a) La théorie des cordes

La théorie des cordes est la plus grande des théories tentant d’unifier gravitation et mécanique quantique. Selon cette théorie, les particules ne seraient pas des points sans dimensions, comme on le pensait jusqu’alors, mais de minuscules cordes, dont la taille serait d’environ 10 -35 m (longueur de Planck), et qui différeraient par leurs vibrations, comme les différentes cordes d’une guitare vibrent différemment. Chaque vibration représenterait un certain niveau d’énergie.

L’un des avantages de la théorie des cordes est qu’elle empêche les "problèmes d’infini" qui apparaissent pour les particules ponctuelles. En un point théorique, on trouve facilement des valeurs qui sont infinies, tandis que sur une corde, ces valeurs sont réelles.

Elle est apparue à l’origine afin de décrire le maintien des quarks dans les hadrons. Veneziano avait suggéré en 1968 que des minuscules cordes jouaient le rôle de ressorts entre les quarks afin de les maintenir confinés dans les hadrons. Cette théorie fut abandonnée pour décrire ce phénomène (elle a été remplacée par la chromodynamique quantique: les couleurs des quarks), mais elle réapparut grâce à Schwarz et Scherk, qui montrèrent que des cordes fermées se comportaient comme des particules de masse nulle et de spin 2, c'est-à-dire comme le boson hypothétique responsable de la gravitation: le graviton. Ainsi, la théorie des cordes contiendrait la gravitation de manière "innée".

Malgré cela, la théorie des cordes n’est pas à la base une théorie relativiste. Les physiciens ont donc tenté d’en faire une théorie relativiste, et cette nouvelle théorie qui en découle est la théorie des supercordes. Ce nom vient du fait qu’elle prend en compte les dernières théories sur la symétrie, dont la théorie nommée supersymétrie est abréviée en "SUSY". Cette théorie distingue deux types de cordes: les cordes "ouvertes" et les cordes "fermées". Les supercordes fermées sont les gravitons.

La théorie des cordes ne se limite pas à des objets à une dimension. Certains physiciens ont constaté que si notre univers possédait plus que les quatre dimensions habituelles (trois d’espace et une de temps), la relativité générale et la mécanique quantique parviendraient à s’unifier très facilement. En fait, il faudrait que l’espace-temps ait 11 dimensions (7 d’espace en plus de celles connues). Cette idée peut paraître inimaginable, mais certains physiciens ont montré que ces dimensions supplémentaires étaient enroulées sur elles-mêmes à de très petites échelles (à l'échelle de Planck, c'est à dire 10-35 m), ce qui explique qu’on ne les détecte pas. On peut comprendre ce phénomène grâce à l’analogie suivante:

Ce modèle à plusieurs dimensions est nommé "modèle de Kaluza-Klein", qui furent les premiers, en essayant d’unifier l’électromagnétisme et la gravitation dans les années 20, à proposer de "rajouter" des dimensions de la taille des supercordes. Ainsi, les particules "voient" l’univers tel qu’il serait réellement: avec 11 dimensions. A cela viennent s’ajouter des objets à plusieurs dimensions: les p-branes. Ce sont des composants de l’espace-temps à une ou plusieurs dimensions (en fait, le "p" désigne le nombre de dimensions: une 0-brane est un point, une 1-brane est une courbe, une 2-brane un plan…) dans lequel se situe l’univers. Afin de se représenter concrètement une p-brane, supposons que l’univers n’ait que deux dimensions. Les étoiles et les planètes ne seraient alors que des cercles, et ces cercles appartiendraient à un plan jouant le rôle de p-brane. Les branes sont très intéressantes à étudier, par exemple afin d’expliquer pourquoi la gravitation est si faible par rapport aux autres interactions fondamentales (tout le monde en a déjà fait l’expérience: un simple aimant suffit, en soulevant un clou, à contrer l’attraction d’une planète de masse gigantesque). Si les planètes reposent sur une brane à deux dimensions, toutes les ondes se propageront dans ce plan, comme la lumière par exemple. Par contre, les cordes fermées seraient capables de sortir de ce plan et de s’échapper vers une dimension supplémentaire. Ainsi, si tout corps émet des gravitons, seuls quelques uns parviennent aux autres corps et permettent une très faible attraction gravitationnelle. Une autre application des p-branes est utilisée pour expliquer l’origine d’une force inconnue dans l’univers. Ainsi, on a constaté qu’il y avait plus de force qui expliquaient les mouvements des galaxies en pratique qu’en théorie : il y aurait donc une "énergie noire", provenant d’un endroit inconnu. On a d’abord pensé que cette énergie était due aux neutrinos, particules découvertes assez récemment, de masse faible mais présentes en grande quantité dans l’univers. Cependant, les neutrinos ne suffisent pas à justifier cette énergie. Certains scientifiques pensent donc que la brane sur laquelle repose notre univers est en fait courbée de telle sorte que nous soyons très proches dans une dimension supplémentaire (à grande échelle) d’autres galaxies et donc de masses énormes, dont nous ressentirions la gravitation par l’intermédiaire du voyage extra-dimensionnel des gravitons, ce qui explique le taux d’énergie anormalement grand, tout en ne les voyant pas car la lumière qu’elles émettent ne nous est pas encore parvenue.

Conception branaire de l'univers

La théorie des cordes a bouleversé la physique de la fin du XXème siècle. Cependant, de théories plus récentes sont apparues, dont la gravitation quantique à boucles.