Théorie des cordes - Définition et Explications

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Introduction

Les niveaux de grossissements : monde macroscopique, monde moléculaire, monde atomique, monde subatomique, monde des cordes.

La théorie des cordes est l'une des voies envisagées pour régler une des questions majeures de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) théorique : fournir une description de la gravité quantique (La gravité quantique est la branche de la physique théorique tentant d'unifier la mécanique quantique et la relativité générale.) c'est-à-dire l'unification (Le concept d'unification est une notion centrale de la logique des prédicats ainsi que d'autres systèmes de logique et est sans doute ce qui distingue le plus Prolog des autres langages de programmation.) de la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de décrire les phénomènes fondamentaux à l'œuvre dans les systèmes physiques, plus...) (inévitable pour décrire la physique aux petites échelles) et de la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant théorique qu'expérimental.) générale (nécessaire pour décrire la gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction réciproque des corps massifs entre eux, sous l'effet de leur masse. Il s'observe au quotidien en...) de manière relativiste).

La principale particularité de la théorie des cordes (La théorie des cordes est l'une des voies envisagées pour régler une des questions majeures de la physique théorique : fournir une description de la gravité quantique...) est que son ambition ne s'arrête pas à cette réconciliation, mais qu'elle prétend réussir à unifier les quatre interactions élémentaires connues, on parle de théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.).

La théorie des cordes a obtenu des premiers résultats partiels prometteurs. Dans le cadre de la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes...) des trous noirs elle permet de reproduire la formule de Bekenstein et Hawking pour l'entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite en 1865 par Rudolf Clausius dans le cadre du deuxième principe, d'après les travaux de Sadi Carnot....) des trous noirs. Elle possède également une richesse mathématique notable : en particulier, elle a permis de découvrir la symétrie miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique...) en géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...).

Présentation élémentaire du problème

La physique repose aujourd'hui sur deux grandes théories. La relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une...) est une théorie de la gravitation qui décrit le monde (Le mot monde peut désigner :) à l'échelle des distances astronomiques, monde calme, prévisible. À l'opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits...), la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce...) quantique décrit le monde des particules dites élémentaires qui, par comparaison avec le monde sensible, paraît agité et imprévisible.

Chacune de ces deux théories a conduit à des succès impressionnants dans son propre domaine mais la différence profonde évoquée ci-dessus est à l'origine d'incohérences dans leur application conjointe. Certains physiciens ont donc adopté une attitude pragmatique : utilisons chaque outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la...) dans son domaine de validité sans nous poser de problèmes peut-être insolubles.

Il reste que certains phénomènes impliquent les deux échelles. Ainsi, un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (à l'exception notable de...) a un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) gravitationnel tel qu'il attire tout ce qui passe à sa portée, y compris la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm...), ce qui implique la relativité générale. Pour tenter de décrire la nature de la « matière » dont il est constitué, il faut faire appel à la mécanique quantique ou à une théorie qui l'englobe. Les premiers instants du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la décrivent, sans que cela...) posent un problème analogue, au moins à première vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.). Les théories des cordes tentent de décrire de tels phénomènes. L'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) élégant de Brian Greene donne à ce sujet des précisions à l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) des non-spécialistes.

Outre les controverses fondamentales évoquées ci-après, les théories des cordes présentent un inconvénient pratique, leur complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie...) extrême qui ne permet pas, à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent...), d'aboutir à des résultats utilisables sans approximations grossières.

Histoire de la théorie des cordes

Au cours des années 60, le comportement des hadrons est toujours un mystère pour la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.). Les diverses études réalisées au sein des accélérateurs de particules contredisent toutes les hypothèses formulées et c'est en 1968 que le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot...) Gabriele Veneziano tente d'utiliser la fonction bêta d'Euler pour expliquer la relation entre le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même...) des électrons et leur énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Ces travaux sont suivis et améliorés dans les années suivantes mais toujours sans aboutir à une explication probante. En 1973, une nouvelle théorie apparaît, la chromodynamique quantique (La chromodynamique quantique, acronyme QCD de l'anglais Quantum ChromoDynamics, est une théorie physique qui décrit l’interaction forte, l’une des forces fondamentales. Elle fut proposée en...) (abrégée QCD pour Quantum ChromoDynamics), dont les résultats s'avèrent si probants qu'ils se voient intégrés au modèle standard et apporte le prix Nobel à ses auteurs en 2004. Bien qu'elle ne fournisse pas toutes les réponses aux questions des physiciens, la QCD est toujours valide de nos jours (2010). Par contre elle n'invalide pas non plus la théorie des cordes dont les recherches continuent.

En 1984, par une prouesse technique remarquable, Michael B. Green et John H. Schwarz démontrent l'absence d'anomalies de jauge ( En tant qu'instrument de mesure : Une jauge est un instrument de mesure. On trouve par exemple : La jauge de contrainte, traduisant un effort...) ou gravitationnelle dans la théorie de cordes de type I qui est une théorie chirale de même que le modèle standard. Ce travail offre pour la première fois la perspective d'obtenir une phénoménologie réaliste à partir de cordes. L'impact a été si important dans la communauté de la physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme mathématique.) que le terme de révolution a été adopté pour décrire la période de développement très rapide qui s'en est suivi.

Au milieu des années 1990, un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de ponts ou dualités sont découverts entre les différentes théories de cordes. En 1995 le physicien Edward Witten (Edward Witten (né en 1951) est un physicien mathématique américain, professeur Charles Simonyi de physiques mathématiques à l'Institute for Advanced Study de Princeton, dans le New Jersey.) suggère que ces dualités sont la contrepartie de l'existence d'une théorie plus fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.), appelée théorie M (La théorie M est une théorie élaborée par Edward Witten qui a pour but d'unifier les cinq théories des cordes.) réunissant de façon continue les différentes théories des cordes qui sont alors obtenues dans certaines limites de son espace des paramètres (appelé espace de modules). Cette période d'intense activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) dans le domaine lui a valu le nom de seconde révolution des cordes.

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