Einstein s'est-il trompé?
Dans leur quête de l'ultime «théorie du tout» qui décrirait l'Univers dans toutes ses dimensions, les physiciens cherchent désespérément à unifier les fondements de la physique moderne découverts par Einstein, Heisenberg, Planck et compagnie. Diverses théories sont échafaudées pour tenter cette fusion rendue très difficile en raison d'éléments inconciliables.
Pour résoudre cette énigme, certains théoriciens émettent l'hypothèse selon laquelle Galilée et Einstein se seraient peut-être trompés. Toutes les voies, même les plus iconoclastes, sont explorées pour sortir de l'impasse dans laquelle la physique contemporaine semble stagner.
Einstein s'y est cassé les dents. Cinquante ans plus tard, les physiciens cherchent encore cette fameuse «théorie du tout» qui pourrait décrire tous les phénomènes physiques, de l'infiniment grand à l'infiniment petit. Leur casse-tête réside dans une fâcheuse incompatibilité entre la relativité générale d'Einstein (qui rend compte des propriétés de la gravité à l'échelle cosmique) et la mécanique quantique (qui traduit le comportement des atomes et des constituants élémentaires de la matière). Or les pistes de réconciliation sont semées d'embûches.
On a cru que la théorie des cordes, découverte en 1984, parviendrait à unifier ces deux piliers de la physique fondamentale, mais cette théorie hypercomplexe bute sur des problèmes colossaux qui compromettent l'atteinte de la théorie ultime, grand défi de la physique théorique moderne. D'autres physiciens cherchent quant à eux d'éventuelles fissures dans les bases de la physique. Celles-ci expliqueraient pourquoi les deux théories phares sont à ce point irréconciliables (voir «La traque à l'erreur initiale» en page A 6).
Les deux théories fonctionnent à merveille indépendamment l'une de l'autre, tant qu'on les cantonne dans leur domaine respectif. D'une part, la théorie de la relativité générale décrit les conséquences de la gravité quand celle-ci occupe le devant de la scène et que les autres forces de la nature ne jouent plus le premier rôle. Ces autres forces sont la force nucléaire faible, responsable de la désintégration radioactive de certains éléments comme l'uranium, la force nucléaire forte, qui incite les quarks à s'assembler pour former protons et neutrons, et la force électromagnétique, qui sous-tend aussi bien la puissance des éclairs d'un orage que le fonctionnement de nos appareils électroménagers et la charge électrique des particules microscopiques.
Selon cette théorie formulée par Einstein en 1916, qui décrit la gravitation comme une déformation de l'espace et du temps, un objet courbe d'autant plus l'espace et le temps (puisque espace et temps sont intimement liés) autour de lui qu'il est massif. Et cette déformation de l'espace-temps s'atténue lorsqu'on s'éloigne de cet objet. Ainsi, le Soleil déforme la structure de l'espace qui l'entoure. Et la forme de cette distorsion affecte à son tour le mouvement des planètes, comme la Terre, qui se meuvent autour de lui. En plus de démontrer qu'un champ de gravité intense, comme celui qui règne aux abords d'un trou noir, dilate le temps et courbe l'espace, les équations de la relativité «générale» prédisaient même que l'Univers devait être en expansion ou en contraction.
D'autre part, la mécanique quantique bouleverse notre conception traditionnelle de la matière. «On ne peut plus appliquer notre logique newtonienne au monde de l'atome», souligne d'entrée de jeu le physicien et spécialiste des théories quantiques Luc Vinet, aujourd'hui recteur de l'Université de Montréal. Alors que toutes les lois de la mécanique classique, comme celles de l'électricité, sont précises et déterministes, ne laissant aucun rôle au hasard, c'est au contraire le hasard, l'incertain, l'indéterminé, qui domine aux niveaux atomique et subatomique. Les lois qui régissent le monde quantique sont probabilistes. Cette vision de l'Univers troublait profondément Einstein, comme en témoigne sa célèbre phrase: «Dieu ne joue pas aux dés», à laquelle répondit Niels Bohr, un des fondateurs de la mécanique quantique: «Einstein, cessez de dire à Dieu comment il doit se comporter!»
La mécanique quantique nous dit également qu'on ne peut pas mesurer avec une certitude absolue à la fois la position et la vitesse d'une particule élémentaire, et ce, en vertu du principe d'incertitude formulé par le physicien allemand Werner Heisenberg. «Cette incapacité, qui n'est absolument pas due à la maladresse de nos observations, indique que le monde microscopique est turbulent par nature. [...] Le principe d'incertitude prédit aussi que cette activité microscopique est d'autant plus débordante que les échelles de distance et de temps sont réduites. [...] C'est justement ce tumulte qui constitue l'obstacle fondamental à l'union de la relativité générale et de la mécanique quantique», explique Brian Greene, excellent vulgarisateur et spécialiste de la théorie des cordes à l'université Columbia à New York. «Aux échelles quantiques, absolument tout est sujet aux fluctuations inhérentes au principe d'incertitude, y compris le champ de gravitation. Or les fluctuations quantiques du champ gravitationnel produisent de terribles distorsions. [...] De plus, les calculs qui marient mécanique quantique et relativité générale conduisent au même résultat insensé: l'infini, nous indiquant ainsi que nous avons commis une grave erreur.»
Et pourtant, tant la relativité générale que la mécanique quantique ont jusqu'à maintenant été moult fois vérifiées de façon expérimentale. Elles traduisent parfaitement la réalité à leurs échelles respectives.
Pour cette raison, «la gravitation et la théorie quantique font partie intégrante des mécanismes de l'Univers, de sorte que toute théorie unifiée se doit de les inclure toutes les deux», écrit Brian Greene dans son incontournable ouvrage de vulgarisation L'Univers élégant. Mais pour l'instant, l'amalgame des deux théories produit immanquablement des aberrations.
Pour réussir l'arrimage entre la relativité générale et la mécanique quantique, les deux piliers de la physique fondamentale, des physiciens théoriciens ont alors imaginé que les particules élémentaires qu'on avait toujours imaginées sous forme de petits points étaient peut-être plutôt de minuscules filaments unidimensionnels, des cordelettes vibrant à la manière de petits élastiques de caoutchouc. Les différentes particules élémentaires, comme l'électron et le quark, correspondraient alors à différents modes de vibration de ces brins de corde ayant une taille moyenne de 10-35 mètre. «Ces supercordes chantent et oscillent tout autour de nous et le monde n'est qu'une vaste symphonie», écrit l'astrophysicien Trinh Xuan Thuan pour décrire un univers constitué de ces supercordes.
L'approfondissement de cette théorie des cordes — ou supercordes —, qui semblait des plus prometteuses lors de sa découverte, en 1984, est toutefois semée d'embûches gigantesques. D'abord, elle décrète l'existence non pas de trois dimensions spatiales et d'une dimension temporelle, comme nos sens nous permettent de voir notre monde, mais de neuf, voire de 25 dimensions spatiales selon les différentes versions (au nombre de cinq) de la théorie. On suppose que les dimensions supplémentaires seraient à la fois minuscules et enroulées sur elles-mêmes, ce qui ferait en sorte qu'elles soient invisibles à nos yeux. Par analogie, un boyau d'arrosage déposé sur le sol nous apparaît de loin comme une ligne unidimensionnelle alors qu'il s'agit en réalité d'un cylindre, donc doté d'une épaisseur.
Autre problème de taille: à mesure que les spécialistes comprennent mieux la théorie des cordes, ils se rendent compte du nombre gigantesque de solutions auxquelles elle peut conduire, alors que la fameuse théorie du tout devrait n'en comporter qu'une seule et unique. «La multiplicité des solutions est à ce point énorme qu'on parle maintenant du "paysage de la théorie des cordes", car tout cela ressemble à un vaste paysage de collines et de vallées où chaque dépression qui correspond à un site de basse énergie est une solution de la théorie», indique le physicien Jim Cline, de l'université McGill.
Pis encore, «ces multiples solutions que les physiciens étudient ne sont pas de vraies solutions de la théorie des cordes car elles sont les résultats d'équations qui sont fausses, qui ne sont que des approximations», ajoute le physicien Robert Brandenberger, de l'université McGill.
Mais surtout, cette théorie est invérifiable. On ne disposera probablement jamais d'une technologie suffisamment puissante pour la tester, donc pour l'infirmer ou la confirmer, puisqu'elle fait intervenir des objets, en l'occurrence des cordelettes faisant environ 10-35 mètre, une longueur probablement inaccessible pour l'éternité. «Il faudrait disposer d'un collisionneur [accélérateur de particules, où celles-ci entrent en collision] de la taille de la galaxie pour s'approcher d'une telle dimension», lance le physicien Alan Kostelecky, de l'université de l'Indiana. Et c'est ce qui compromet l'avenir de cette théorie.
«Le problème avec la théorie des cordes est qu'il ne semble pas y avoir de façon de la tester. Il n'y a pas de réalité physique qu'on peut détecter», ajoute Luc Marleau, professeur de physique théorique à l'Université Laval. «Or une théorie qu'on ne peut pas tester devient inutile. À ce point-ci, la théorie des cordes n'est pas vraiment un modèle qui permet de prédire quelque chose.»
Même Brian Greene, qui fonde beaucoup d'espoir sur la théorie des cordes, reconnaît qu'il «est impossible d'établir si une théorie décrit le monde sans la soumettre à des vérifications expérimentales. Et peu importe que la théorie des cordes soit très séduisante, [...] elle n'aura pas plus de pertinence qu'un jeu compliqué de Donjons et Dragons».
Fervent défenseur de la théorie des cordes, Jim Cline, de l'université McGill, cherche quant à lui des indices de l'existence des supercordes dans le rayonnement de fond cosmique, un reliquat de l'énergie primale qui s'est déployée au moment du big-bang. «Comme il sera probablement toujours impossible de vérifier la théorie des cordes dans nos laboratoires sur Terre, nous avons espoir que les astronomes voient un jour une supercorde dansant à travers l'Univers. Ce serait une preuve que nous allons dans la bonne direction», dit-il. À ses yeux, il n'existe pas de meilleur candidat à l'heure actuelle que la théorie des cordes pour atteindre à la fameuse équation universelle, et ce, en dépit des immenses problèmes qu'elle pose aux physiciens.
Pour résoudre cette énigme, certains théoriciens émettent l'hypothèse selon laquelle Galilée et Einstein se seraient peut-être trompés. Toutes les voies, même les plus iconoclastes, sont explorées pour sortir de l'impasse dans laquelle la physique contemporaine semble stagner.
Einstein s'y est cassé les dents. Cinquante ans plus tard, les physiciens cherchent encore cette fameuse «théorie du tout» qui pourrait décrire tous les phénomènes physiques, de l'infiniment grand à l'infiniment petit. Leur casse-tête réside dans une fâcheuse incompatibilité entre la relativité générale d'Einstein (qui rend compte des propriétés de la gravité à l'échelle cosmique) et la mécanique quantique (qui traduit le comportement des atomes et des constituants élémentaires de la matière). Or les pistes de réconciliation sont semées d'embûches.
On a cru que la théorie des cordes, découverte en 1984, parviendrait à unifier ces deux piliers de la physique fondamentale, mais cette théorie hypercomplexe bute sur des problèmes colossaux qui compromettent l'atteinte de la théorie ultime, grand défi de la physique théorique moderne. D'autres physiciens cherchent quant à eux d'éventuelles fissures dans les bases de la physique. Celles-ci expliqueraient pourquoi les deux théories phares sont à ce point irréconciliables (voir «La traque à l'erreur initiale» en page A 6).
Les deux théories fonctionnent à merveille indépendamment l'une de l'autre, tant qu'on les cantonne dans leur domaine respectif. D'une part, la théorie de la relativité générale décrit les conséquences de la gravité quand celle-ci occupe le devant de la scène et que les autres forces de la nature ne jouent plus le premier rôle. Ces autres forces sont la force nucléaire faible, responsable de la désintégration radioactive de certains éléments comme l'uranium, la force nucléaire forte, qui incite les quarks à s'assembler pour former protons et neutrons, et la force électromagnétique, qui sous-tend aussi bien la puissance des éclairs d'un orage que le fonctionnement de nos appareils électroménagers et la charge électrique des particules microscopiques.
Selon cette théorie formulée par Einstein en 1916, qui décrit la gravitation comme une déformation de l'espace et du temps, un objet courbe d'autant plus l'espace et le temps (puisque espace et temps sont intimement liés) autour de lui qu'il est massif. Et cette déformation de l'espace-temps s'atténue lorsqu'on s'éloigne de cet objet. Ainsi, le Soleil déforme la structure de l'espace qui l'entoure. Et la forme de cette distorsion affecte à son tour le mouvement des planètes, comme la Terre, qui se meuvent autour de lui. En plus de démontrer qu'un champ de gravité intense, comme celui qui règne aux abords d'un trou noir, dilate le temps et courbe l'espace, les équations de la relativité «générale» prédisaient même que l'Univers devait être en expansion ou en contraction.
D'autre part, la mécanique quantique bouleverse notre conception traditionnelle de la matière. «On ne peut plus appliquer notre logique newtonienne au monde de l'atome», souligne d'entrée de jeu le physicien et spécialiste des théories quantiques Luc Vinet, aujourd'hui recteur de l'Université de Montréal. Alors que toutes les lois de la mécanique classique, comme celles de l'électricité, sont précises et déterministes, ne laissant aucun rôle au hasard, c'est au contraire le hasard, l'incertain, l'indéterminé, qui domine aux niveaux atomique et subatomique. Les lois qui régissent le monde quantique sont probabilistes. Cette vision de l'Univers troublait profondément Einstein, comme en témoigne sa célèbre phrase: «Dieu ne joue pas aux dés», à laquelle répondit Niels Bohr, un des fondateurs de la mécanique quantique: «Einstein, cessez de dire à Dieu comment il doit se comporter!»
La mécanique quantique nous dit également qu'on ne peut pas mesurer avec une certitude absolue à la fois la position et la vitesse d'une particule élémentaire, et ce, en vertu du principe d'incertitude formulé par le physicien allemand Werner Heisenberg. «Cette incapacité, qui n'est absolument pas due à la maladresse de nos observations, indique que le monde microscopique est turbulent par nature. [...] Le principe d'incertitude prédit aussi que cette activité microscopique est d'autant plus débordante que les échelles de distance et de temps sont réduites. [...] C'est justement ce tumulte qui constitue l'obstacle fondamental à l'union de la relativité générale et de la mécanique quantique», explique Brian Greene, excellent vulgarisateur et spécialiste de la théorie des cordes à l'université Columbia à New York. «Aux échelles quantiques, absolument tout est sujet aux fluctuations inhérentes au principe d'incertitude, y compris le champ de gravitation. Or les fluctuations quantiques du champ gravitationnel produisent de terribles distorsions. [...] De plus, les calculs qui marient mécanique quantique et relativité générale conduisent au même résultat insensé: l'infini, nous indiquant ainsi que nous avons commis une grave erreur.»
Et pourtant, tant la relativité générale que la mécanique quantique ont jusqu'à maintenant été moult fois vérifiées de façon expérimentale. Elles traduisent parfaitement la réalité à leurs échelles respectives.
Pour cette raison, «la gravitation et la théorie quantique font partie intégrante des mécanismes de l'Univers, de sorte que toute théorie unifiée se doit de les inclure toutes les deux», écrit Brian Greene dans son incontournable ouvrage de vulgarisation L'Univers élégant. Mais pour l'instant, l'amalgame des deux théories produit immanquablement des aberrations.
Pour réussir l'arrimage entre la relativité générale et la mécanique quantique, les deux piliers de la physique fondamentale, des physiciens théoriciens ont alors imaginé que les particules élémentaires qu'on avait toujours imaginées sous forme de petits points étaient peut-être plutôt de minuscules filaments unidimensionnels, des cordelettes vibrant à la manière de petits élastiques de caoutchouc. Les différentes particules élémentaires, comme l'électron et le quark, correspondraient alors à différents modes de vibration de ces brins de corde ayant une taille moyenne de 10-35 mètre. «Ces supercordes chantent et oscillent tout autour de nous et le monde n'est qu'une vaste symphonie», écrit l'astrophysicien Trinh Xuan Thuan pour décrire un univers constitué de ces supercordes.
L'approfondissement de cette théorie des cordes — ou supercordes —, qui semblait des plus prometteuses lors de sa découverte, en 1984, est toutefois semée d'embûches gigantesques. D'abord, elle décrète l'existence non pas de trois dimensions spatiales et d'une dimension temporelle, comme nos sens nous permettent de voir notre monde, mais de neuf, voire de 25 dimensions spatiales selon les différentes versions (au nombre de cinq) de la théorie. On suppose que les dimensions supplémentaires seraient à la fois minuscules et enroulées sur elles-mêmes, ce qui ferait en sorte qu'elles soient invisibles à nos yeux. Par analogie, un boyau d'arrosage déposé sur le sol nous apparaît de loin comme une ligne unidimensionnelle alors qu'il s'agit en réalité d'un cylindre, donc doté d'une épaisseur.
Autre problème de taille: à mesure que les spécialistes comprennent mieux la théorie des cordes, ils se rendent compte du nombre gigantesque de solutions auxquelles elle peut conduire, alors que la fameuse théorie du tout devrait n'en comporter qu'une seule et unique. «La multiplicité des solutions est à ce point énorme qu'on parle maintenant du "paysage de la théorie des cordes", car tout cela ressemble à un vaste paysage de collines et de vallées où chaque dépression qui correspond à un site de basse énergie est une solution de la théorie», indique le physicien Jim Cline, de l'université McGill.
Pis encore, «ces multiples solutions que les physiciens étudient ne sont pas de vraies solutions de la théorie des cordes car elles sont les résultats d'équations qui sont fausses, qui ne sont que des approximations», ajoute le physicien Robert Brandenberger, de l'université McGill.
Mais surtout, cette théorie est invérifiable. On ne disposera probablement jamais d'une technologie suffisamment puissante pour la tester, donc pour l'infirmer ou la confirmer, puisqu'elle fait intervenir des objets, en l'occurrence des cordelettes faisant environ 10-35 mètre, une longueur probablement inaccessible pour l'éternité. «Il faudrait disposer d'un collisionneur [accélérateur de particules, où celles-ci entrent en collision] de la taille de la galaxie pour s'approcher d'une telle dimension», lance le physicien Alan Kostelecky, de l'université de l'Indiana. Et c'est ce qui compromet l'avenir de cette théorie.
«Le problème avec la théorie des cordes est qu'il ne semble pas y avoir de façon de la tester. Il n'y a pas de réalité physique qu'on peut détecter», ajoute Luc Marleau, professeur de physique théorique à l'Université Laval. «Or une théorie qu'on ne peut pas tester devient inutile. À ce point-ci, la théorie des cordes n'est pas vraiment un modèle qui permet de prédire quelque chose.»
Même Brian Greene, qui fonde beaucoup d'espoir sur la théorie des cordes, reconnaît qu'il «est impossible d'établir si une théorie décrit le monde sans la soumettre à des vérifications expérimentales. Et peu importe que la théorie des cordes soit très séduisante, [...] elle n'aura pas plus de pertinence qu'un jeu compliqué de Donjons et Dragons».
Fervent défenseur de la théorie des cordes, Jim Cline, de l'université McGill, cherche quant à lui des indices de l'existence des supercordes dans le rayonnement de fond cosmique, un reliquat de l'énergie primale qui s'est déployée au moment du big-bang. «Comme il sera probablement toujours impossible de vérifier la théorie des cordes dans nos laboratoires sur Terre, nous avons espoir que les astronomes voient un jour une supercorde dansant à travers l'Univers. Ce serait une preuve que nous allons dans la bonne direction», dit-il. À ses yeux, il n'existe pas de meilleur candidat à l'heure actuelle que la théorie des cordes pour atteindre à la fameuse équation universelle, et ce, en dépit des immenses problèmes qu'elle pose aux physiciens.
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