La théorie des cordes est la candidate la plus connue pour une théorie du tout – un cadre mathématique qui fusionnerait le monde du très petit, décrit par mécanique quantiqueet le très grand, tel que décrit par Albert Einstein théorie générale de la relativité.
Jusqu’à présent, ces deux théories ne s’accordent pas, et le problème vient de pesanteur. Dans une tentative d’intégrer la gravité (qui est faible aux petites échelles où les trois autres forces fondamentales sont fortes) théorie des cordes postule que l’univers est constitué de minuscules cordes unidimensionnelles dont les vibrations produisent les particules que nous voyons.
Le problème est que bon nombre des prédictions de la théorie des cordes, comme l’existence d’un énorme éventail d’univers possibleset celui dans lequel nous vivons être un hologramme projetés depuis les confins de l’univers, sont jusqu’ici restés obstinément invérifiables. Cela a conduit Peter Woit, un ardent critique de la théorie, à l’accuser de n’avoir « même pas tort ».
Mais sa description est-elle juste ? Pour discuter de la théorie des cordes, de ses implications pour notre univers, des domaines dans lesquels elle pourrait être testée et des contributions qu’elle a déjà apportées aux mathématiques et aux sciences, nous nous sommes entretenus avec Marika Taylor à la Comment la lumière entre Festival à Londres. Taylor est vice-chancelière adjointe et directrice du Collège d’ingénierie et de sciences physiques à l’Université de Birmingham au Royaume-Uni. Ses recherches portent sur l’utilisation de la théorie des cordes et des observations de trous noirs pour construire une théorie de la gravité quantique. Voici ce qu’elle avait à dire :
Ben Turner : Qu’est-ce que la théorie des cordes et pourquoi est-elle importante ?
Marika Taylor : La théorie des cordes est une théorie qui unifie toutes les forces de la nature, et permettrait de décrire la force de gravité.
Pourquoi est-ce important ? Eh bien, je veux dire, tout d’abord, on pourrait dire que l’humanité, depuis la nuit des temps, essaie de décrire le monde naturel qui nous entoure. C’est ce qui a poussé les gens dès les premiers temps à écrire des descriptions du monde naturel. En un sens, c’est l’étape ultime, la théorie du tout.
Il y a donc la curiosité humaine qui motive cela. Mais il existe de nombreuses observations, phénomènes physiques, que nous ne pouvons pas réellement expliquer à l’aide des théories existantes. Et cela nous pousse à créer une théorie ultime qui explique tout.
BT : Alors, quels sont les postulats clés de la théorie des cordes ? Et en quoi diffère-t-elle de, disons, la relativité générale ?
MT : Un postulat de base pour nous est que la théorie doit se réduire aux théories connues et réussies dans les domaines (elles s’appliquent). Il faut donc se ramener à la théorie d’Einstein, où la théorie d’Einstein fonctionne très bien.
Mais à un niveau plus fondamental, je pense que certains des postulats seraient qu’il s’agit d’une théorie dans laquelle l’évolution temporelle est prévisible. Donc, si vous connaissez l’état de l’univers à un moment donné, cela devrait déterminer de manière unique l’état de l’univers plus tard.
Au-delà de cela, il est difficile de décrire la théorie des cordes car, dans un certain sens, il ne s’agit pas d’une seule théorie, mais plutôt d’un paysage. Ainsi, dans certains régimes, vous pouvez empiler des postulats en termes de comportement réel des chaînes. Le postulat fondamental est que chaque particule est en fait une petite corde et qu’à différentes excitations, les boucles (de ces cordes) correspondent à différentes particules.
BT : Pourquoi y a-t-il tant de théories des cordes différentes ?
MT : C’est parce qu’il existe différentes manières de voir les mêmes phénomènes physiques. Au cours des 20 à 30 dernières années, on entendait souvent l’expression dualité (sur le terrain). Ce mot reflète le fait qu’il existe des descriptions alternatives des mêmes phénomènes physiques.
Nous pensions que les forces de gravité et la physique des particules étaient conceptuellement différentes. Nous voyons maintenant qu’en réalité, vous pourriez avoir le même genre de phénomènes où, selon l’ampleur du problème et les pas de temps que vous examinez, ils peuvent être interchangeables.
BT : Peu après avoir publié sa théorie de la relativité générale, Einstein a proposé que les scientifiques ont réalisé. Pourquoi les théories des cordes n’ont-elles pas produit des tests similaires ?
MT : Je pense donc que cela nous ramène à la question de savoir où (nous pouvons trouver) une théorie unifiée de la gravité et de la physique des particules. Et les deux domaines clés que nous devons examiner sont, premièrement, le tout premier univers – dix puissance (puissance) moins 30 secondes – et deuxièmement, la surface et l’intérieur de l’Univers. trous noirs.
La majeure partie de l’univers est bien décrite uniquement par les théories existantes, il est donc beaucoup plus difficile aujourd’hui d’obtenir des preuves expérimentales. Mais je pense aussi qu’il est important de se rappeler que, presque immédiatement après qu’il l’ait écrit, les gens ont réalisé que la théorie d’Einstein prédisait ondes gravitationnelles. Mais comme ils provoquent des effets si minimes qu’ils sont difficiles à repérer, ils n’ont été détectés que 100 ans plus tard.
BT : Certains théoriciens des cordes ont fait remarquer que pour démontrer l’existence d’une corde, il faudrait construire un accélérateur de particules de la taille d’une galaxie ou plus. Sommes-nous vraiment si loin ? Ou pouvons-nous être plus intelligents quant à l’endroit où nous regardons ?
MT : Oui, je pense que cela dépend de notre intelligence en matière de tests, car il est clair que personne ne construira un accélérateur de particules aussi gros.
À l’époque où j’étais étudiant, il y a 28 ans, les gens n’auraient pas cru que nous pouvions atteindre un niveau de précision aussi élevé. imagerie des surfaces de trous noirs (que nous avons). Nous ne devrions donc pas chercher à le faire à l’aide d’un collisionneur de particules, nous devrions nous tourner vers l’univers lui-même, car il effectue déjà ces collisions (de particules) pour nous.
Au cours des prochaines décennies, nous obtiendrons de plus en plus d’informations sur les collisions de trous noirs. C’est un phénomène vraiment dramatique. La collision entre deux trous noirs observée par le LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) détecteur (et pour lequel le prix Nobel a été attribué) a libéré trois fois toute l’énergie du soleil — non pas l’énergie qui nous traverse en une minute ou un jour, mais toute l’énergie.
À mesure que nous commençons à obtenir de plus en plus de données sur ces fusions et à les visualiser de manière plus détaillée, c’est ainsi que nous pouvons rechercher une nouvelle physique intéressante.
BT : Et, avec le (Laser Interferometer Space Antenna), les détecteurs d’ondes gravitationnelles sont sur le point de devenir beaucoup plus sensibles. Est-ce que cela nous aidera à mieux étudier les fusions ?
MT : LISA est beaucoup plus sensible aux ondes gravitationnelles produites dans l’univers primitif. Avec LIGO, vous ne les verriez pas car ils sont sur les mauvaises longueurs d’onde. Ce sera donc intéressant.
LISA verra également beaucoup plus de détails sur les trous noirs super lourds au centre des galaxies. Ceux-ci sont associés aux graines à partir desquelles les galaxies se sont formées pour la première fois. Encore une fois, cela nous donnera beaucoup plus d’informations.
BT : Outre les trous noirs, vous avez mentionné qu’il pourrait également y avoir des signes dans l’univers primitif. Que peut-on y chercher ?
MT : Eh bien, les gens espèrent que dans le fond cosmique des micro-ondes, qui a été imagé avec une très haute précision, il pourrait y avoir des signaux fumants pour les effets de la théorie des cordes.
Cela ne semble pas être le cas. Il se pourrait qu’il y ait des caractéristiques provenant de particules existant dans certains groupes selon la théorie des cordes. Ils les ont calculés et ont constaté que les effets étaient probablement trop faibles pour être visibles dans le fond des micro-ondes.
Mais il existe d’autres façons d’observer la cosmologie : le fond micro-ondes n’est qu’un instantané, un instant dans le temps. Les gens souhaitent mesurer d’autres choses. Il existe une cosmologie de 21 centimètres (la ligne de 21 cm d’hydrogène atomique décalée vers le rouge) que vous pouvez mesurer sur une série de temps. Ce n’est pas seulement un instantané, c’est comme un film. Cela pourrait potentiellement contenir plus d’informations nous permettant de cerner les prochaines générations d’expériences.
BT : Une partie de vos recherches consiste à examiner comment les trous noirs se comportent de manière similaire aux ordinateurs quantiques. Pour un profane, cela peut ressembler à un pas de géant sur le plan conceptuel. Comment les deux sont-ils liés ?
MT : Les détails de son fonctionnement sont certainement encore à l’étude. Mais un trou noir se comporte comme un trou noir très efficace ordinateur quantique. Si vous y jetez quelque chose, cet objet est stocké à l’intérieur du trou noir comme s’il se trouvait sur le disque dur d’un ordinateur quantique. Et l’évaporation d’un trou noir s’apparente à un processus informatique quantique.
Il faut considérer la surface d’un trou noir comme étant comme les disques intelligents d’un ordinateur quantique. Les gens ont du mal à conceptualiser cela, car nous sommes tellement habitués à voir les disques durs des ordinateurs comme des objets plats que nous ne voulons pas les voir comme de gros objets sphériques. Mais pensez simplement que vous stockez des informations sur cette surface. Et lorsque je jette quelque chose dans un trou noir, cela s’imprime sur un disque dur. C’est comme faire une opération.
BT : Donc si quelqu’un tombait dans un trou noir, il serait étiré jusqu’à se déchirer, puis il serait classé sur ces qubits ?
MT : Ouais, c’est vrai.
BT : C’est une façon unique de procéder. Nous en avons parlé plus tôt avec les détecteurs d’ondes gravitationnelles, mais combien de temps faudra-t-il avant que nous obtenions des avancées fondamentales sur le plan expérimental de tout cela ?
MT : Je pense que cela dépend si vous voulez quelque chose qui soit une preuve irréfutable de toute la théorie, ou si vous souhaitez en explorer certains aspects.
Certes, les gens font des expériences qui révèlent des choses auxquelles vous n’aviez tout simplement pas pensé, (comme) la façon dont les trous noirs se comportent comme des ordinateurs quantiques. En holographie, les trous noirs sont décrits par des théories qui n’ont pas de gravité. Vous pouvez réellement les simuler en laboratoire.
Sur la question plus vaste, disons que nous voulons connaître la forme des dimensions supplémentaires de la théorie des cordes, le délai sur lequel nous pouvons faire des expériences est évidemment plus long. Mais je pense qu’il incombe aux théoriciens de faire preuve d’intelligence à ce sujet.
Je le relie également aux grandes théories que nous avons, comme la constante cosmologique ou l’énergie noire. Si vous pouvez finalement dire que la théorie des cordes prédit quelque chose comme l’énergie noire, pouvons-nous alors prédire la théorie des cordes à travers cela ? Parce que nous n’avons aucune autre explication à l’énergie noire.
Je suis très prudent et je ne pense pas que les gens devraient faire des promesses excessives. Mais je pense que ce n’est pas parce qu’on ne peut pas le mesurer expérimentalement que les gens ne peuvent pas l’étudier.
BT : Disons que nous nous sommes réveillés demain et qu’il y avait des preuves irréfutables que la théorie des cordes était fausse. Existe-t-il d’autres théories alternatives que vous trouvez convaincantes ? Ou est-ce vraiment le dominant ?
MT : La théorie des cordes est un ensemble d’idées de physique fondamentale. Je pense qu’il est très peu probable qu’il y ait une preuve irréfutable affirmant que tout cela était faux. Cela dirait que certains aspects étaient erronés, puis vous vous concentreriez sur les éléments qui restent.
Je pense qu’il est vraiment important d’explorer les idées dans toutes les directions. Mais en ce qui concerne les théories alternatives de la gravité quantique, il n’y a pas de véritable concurrent.
Note de l’éditeur : cette interview a été éditée et condensée pour plus de clarté.
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