tôt, nos lecteurs particulièrement philosophiques ont probablement réfléchi à la possibilité du libre arbitre dans des conditions où l'avenir existe déjà, mais n'est pas encore connu. La science répond à cette question de cette façon : les probabilités. L’avenir n’est pas un bâton, mais tout un balai de scénarios possibles. Nous découvrirons lequel se réalisera une fois sur place.

  Chacune des probabilités existe sous la forme d'un segment « unidimensionnel » sur le « plan » de la cinquième dimension. Quel est le moyen le plus rapide de passer d’un segment à un autre ? C'est vrai : pliez cet avion comme une feuille de papier. Où dois-je le plier ? Et encore une fois correctement - dans la sixième dimension, ce qui donne tout cela structure complexe"volume". Et ainsi, comme l’espace tridimensionnel, il est « terminé », un nouveau point.

  La septième dimension est une nouvelle ligne droite composée de « points » à six dimensions. Quel autre point sur cette ligne ? L'ensemble infini d'options pour le développement d'événements dans un autre univers, formé non pas à la suite du Big Bang, mais dans d'autres conditions et fonctionnant selon d'autres lois. Autrement dit, la septième dimension est constituée de perles provenant de mondes parallèles. La huitième dimension rassemble ces « lignes droites » en un seul « plan ». Et la neuvième peut être comparée à un livre qui contient toutes les « fiches » de la huitième dimension. C'est la totalité de toutes les histoires de tous les univers avec toutes les lois de la physique et toutes conditions initiales. Période encore.

  Ici, nous avons atteint la limite. Pour imaginer la dixième dimension, il nous faut une ligne droite. Et quel autre point pourrait-il y avoir sur cette ligne si la neuvième dimension couvre déjà tout ce qui peut être imaginé, et même ce qui est impossible à imaginer ? Il s’avère que la neuvième dimension n’est pas seulement un autre point de départ, mais le point final – du moins pour notre imagination.

  La théorie des cordes affirme que c'est dans la dixième dimension que vibrent les cordes, les particules de base qui composent tout. Si la dixième dimension contient tous les univers et toutes les possibilités, alors les cordes existent partout et tout le temps. Je veux dire, chaque chaîne existe à la fois dans notre univers et dans n'importe quel autre. À tout moment. Tout de suite. Cool, hein ?

  Physicien, spécialiste de la théorie des cordes. Il est connu pour ses travaux sur la symétrie miroir, liés à la topologie des variétés Calabi-Yau correspondantes. Connu du grand public comme auteur d’ouvrages de vulgarisation scientifique. Son univers élégant a été nominé pour un prix Pulitzer.

  En septembre 2013, Brian Greene est venu à Moscou à l'invitation du Musée polytechnique. Célèbre physicien, théoricien des cordes et professeur à l’Université de Columbia, il est principalement connu du grand public comme vulgarisateur scientifique et auteur du livre « The Elegant Universe ». Lenta.ru s'est entretenu avec Brian Greene sur la théorie des cordes et les difficultés récentes auxquelles cette théorie a été confrontée, ainsi que sur la gravité quantique, l'amplituèdre et le contrôle social.

  Littérature en russe : Kaku M., Thompson J.T. « Au-delà d'Einstein : les supercordes et la quête de la théorie finale » et ce que c'était L'article original est sur le site InfoGlaz.rf Lien vers l'article à partir duquel cette copie a été réalisée -

  Théorie des supercordes, langue populaire, représente l'univers comme un ensemble de fils vibrants d'énergie - des cordes. Ils sont la base de la nature. L'hypothèse décrit également d'autres éléments : les branes. Toute matière dans notre monde est constituée de vibrations de cordes et de branes. Une conséquence naturelle de cette théorie est la description de la gravité. C’est pourquoi les scientifiques pensent qu’elle détient la clé pour unifier la gravité avec d’autres forces.

  Le concept évolue

  Théorie champ unique, la théorie des supercordes, est purement mathématique. Comme tous les concepts de physique, il repose sur des équations qui peuvent être interprétées de certaines manières.

  Aujourd’hui, personne ne sait exactement quelle sera la version finale de cette théorie. Les scientifiques ont une idée assez vague de​​ses éléments généraux, mais personne n’a encore trouvé d’équation finale qui couvrirait toutes les théories des supercordes, et il n’a pas encore été possible de la confirmer expérimentalement (même si cela a également été réfutée). Les physiciens ont créé des versions simplifiées de l'équation, mais jusqu'à présent, elle ne décrit pas complètement notre univers.

  Théorie des supercordes pour les débutants

  L’hypothèse repose sur cinq idées clés.

  1. La théorie des supercordes prédit que tous les objets de notre monde sont composés de fils vibrants et de membranes d'énergie.
  2. Il tente de combiner la relativité générale (gravité) avec physique quantique.
  3. La théorie des supercordes rassemblera tout forces fondamentales univers.
  4. Cette hypothèse prédit une nouvelle connexion, la supersymétrie, entre deux différents types particules, bosons et fermions.
  5. Le concept décrit un certain nombre de dimensions supplémentaires, généralement inobservables, de l'Univers.

  Cordes et branes

  Lorsque la théorie a émergé dans les années 1970, les fils d’énergie qu’elle contenait étaient considérés comme des objets unidimensionnels – des cordes. Le mot « unidimensionnel » signifie que la chaîne n'a qu'une seule dimension, la longueur, contrairement, par exemple, à un carré, qui a une longueur et une hauteur.

  La théorie divise ces supercordes en deux types : fermées et ouvertes. Une chaîne ouverte a des extrémités qui ne se touchent pas, tandis qu'une chaîne fermée est une boucle sans extrémités ouvertes. De ce fait, il a été constaté que ces chaînes, appelées chaînes de type 1, sont soumises à 5 principaux types d’interactions.

  Les interactions reposent sur la capacité de la chaîne à connecter et séparer ses extrémités. Puisque les extrémités des cordes ouvertes peuvent se combiner pour former des cordes fermées, il est impossible de construire une théorie des supercordes qui n’inclut pas les cordes en boucle.

  Cela s’est avéré important car les cordes fermées ont des propriétés qui, selon les physiciens, pourraient décrire la gravité. En d’autres termes, les scientifiques ont réalisé qu’au lieu d’expliquer les particules de matière, la théorie des supercordes pouvait décrire leur comportement et leur gravité.

  Au fil des années, on a découvert qu’en plus des cordes, la théorie nécessitait également d’autres éléments. Ils peuvent être considérés comme des feuilles ou des branes. Les cordes peuvent être attachées d’un côté ou des deux.

  

  La gravité quantique

  La physique moderne repose sur deux lois scientifiques fondamentales : la relativité générale (GTR) et le quantique. Ils représentent absolument différents domaines science. La physique quantique étudie les plus petites particules naturelles et la relativité générale décrit généralement la nature à l'échelle des planètes, des galaxies et de l'univers dans son ensemble. Les hypothèses qui tentent de les unifier sont appelées théories de la gravité quantique. Le plus prometteur d’entre eux aujourd’hui est l’instrument à cordes.

  Les fils fermés correspondent au comportement de la gravité. Ils possèdent notamment les propriétés d’un graviton, une particule qui transfère la gravité entre les objets.

  Unir nos forces

  La théorie des cordes tente de combiner les quatre forces – la force électromagnétique, les forces nucléaires fortes et faibles et la gravité – en une seule. Dans notre monde, ils se manifestent sous la forme de quatre phénomènes différents, mais les théoriciens des cordes pensent qu'au début de l'Univers, alors qu'ils étaient incroyablement niveaux élevésénergie, toutes ces forces sont décrites par des cordes interagissant les unes avec les autres.

  

  Supersymétrie

  Toutes les particules de l'univers peuvent être divisées en deux types : les bosons et les fermions. La théorie des cordes prédit qu’il existe entre eux une relation appelée supersymétrie. En supersymétrie, pour chaque boson il doit y avoir un fermion et pour chaque fermion un boson. Malheureusement, l’existence de telles particules n’a pas été confirmée expérimentalement.

  La supersymétrie est une relation mathématique entre les éléments d'équations physiques. Elle a été découverte dans une autre branche de la physique et son application a conduit à sa rebaptisation théorie des cordes supersymétriques (ou théorie des supercordes, dans le langage populaire) au milieu des années 1970.

  L’un des avantages de la supersymétrie est qu’elle simplifie grandement les équations en éliminant certaines variables. Sans supersymétrie, les équations conduisent à des contradictions physiques telles que des valeurs infinies et imaginaires

  Puisque les scientifiques n’ont pas observé les particules prédites par la supersymétrie, cela reste une hypothèse. De nombreux physiciens pensent que la raison en est le besoin d'une quantité importante d'énergie, associée à la masse. équation connue Einstein E = mc 2. Ces particules ont peut-être existé dans l'univers primitif, mais à mesure qu'il se refroidissait et que l'énergie se propageait après le Big Bang, ces particules se sont déplacées vers des niveaux d'énergie inférieurs.

  En d’autres termes, les cordes, qui vibraient comme des particules à haute énergie, ont perdu de l’énergie, les transformant en éléments à vibrations plus faibles.

  Les scientifiques espèrent que des observations astronomiques ou des expériences avec des accélérateurs de particules confirmeront la théorie en identifiant certains des éléments supersymétriques de plus haute énergie.

  

  Dimensions supplémentaires

  Une autre implication mathématique de la théorie des cordes est qu’elle a du sens dans un monde à plus de trois dimensions. Il y a actuellement deux explications à cela :

  1. Les dimensions supplémentaires (six d’entre elles) se sont effondrées ou, dans la terminologie de la théorie des cordes, compactées en des tailles incroyablement petites qui ne seront jamais perçues.
  2. Nous sommes coincés dans une brane tridimensionnelle, et d’autres dimensions s’étendent au-delà et nous sont inaccessibles.

  Un domaine de recherche important parmi les théoriciens est modélisation mathématique comment ces coordonnées supplémentaires peuvent être liées aux nôtres. Les derniers résultats prédisent que les scientifiques seront bientôt en mesure de détecter ces dimensions supplémentaires (si elles existent) dans les expériences à venir, car elles pourraient être plus grandes que prévu.

  Comprendre l'objectif

  L’objectif poursuivi par les scientifiques lorsqu’ils étudient les supercordes est une « théorie du tout », c’est-à-dire une hypothèse physique unique qui décrit tout à un niveau fondamental. réalité physique. En cas de succès, cela pourrait clarifier de nombreuses questions sur la structure de notre univers.

  Expliquer la matière et la masse

  L’une des tâches principales de la recherche moderne est de trouver des solutions aux particules réelles.

  La théorie des cordes a commencé comme un concept décrivant des particules telles que les hadrons par divers états vibratoires supérieurs d'une corde. Dans la plupart des formulations modernes, la matière observée dans notre univers est le résultat des vibrations énergétiques les plus basses des cordes et des branes. Des vibrations plus élevées génèrent des particules à haute énergie qui n’existent actuellement pas dans notre monde.

  Leur masse est une manifestation de la façon dont les cordes et les branes sont enveloppées dans des dimensions supplémentaires compactées. Par exemple, dans le cas simplifié d'être plié en forme de beignet, appelé tore par les mathématiciens et les physiciens, la corde peut s'enrouler autour de cette forme de deux manières :

  • courte boucle passant par le milieu du tore ;
  • une longue boucle autour de toute la circonférence extérieure du tore.

  Une boucle courte sera une particule légère et une boucle longue sera une particule lourde. Lorsque les cordes sont enroulées autour de dimensions compactées en forme de tore, de nouveaux éléments avec des masses différentes sont formés.

  

  La théorie des supercordes explique brièvement et clairement, simplement et élégamment la transition de la longueur à la masse. Les dimensions pliées ici sont bien plus complexes qu'un tore, mais en principe elles fonctionnent de la même manière.

  Il est même possible, bien que difficile à imaginer, que la corde s'enroule autour du tore dans deux directions en même temps, ce qui donnerait une particule différente avec une masse différente. Les branes peuvent également envelopper des dimensions supplémentaires, créant ainsi encore plus de possibilités.

  Définition de l'espace et du temps

  Dans de nombreuses versions de la théorie des supercordes, les mesures s’effondrent, les rendant inobservables au niveau technologique actuel.

  On ne sait pas encore si la théorie des cordes peut expliquer la nature fondamentale de l’espace et du temps plus loin qu’Einstein. Dans ce document, les mesures constituent un arrière-plan pour l'interaction des cordes et n'ont aucune signification réelle indépendante.

  Des explications ont été proposées, pas complètement développées, concernant la représentation de l'espace-temps comme dérivée de la somme totale de toutes les interactions de cordes.

  Cette approche ne correspond pas aux idées de certains physiciens, qui ont conduit à critiquer l'hypothèse. La théorie concurrentielle utilise la quantification de l’espace et du temps comme point de départ. Certains pensent qu’en fin de compte, il s’agira simplement d’une approche différente de la même hypothèse de base.

  Quantification gravitationnelle

  La principale réalisation de cette hypothèse, si elle est confirmée, sera la théorie quantique de la gravité. La description actuelle dans la Relativité Générale n'est pas d'accord avec la physique quantique. Cette dernière, en imposant des restrictions sur le comportement des petites particules, conduit à des contradictions lorsqu’on tente d’explorer l’Univers à des échelles extrêmement petites.

  Unification des forces

  Actuellement, les physiciens connaissent quatre forces fondamentales : la gravité, l'électromagnétique, les interactions nucléaires faibles et fortes. De la théorie des cordes, il s’ensuit qu’elles étaient toutes autrefois des manifestations d’une seule.

  Selon cette hypothèse, à mesure que l’univers primitif se refroidissait après le Big Bang, cette interaction unique a commencé à se diviser en différentes interactions qui opèrent aujourd’hui.

  Des expériences à haute énergie nous permettront un jour de découvrir l’unification de ces forces, même si de telles expériences dépassent de loin le développement technologique actuel.

  Cinq options

  Depuis la révolution des supercordes de 1984, le développement s'est poursuivi à un rythme effréné. En conséquence, au lieu d'un concept, il y en avait cinq, appelés types I, IIA, IIB, HO, HE, dont chacun décrivait presque complètement notre monde, mais pas complètement.

  Les physiciens, examinant les versions de la théorie des cordes dans l’espoir de trouver une vraie formule universelle, ont créé 5 versions différentes autosuffisantes. Certaines de leurs propriétés reflétaient la réalité physique du monde, d’autres ne correspondaient pas à la réalité.

  

  Théorie M

  Lors d'une conférence en 1995, le physicien Edward Witten a proposé une solution audacieuse au problème des cinq hypothèses. Sur la base de la dualité récemment découverte, ils sont tous devenus des cas particuliers d’un seul concept global, appelé théorie M des supercordes par Witten. L'un de ses concepts clés était les branes (abréviation de membrane), des objets fondamentaux à plus d'une dimension. Bien que l'auteur n'ait pas proposé de version complète, qui n'existe toujours pas, la théorie M des supercordes comprend brièvement les caractéristiques suivantes :

  • 11 dimensions (10 dimensions spatiales plus 1 dimension temporelle) ;
  • des dualités qui conduisent à cinq théories expliquant la même réalité physique ;
  • Les branes sont des chaînes à plus d'une dimension.

  Conséquences

  En conséquence, au lieu d’une seule, 10 500 solutions ont émergé. Pour certains physiciens, cela a provoqué une crise, tandis que d'autres ont accepté le principe anthropique, qui explique les propriétés de l'univers par notre présence en lui. Il reste à voir que les théoriciens trouveront une autre façon d’aborder la théorie des supercordes.

  Certaines interprétations suggèrent que notre monde n’est pas le seul. Les versions les plus radicales admettent l’existence d’un nombre infini d’univers, dont certains contiennent des copies exactes du nôtre.

  La théorie d'Einstein prédit l'existence d'un espace effondré appelé trou de ver ou pont Einstein-Rosen. Dans ce cas, deux zones distantes sont reliées par un court passage. La théorie des supercordes permet non seulement cela, mais aussi la connexion de points distants de mondes parallèles. Il est même possible de passer d’un univers à l’autre avec des lois physiques différentes. Cependant, il est probable que la théorie quantique de la gravité rendra leur existence impossible.

  

  De nombreux physiciens pensent que le principe holographique, lorsque toutes les informations contenues dans un volume d'espace correspondent aux informations enregistrées à sa surface, permettra d'approfondir la compréhension de la notion de fils énergétiques.

  Certains pensent que la théorie des supercordes autorise plusieurs dimensions du temps, ce qui pourrait conduire à les parcourir.

  De plus, l’hypothèse offre une alternative au modèle du big bang, dans lequel notre univers a été créé par la collision de deux branes et passe par des cycles répétés de création et de destruction.

  Le destin ultime de l'univers a toujours occupé les physiciens, et la version finale de la théorie des cordes aidera à déterminer la densité de la matière et la constante cosmologique. Connaissant ces valeurs, les cosmologistes pourront déterminer si l’univers va rétrécir jusqu’à exploser, pour que tout recommence.

  Personne ne sait à quoi cela pourrait conduire jusqu’à ce qu’il soit développé et testé. Einstein, ayant écrit l'équation E=mc 2, n'a pas supposé qu'elle conduirait à l'apparition armes nucléaires. Les créateurs de la physique quantique ne savaient pas que celle-ci deviendrait la base de la création de lasers et de transistors. Et même si l’on ne sait pas encore à quoi aboutira un concept aussi purement théorique, l’histoire suggère qu’il en résultera certainement quelque chose d’exceptionnel.

  Vous pouvez en savoir plus sur cette hypothèse dans le livre d'Andrew Zimmerman, Superstring Theory for Dummies.