La théorie des cordes (traduction du concept anglais de « string theory » – voir précisions conceptuelles ci-dessous) est un domaine actif de recherche traitant de l’une des questions de la physique théorique : fournir une description de la gravité quantique, c’est-à-dire l’unification de la mécanique quantique et de la théorie de la relativité générale. La principale particularité de la théorie des cordes est que son ambition ne s’arrête pas à cette réconciliation, mais qu’elle prétend réussir à unifier les quatre interactions élémentaires connues, on parle de théorie du tout.

Pour mieux comprendre le concept physique, une remarque linguistique s’impose en français : dans le domaine physique, le concept anglais de « string » ne désigne pas spécifiquement une « corde », mais plutôt un « brin » (ou « amas » particulaire, pas forcément rectiligne1) d’un diamètre minimal correspondant à l’échelle de Planck2.

La théorie des cordes a obtenu des premiers résultats théoriques partiels. Dans le cadre de la thermodynamique des trous noirs, elle permet de reproduire la formule de Bekenstein et Hawking pour l’entropie des trous noirs. Elle possède également une richesse mathématique notable : en particulier, elle a permis de conceptualiser la symétrie miroir en géométrie.
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Présentation élémentaire du problème[modifier | modifier le code]

La physique théorique repose aujourd’hui sur deux grandes théories, en ce qui concerne la physique des particules :
la relativité générale, une théorie de la gravitation qui décrit l’interaction gravitationnelle dans le cadre relativiste ;
la mécanique quantique (et son extension, la théorie quantique des champs), qui décrit les particules élémentaires comme des ondes (comme la lumière dans la théorie classique pré-relativiste) ; ces particules sont plus ou moins délocalisées, contrairement aux particules classiques qui sont des objets parfaitement localisés.

La relativité générale est confortée principalement par des observations astronomiques (à l’échelle du système solaire comme l’avancée du périhélie de Mercure et à l’échelle astronomique comme les lentilles gravitationnelles et la dynamique des étoiles binaires), mais aussi par des applications concrètes comme le système GPS. La mécanique quantique est confortée par l’ensemble des observations aux échelles inférieures (du picomètre au milliard de kilomètres). Chacune de ces deux théories a conduit à des succès impressionnants (en matière d’expériences précises et fiables, cf. Mécanique Classique et Mécanique Quantique) dans son propre domaine mais la différence profonde évoquée ci-dessus est à l’origine d’incohérences. Certains physiciens ont donc adopté une attitude pragmatique : utilisons chaque outil dans son domaine de validité sans nous poser de problèmes pouvant être insolubles, cf. École de Copenhague, contrairement à d’autres qui suggèrent un point de vue plus réaliste conforme aux deux théories, cf. Théorie de De Broglie-Bohm.

Il reste que certains phénomènes nécessiteraient l’utilisation des deux théories. Ainsi, un trou noir a un champ gravitationnel tel qu’il attire tout ce qui passe à sa portée, y compris la lumière, ce qui implique la relativité générale. Pour tenter de décrire la « nature » de la « matière » dont il est constitué, ce qui implique la formulation d’une théorie des champs cohérente d’un point de vue mathématique, il faut faire appel à la mécanique quantique. Les premiers instants du Big Bang poseraient, en considérant la théorie comme valide, un problème analogue, au moins à première vue. Les théories des cordes tentent de décrire de tels phénomènes. L’Univers élégant de Brian Greene donne à ce sujet un aperçu à l’usage des non-spécialistes.

Outre les controverses fondamentales évoquées ci-après, les théories des cordes présentent un inconvénient pratique, leur complexité extrême qui ne permet pas, à ce jour, d’aboutir à des résultats utilisables sans approximations grossières. C’est à ce jour avant tout une théorie mathématique ayant des visées physiques dont le bien-fondé reste à montrer par l’expérience.

Hypothèses et prédictions[modifier | modifier le code]

La théorie repose sur deux hypothèses :
Les briques fondamentales de l’Univers ne seraient pas des particules ponctuelles mais des sortes de cordelettes vibrantes possédant une tension, à la manière d’un élastique. Ce que nous percevons comme des particules de caractéristiques distinctes (masse, charge électrique, etc.) ne seraient que des cordes vibrant différemment. Les différents types de cordes, vibrant à des fréquences différentes, seraient ainsi à l’origine de toutes les particules élémentaires de notre Univers. Avec cette hypothèse, les théoriciens des cordes admettent une échelle minimale, reliée à la taille de Planck, et permettent ainsi d’éviter facilement l’apparition de certaines quantités infinies (« divergences ») qui sont inévitables dans les théories quantiques de champs habituelles.
L’Univers contiendrait plus de trois dimensions spatiales. Certaines d’entre elles, repliées sur elles-mêmes (théories de Kaluza-Klein), passant inaperçues à nos échelles (par une procédure appelée réduction dimensionnelle).

À partir de ces hypothèses, la théorie des cordes prédit que :
Le graviton, boson (c.-à-d. médiateur) de la gravitation serait une particule de spin 2 et de masse nulle (conformément à la physique quantique). Sa corde a une amplitude d’onde nulle.
Il n’y a pas de différences mesurables entre des cordes qui s’enroulent autour d’une dimension et celles qui se déplacent dans les dimensions (c.-à-d. les effets dans une dimension de taille R sont les mêmes que dans une dimension de taille 1/R).

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