La rumeur veut qu'Albert Einstein ait passé ses dernières heures sur Terre à griffonner quelque chose sur un morceau de papier dans une dernière tentative de formuler une théorie de tout. Quelque 60 ans plus tard, une autre figure légendaire de la physique théorique, Stephen Hawking, peut-être décédé avec des pensées similaires. Nous savons que Hawking pensait que quelque chose appelé « théorie M » était notre meilleur pari pour une théorie complète de l'univers. Mais qu'est-ce que c'est?

Depuis la formulation de la théorie de la relativité générale d'Einstein en 1915, tout physicien théoricien a rêvé de concilier notre compréhension du monde infiniment petit des atomes et des particules avec celle de l'échelle infiniment grande du cosmos. Alors que ce dernier est effectivement décrit par les équations d'Einstein, le premier est prédit avec une précision extraordinaire par ce qu'on appelle le modèle standard des interactions fondamentales.

Notre compréhension actuelle est que l'interaction entre les objets physiques est décrite par quatre forces fondamentales. Deux d'entre eux – la gravité et l'électromagnétisme – sont pertinents pour nous au niveau macroscopique, nous les traitons dans notre vie de tous les jours. Les deux autres, appelées interactions fortes et faibles, agissent à très petite échelle et ne deviennent pertinents que lorsqu'il s'agit de processus subatomiques.

Le modèle standard des interactions fondamentales fournit un cadre unifié pour trois de ces forces, mais la gravité ne peut pas être systématiquement incluse dans cette image. Malgré sa description précise des phénomènes à grande échelle tels que l'orbite d'une planète ou la dynamique des galaxies, la relativité générale s'effondre à de très courtes distances. Selon le modèle standard, toutes les forces sont médiées par des particules spécifiques. Pour la gravité, une particule appelée le graviton fait le travail. Mais en essayant de calculer comment ces gravitons interagissent, des infinis absurdes apparaissent.

Une théorie cohérente de la gravité devrait être valable à n'importe quelle échelle et devrait prendre en compte la nature quantique des particules fondamentales. Cela permettrait d'accommoder la gravité dans un cadre unifié avec les trois autres interactions fondamentales, fournissant ainsi la célèbre théorie de tout. Bien sûr, depuis la mort d'Einstein en 1955, beaucoup de progrès ont été accomplis et aujourd'hui notre meilleur candidat porte le nom de M-theory.

Révolution des cordes

Pour comprendre l'idée de base de la théorie M, il faut remonter aux années 1970 lorsque les scientifiques ont réalisé que, plutôt que de décrire l'univers en se basant sur des particules ponctuelles, vous pourriez le décrire en termes de minuscules cordes oscillantes (tubes d'énergie). Cette nouvelle façon de penser les constituants fondamentaux de la nature s'est avérée résoudre de nombreux problèmes théoriques. Par dessus tout, une oscillation particulière de la corde pourrait être interprétée comme un graviton. Et contrairement à la théorie standard de la gravité, la théorie des cordes peut décrire mathématiquement ses interactions sans obtenir d'étranges infinis. Ainsi, la gravité a finalement été incluse dans un cadre unifié.

Après cette découverte passionnante, les physiciens théoriciens ont consacré beaucoup d'efforts à comprendre les conséquences de cette idée fondatrice. Cependant, comme cela arrive souvent avec la recherche scientifique, l'histoire de la théorie des cordes est caractérisée par des hauts et des bas. En premier, les gens étaient perplexes car il prédisait l'existence d'une particule qui voyage plus vite que la vitesse de la lumière, surnommé un "tachyon". Cette prédiction contrastait avec toutes les observations expérimentales et jetait un sérieux doute sur la théorie des cordes.

Néanmoins, ce problème a été résolu au début des années 1980 par l'introduction de ce qu'on appelle la « supersymétrie » dans la théorie des cordes. Cela prédit que chaque particule a un superpartenaire et, par une coïncidence extraordinaire, la même condition élimine en fait le tachyon. Ce premier succès est communément appelé « la première révolution des cordes ».

Une autre caractéristique frappante est que la théorie des cordes nécessite l'existence de dix dimensions d'espace-temps. Actuellement, nous n'en connaissons que quatre :la profondeur, la taille, largeur et temps. Bien que cela puisse sembler un obstacle majeur, plusieurs solutions ont été proposées et de nos jours il est considéré comme une caractéristique notable, plutôt qu'un problème.

Par exemple, nous pourrions en quelque sorte être forcés de vivre dans un monde à quatre dimensions sans aucun accès aux dimensions supplémentaires. Ou les dimensions supplémentaires pourraient être "compactées" à une si petite échelle que nous ne les remarquerions pas. Cependant, des compactifications différentes conduiraient à des valeurs différentes des constantes physiques et, donc, différentes lois de la physique. Une solution possible est que notre univers n'est qu'un parmi tant d'autres dans un "multivers" infini, régies par différentes lois physiques.

Cela peut sembler étrange, mais beaucoup de physiciens théoriciens se rallient à cette idée. Si vous n'êtes pas convaincu, vous pouvez essayer de lire le roman Flatland :une romance aux multiples dimensions d'Edwin Abbott, dans lequel les personnages sont obligés de vivre dans deux dimensions spatiales et sont incapables de réaliser qu'il y en a une troisième.

M-théorie

Mais il restait un problème urgent qui dérangeait les théoriciens des cordes à l'époque. Une classification approfondie a montré l'existence de cinq théories des cordes cohérentes différentes, et on ne savait pas pourquoi la nature en choisirait un sur cinq.

C'est à ce moment-là que la théorie-M est entrée en jeu. Lors du deuxième tour de corde, en 1995, Les physiciens ont proposé que les cinq théories des cordes cohérentes ne sont en fait que des faces différentes d'une théorie unique qui vit dans onze dimensions de l'espace-temps et est connue sous le nom de théorie M. Il inclut chacune des théories des cordes dans différents contextes physiques, mais reste valable pour tous. Cette image extrêmement fascinante a conduit la plupart des physiciens théoriciens à croire en la théorie M comme la théorie de tout - elle est également plus cohérente mathématiquement que les autres théories candidates.

Néanmoins, jusqu'à présent, la théorie M a eu du mal à produire des prédictions pouvant être testées par des expériences. La supersymétrie est actuellement testée au Large Hadron Collider. Si les scientifiques trouvent des preuves de superpartenaires, cela renforcerait finalement la M-théorie. Mais cela reste un défi pour les physiciens théoriciens actuels de produire des prédictions vérifiables et pour les physiciens expérimentaux de mettre en place des expériences pour les tester.

La plupart des grands physiciens et cosmologues sont animés par la passion de trouver ce beau, description simple du monde qui peut tout expliquer. Et même si nous n'en sommes pas encore là, nous n'aurions aucune chance sans le tranchant, l'esprit créatif de personnes comme Hawking.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.