La physique hallucinante de la théorie des cordes

Description

Les « théories du tout » remontent aux Grecs de l’Antiquité et à leur idée selon laquelle les atomes indivisibles sont les éléments constitutifs de la réalité. Cette conjecture est devenue la théorie atomique moderne, qui a été perfectionnée par la théorie de la relativité et la théorie quantique. Mais il n’y a jamais eu quelque chose qui ressemble à la théorie des cordes. Conçue pour décrire l’univers aux échelles les plus grandes et les plus petites, la théorie des cordes est la théorie la plus ambitieuse et la plus approfondie jamais conçue, conduisant à des spéculations intrigantes, telles que:

• Des cordes, pas des particules: Dans la théorie des cordes, les unités fondamentales de matière et d’énergie sont des cordes inconcevablement minuscules, et non des particules ponctuelles comme dans les théories conventionnelles. L’avantage réside dans un large éventail de modes différents qui peuvent représenter divers phénomènes.
• Dimensions supplémentaires: Les chaînes ne peuvent pas faire leur travail sans exister dans une multitude de dimensions – 10 selon la version standard de la théorie. Pourquoi ne percevons-nous pas ces dimensions supplémentaires ? Ils sont « compactés » et donc invisibles à notre échelle humaine.
• Univers multiples: La polyvalence de la théorie des cordes permet différentes lois de la physique qui peuvent s’être développées dans des régions distinctes de l’univers en expansion rapide dans les instants qui ont suivi le Big Bang. Nous pourrions vivre dans une bulle isolée de ce multivers.

Malgré toutes ses idées étonnantes, la théorie des cordes n’a pas encore été prouvée – et certains critiques affirment qu’elle est indémontrable. Pourtant, cela a déjà conduit à des avancées dans notre compréhension des trous noirs, du Big Bang, de l’inflation cosmique et de l’énergie noire, sans parler de la gravité et des autres forces fondamentales. Dans La physique hallucinante de la théorie des cordesle célèbre théoricien des cordes, le professeur Shamit Kachru de l’Institut de physique théorique de Stanford, vous plonge en profondeur dans ce sujet fascinant dans 12 conférences riches en concepts mathématiques.

Couvrant l’origine et l’évolution de la théorie des cordes sur plusieurs décennies, le professeur Kachru propose une étude actualisée de la physique théorique moderne et de son incroyable pouvoir de découvrir les secrets les plus profonds de la nature.

Résoudre le mystère de la gravité

L’un de ces profonds secrets est le lien tant recherché entre la gravité, l’électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles. Les trois derniers sont bien plus puissants que la gravité, mais opèrent principalement dans la région subatomique. Ils sont parfaitement décrits par la mécanique quantique. Pendant ce temps, la gravité est une exception, impliquant d’énormes masses comme les étoiles et les planètes qui étendent leur attraction sur de vastes étendues de l’espace. La gravité est extrêmement faible à l’échelle quantique et ne peut être expliquée par la théorie quantique standard.

La théorie des cordes vise à unir ces forces fondamentales pour forger une théorie unique et complète capable d’expliquer simultanément la physique des domaines subatomique et cosmique. Une telle avancée conjuguerait la mécanique quantique et la théorie de la gravité d’Einstein, connue sous le nom de relativité générale, une alliance qui a jusqu’à présent mis au défi les esprits les plus brillants de la physique.

Dans La physique hallucinante de la théorie des cordesvous étudiez comment la théorie des cordes peut être capable d’accomplir cela et d’autres exploits. Certains des concepts exotiques que vous explorez incluent:

• Longueur de planche: La mécanique quantique et la relativité générale convergent à la plus petite distance possible, appelée longueur de Planck, qui est plus d’un milliard, un milliard de fois plus petite que le diamètre d’un proton. C’est la longueur caractéristique des cordes.
• Supersymétrie: Une façon de faire fonctionner les mathématiques délicates de la théorie des cordes est de doubler le nombre de particules qu’elle doit expliquer ! Cela peut sembler contre-intuitif, mais le Dr Kachru montre comment un principe appelé supersymétrie permet aux nombres de se calculer comme par magie.
• Dualité: Un autre problème est la multitude de théories des cordes avec des paramètres nettement différents. Cependant, après analyse, beaucoup d’entre eux s’avèrent mathématiquement identiques – une propriété appelée dualité. Des théories des cordes entièrement nouvelles et plus puissantes émergent de ce processus.

Aventurez-vous à travers le temps, l’espace et les dimensions invisibles

En tant que directeur de l’un des programmes de physique théorique les plus prestigieux au monde, le Dr Kachru est à l’avant-garde de la recherche sur la théorie des cordes. Aucune série de conférences comparable n’entre dans les détails qu’il présente dans ce cours, abondamment illustré d’animations et de graphiques. La théorie des cordes est compliquée et il ne prétend pas le contraire. Cependant, même les scientifiques simplifient leur sujet pour rendre les calculs plus faciles à gérer, comme vous l’apprenez grâce à un stratagème appelé « vache sphérique ». Il s’agit d’une pratique répandue en physique théorique qui élimine les complexités pour rationaliser un problème – comme si un agriculteur ignorait les appendices de son troupeau de bovins pour obtenir une estimation approximative de l’espace nécessaire pour une étable.

Le Dr Kachru utilise la supersymétrie comme une vache sphérique, ignorant le fait que la symétrie entre les types de particules ne peut pas être parfaite dans le monde réel. Suivant cette approche, il vous guide à travers un paysage à couper le souffle, mettant en vedette:

• Branes: Abréviation de « membranes », ce sont des surfaces sur lesquelles des cordes peuvent s’attacher, donnant naissance à différentes particules et propriétés. Bien que représentés en deux dimensions, ils peuvent exister sous forme de p-branes dans des dimensions supérieures, où « p » est le nombre de dimensions.
• Compactification: Imaginez une ligne unidimensionnelle, agrandie pour révéler une dimension cachée, enroulée comme un tube. Cette dimension supplémentaire a été « compactée ». En théorie des cordes, la géométrie de la compactification peut devenir assez compliquée !
• Calabi – Collecteurs d’aujourd’hui: Les dimensions supplémentaires de la théorie des cordes à 10 dimensions (six plus les quatre dimensions familières de l’espace et du temps) peuvent être compactées dans une classe de formes géométriques complexes appelées variétés de Calabi-Yau, qui conduisent à une multitude de phénomènes subatomiques.

Equipé de ces concepts, vous vous aventurez à travers le temps, l’espace et les dimensions invisibles. Vous explorez le Big Bang, l’ère éblouissante de l’inflation cosmique, le profond mystère de l’énergie noire, l’énigme des trous noirs, l’énigme de la gravité quantique, l’unification des quatre forces fondamentales, et bien plus encore – tout vraiment, pour La physique hallucinante de la théorie des cordes explore un ensemble d’idées qui pourraient enfin être la théorie du tout.

Sortie le 9/2023

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