Introduction
La physique du XXe siècle repose sur deux piliers monumentaux mais incompatibles : la relativité générale d'Einstein, qui décrit la gravité et la structure de l'espace-temps à grande échelle, et la mécanique quantique, qui régit le monde des particules subatomiques. La théorie des cordes émerge comme le candidat le plus sérieux pour une 'théorie du tout', un cadre unique capable de réconcilier ces deux géants. Elle propose un changement de paradigme radical sur la nature fondamentale de la matière et de l'espace-temps.
Description
Au cœur de la théorie des cordes se trouve l'idée que les particules élémentaires (quarks, électrons, photons, etc.) ne sont pas des points sans dimension, mais les manifestations de minuscules cordes unidimensionnelles. Ces cordes, dont la taille est de l'ordre de la longueur de Planck (environ 10^-35 mètres), peuvent vibrer à différentes fréquences, à l'instar des cordes d'un violon. Chaque mode de vibration distinct correspond à une particule différente, déterminant sa masse, sa charge et son spin. Ainsi, un électron et un photon seraient une même corde vibrant sur des notes différentes. Cette approche résout naturellement le problème de la non-renormalisabilité de la gravité quantique : la gravitation émerge de la vibration d'un type particulier de corde, le graviton. La théorie nécessite pour être mathématiquement cohérente un espace-temps à 10, 11 ou 26 dimensions. Les dimensions supplémentaires, imperceptibles à notre échelle, seraient 'compactifiées' ou repliées sur elles-mêmes selon des géométries complexes (variétés de Calabi-Yau). Il existe plusieurs versions de la théorie (Type I, Type IIA, Type IIB, hétérotique SO(32) et hétérotique E8×E8), qui sont unifiées par la 'théorie M', une théorie plus fondamentale opérant en 11 dimensions et dont les objets de base ne sont plus seulement des cordes, mais aussi des membranes de dimensions supérieures (les 'branes').
Histoire
Les origines de la théorie des cordes remontent aux années 1960-1970, où elle fut développée non pas pour la gravité, mais comme un modèle pour décrire les interactions fortes entre hadrons (les 'cordes' reliant un quark et un antiquark). En 1974, John H. Schwarz et Joël Scherk, ainsi que Tamiaki Yoneya indépendamment, réalisèrent qu'une des particules prédites par le modèle des cordes possédait les propriétés du graviton. La théorie fut alors réinterprétée comme une théorie de la gravité quantique. Les années 1980 virent la 'première révolution des cordes' avec la découverte de l'annulation des anomalies et l'émergence de cinq théories cohérentes. La 'seconde révolution' survint dans les années 1990, menée par Edward Witten, avec la découverte des dualités reliant ces cinq théories et la proposition de la théorie M comme cadre unificateur. Depuis, le champ s'est considérablement développé, explorant les paysages de solutions, la correspondance AdS/CFT (un pont entre théories de cordes et théories de jauge), et ses implications en cosmologie et physique des trous noirs.
Caracteristiques
1. Objets fondamentaux étendus : Les cordes (ouvertes ou fermées) sont les briques élémentaires. 2. Supersymétrie : Toutes les versions viables incorporent la supersymétrie, une symétrie hypothétique entre fermions (matière) et bosons (porteurs de force), donnant naissance aux 'supercordes'. 3. Dimensions supplémentaires : Cohérence mathématique exige 9 dimensions spatiales + 1 temporelle (10D) pour la théorie des supercordes, 11D pour la théorie M. 4. Unification : Unifie toutes les forces fondamentales (gravitation, électromagnétisme, interactions forte et faible) et toute la matière dans un seul cadre. 5. Gravité quantique : Intègre la gravité de manière naturelle et non-perturbative. 6. Paysage de solutions : La théorie prédit un vaste 'paysage' de solutions possibles (peut-être 10^500), chacune correspondant à un univers avec des constantes physiques différentes.
Importance
La théorie des cordes représente l'effort le plus ambitieux et systématique pour construire une théorie complète de la physique fondamentale. Son impact est profond : elle a révolutionné les mathématiques, inspirant des avancées majeures en géométrie (théorie des variétés, topologie algébrique) et a fourni des outils puissants pour comprendre les théories de jauge via la correspondance AdS/CFT. En cosmologie, elle offre des modèles pour l'inflation, la nature de l'énergie noire et les phases primordiales de l'univers. Pour les trous noirs, elle permet un calcul microscopique de l'entropie de Bekenstein-Hawking, reliant gravité, thermodynamique et mécanique quantique. Malgré l'absence actuelle de prédictions expérimentales directes vérifiables (en raison de l'échelle d'énergie extrême requise), elle domine la recherche théorique en gravité quantique et sert de laboratoire conceptuel pour explorer les limites de notre compréhension de l'espace, du temps et de la réalité.
