Requiem pour cordes : retracer l’ascension et la chute d’une théorie du tout

La théorie des cordes a commencé il y a plus de 50 ans comme moyen de comprendre la force nucléaire forte. Depuis lors, elle s’est développée pour devenir une théorie de tout, capable d’expliquer la nature de chaque particule, chaque force, chaque constante fondamentale et l’existence de l’Univers lui-même. Mais malgré des décennies de travail, il n’a pas tenu sa promesse.

Qu’est-ce qui n’allait pas, et où allons-nous à partir de là ?

Fils de départ

Comme la plupart des révolutions, la théorie des cordes a des origines modestes. Cela a commencé dans les années 1960 comme une tentative de comprendre le fonctionnement de la force nucléaire forte, qui n’avait été découverte que récemment. La théorie quantique des champs, qui avait été utilisée avec succès pour expliquer l’électromagnétisme et la force nucléaire faible, ne suffisait pas, alors les physiciens étaient avides de quelque chose de nouveau.

Un groupe de physiciens a pris une technique mathématique développée (et abandonnée plus tard) par le parrain quantique Werner Heisenberg et l’a élargie. Dans cette expansion, ils ont trouvé les premières chaînes – des structures mathématiques qui se répétaient dans l’espace-temps. Malheureusement, cette théorie des proto-cordes a fait des prédictions incorrectes sur la nature de la force forte et avait également une variété d’artefacts gênants (comme l’existence de tachyons, des particules qui voyageaient seulement plus vite que la lumière). Une fois qu’une autre théorie a été développée pour expliquer la force forte – celle que nous utilisons aujourd’hui, basée sur les quarks et les gluons – la théorie des cordes a disparu de la scène.

Mais encore une fois, comme la plupart des révolutions, des chuchotements sont restés à travers les années, gardant les espoirs vivants. Dans les années 1970, les physiciens ont découvert plusieurs propriétés remarquables de la théorie des cordes. Premièrement, la théorie pourrait soutenir plus de forces que la seule force nucléaire forte. Les cordes de la théorie des cordes avaient une tension énorme, les forçant à se recroqueviller sur elles-mêmes dans le plus petit volume possible, quelque chose autour de l’échelle de Planck. Une fois en place, les cordes pouvaient supporter diverses vibrations, tout comme une corde de guitare tendue. Les différentes vibrations ont conduit à différentes manifestations de forces : une note pour le nucléaire fort, une autre pour l’électromagnétisme, etc.

L’une des vibrations possibles de la corde a agi comme une particule de spin-2 sans masse. C’est une particule très spéciale car ce serait la force quantique porteuse de la force gravitationnelle, le Saint Graal d’une théorie quantifiée de la gravité. Les théoriciens de l’époque n’en croyaient pas leurs tableaux : la théorie des cordes incluait naturellement, avec élégance, la gravité quantique, et ils n’essayaient même pas !

La deuxième grande affaire à sortir dans les années 1970 a été l’introduction de la supersymétrie, qui prétendait que toutes les particules qui transportent des forces (appelées bosons, une catégorie qui comprend les photons et les gluons) étaient liées à un partenaire supersymétrique de la collection de particules qui construisent choses (appelées fermions, comme les électrons et les quarks), et vice versa.

Cette symétrie n’apparaît pas dans les contextes quotidiens ; il ne se manifeste qu’à des énergies extrêmement élevées. Donc, si vous deviez remonter dans le temps jusqu’aux premiers instants du Big Bang ou si vous disposiez de suffisamment de fonds pour construire un collisionneur de particules le long de l’orbite de Jupiter, vous ne verriez pas simplement le zoo normal de particules que nous connaissons ; vous verriez aussi tous leurs partenaires supersymétriques. On leur a donné des noms convenablement stupides, comme selectrons, sneutrinos, squarks, photinos et mon préféré (le moins) personnel, le boson wino.

En établissant ce lien, la théorie des cordes pourrait construire un pont entre les bosons et les fermions, lui permettant de passer d’une simple théorie des forces à une théorie de chaque particule existante. L’introduction de la supersymétrie a également résolu le vilain problème des tachyons en remplaçant ces particules gênantes par des partenaires supersymétriques, ce qui était une belle réussite.

A la fin des années 1970, la théorie des cordes pouvait potentiellement expliquer toutes les particules et toutes les interactions entre elles et fournir une solution quantique à la gravité.

Une théorie pour les gouverner tous, une théorie pour les trouver, une théorie pour les rassembler tous, et dans la rigidité les lier.