Histoire de la théorie des cordes

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La théorie des cordes a été à l'origine inventée pour expliquer certaines particularités du comportement des hadrons (particules sub-atomiques qui subissent la force nucléaire forte). Dans les expériences au sein d'accélérateurs de particules, les physiciens ont observé que le spin d'un hadron n'était jamais plus grand qu'un certain multiple du carré de son énergie. Aucun modèle simple du hadron, comme par exemple le représentant comme un ensemble de plus petites particules rassemblées pour des forces agissant comme des ressorts, ne permettait d'expliquer ce phénomène. En 1968, le physicien Gabriele Veneziano remarqua que la fonction Beta d'Euler pouvait être utilisée pour décrire la dispersion de l'amplitude des grandeurs pour des particules interagissant via la force nucléaire forte. Bien que cette remarque corresponde bien aux données expérimentales, les raisons de cette correspondance étaient inconnues.

En 1970, Yoichiro Nambu, Holger Bech Nielsen, et Leonard Susskind présentèrent une interprétation physique de la formule d'Euler en représentant les forces nucléaires comme des cordes vibrantes à une dimension. Cependant, cette description basée sur les cordes de la force nucléaire forte aboutissait à de nombreuses prédictions en contradiction directe avec les données expérimentales. La communauté scientifique perdit rapidement son intérêt pour cette théorie et le modèle standard, basé sur les particules et leurs champs, resta le principal centre d'attention de la physique théorique.

En 1974 John Schwarz et Joël Scherk, et indépendamment Tamiaki Yoneya étudièrent les modèles de vibration de cordes décrivant les bosons, et découvrirent que leurs propriétés correspondaient exactement à celles du graviton, la particule hypothétique "messagère" de la force de gravitation. Schwarz et Scherk argumentèrent que la théorie des cordes n'avait pas pris car les physiciens sous-estimaient sa portée. Ceci mena au développement de la théorie des cordes bosoniques, qui est toujours la première version enseignée à de nombreux étudiants. La description des hadrons correspondant à l'observation d'origine a depuis été par la chromodynamique quantique, la théorie des quarks et leurs interactions, qui n'est pas une théorie des cordes. On espère désormais que la théorie des cordes ou l'une de ses descendantes fournira une compréhension complète des quarks eux-mêmes.

La théorie des cordes est formulée en terme d'action de Polyakov, qui décrit comment les cordes se déplacent à travers l'espace et le temps. De même que des ressorts, les cordes veulent se contracter pour minimiser leur énergie potentielle, mais la conservation de l'énergie les empèche de disparaître et les fait osciller à la place. En appliquant les idées de la mécanique quantique aux cordes, il est possible de déduire différents modèles de vibration des cordes. A chacun de ces modèles correspond une particule différente. La masse de chaque particule et son mode d'interaction sont déterminés par la manière dont la corde vibre - ou, pour le voir d'une manière différente, par la "note" émise par la corde. L'échelle de notes, chacune correspondant à un différent type de particule, est appelé le spectre de la théorie.

Les premiers modèles incluaient à la fois des cordes ouvertes, qui avaient deux extrêmités distinctes, et des cordes fermées, pour lesquels les extrêmités étaient jointes pour former une boucle complète. Les deux types de cordes se comportent de manière légèrement différente, donnant lieu à deux spectres. Toutes les théories modernes des cordes n'utilisent pas ces deux types ; certaines n'incluent que le modèle de cordes fermées^[1].

Le tout premier modèle de théorie des cordes, la théorie des cordes bosoniques posait des problèmes. Le plus important était une instabilité fondamentale due à la présence d'un tachyon dans son spectre, dont on pensait qu'elle résultait d'une instabilité de l'espace-temps lui-même. Comme son nom l'indique, le spectre des particules contenait uniquement les bosons, ces particules comme le photon dont le comportement obéit à des règles particulières. Si les bosons constituent un ingrédient critique de l'univers, ils n'en sont pas l'unique composant. La recherche d'un procédé par lequel la théorie des cordes pourrait inclure les fermions, qui constituent la matière ordinaire, dans son spectre mena à l'invention de la théorie des supercordes, incorporant la supersymétrie qui postule une relation entre les bosons et les fermions. Ces théories des cordes incluent des vibrations "fermioniques" difficiles à se représenter intuitivement ; plusieurs d'entre elles ont été élaborées.

Entre 1984 et 1986, les physiciens ont pris conscience que la théorie des cordes pourrait décrire toutes les particules élémentaires et leurs interactions, et un grand nombre d'entre eux commencèrent à travailler sur ce qui semblait constituer la plus prometteuse idée pour unifier les théories de la physique. La première révolution des supercordes débuta par la découverte de l'annulation d'une anomalie dans la théorie des cordes de type I, par Michael Green et John Schwarz en 1984. Cette anomalie était annulée par le mécanisme de Green-Schwarz. Plusieurs autres découvertes fondamentales, telles l'élaboration de la corde hétérotique, furent réalisées en 1985.

Dans les années 1990, Edward Witten et d'autres découvrirent de très sérieuses indications que les différentes théories des supercordes constituent différentes limites d'une nouvelle théorie à 11 dimensions appelée théorie M. Pour autant la formulation quantique de la théorie M n'est pas encore établie. Cette découverte constitua la seconde révolution des supercordes.

Dans le milieu des années 1990, Joseph Polchinski découvrit que la théorie nécessait l'inclusion d'objets de plus grande dimension, appelés D-branes. Ces dernières ont ajouté une structure mathématique riche à la théorie, et ont ouvert de nombreuses possibilités pour construire des modèles cosmologiques réalistes^[2].

En 1997, Juan Maldacena fit l'hypothèse d'une relation entre la théorie des cordes et une théorie de jauge appelée théorie Yang-Mills supersymétrique N=4. Cette conjecture, appelée correspondance AdS/CFT a soulevé un grand intérêt et est maintenant bien acceptée^[3]. C'est une réalisation concrète du principe holographique, qui a de très fortes implications dans l'étude des trous noirs, de la localisation et de l'information en physique, ainsi que de la nature des interactions gravitationnelles.

Plus récemment, la découverte du paysage de la théorie des cordes, qui suggère que la théorie des cordes a un nombre très grand de vides non équivalents, a mené à de nombreuses discussions sur le pouvoir prédictif de cette théorie, et sur la façon dont la cosmologie peut y être incluse.

[modifier] Notes

Branches de la Théorie des cordes
Histoire	Histoire de la théorie des cordes - Première révolution des cordes - Seconde révolution des cordes
Fondements	Théorie des cordes bosoniques - Cordes type I, II & hétérotiques - Théorie M - Théorie des supercordes - Supersymétrie - Supergravité - Dualité de cordes - Surface d'univers - Constante de couplage
Dimensions supplémentaires	Réduction dimensionnelle - Dimensions supplémentaires - Espace de Calabi-Yau - Orbifold
Transitions géométriques	Transition géométrique - Transition de flop - Transition de conifold
Cosmologie branaire	Brane - Cosmologie branaire
Méta	Publications en théorie des cordes