Espace, Temps,
Énergie et Matière

L'idée que le "Big Bang" est issu d'une source ponctuelle est en train d'être remplacée maintenant par la théorie selon laquelle l'espace, le temps, l'énergie et la matière sont brusquement apparus à partir d'un événement d'infiniment petites, mais néanmoins réelles dimensions. L'hypothèse de la source ponctuelle sans dimensions est maintenant perçue comme une approximation qu'on doit abandonner car elle conduit à des mathématiques aberrantes.

La connaissance avance à travers une série d'approximations, chacune améliorant la précision et l'utilité de la précédente. Par exemple, une équation simple décrivant la variation du volume d'une quantité donnée d'un gaz avec les changements de température et de pression peut être déduite du modèle d'un "gaz parfait" composé de molécules idéalisée sans dimensions, mais elle ne fournit qu'une approximation du comportement des gaz réels parce que les molécules réelles ne sont pas des points sans dimensions. Une telle équation idéalisée peut être utile pour prédire la comportement des gaz à des températures et des pressions relativement basses,mais elle échoue progressivement quand la forme et la dimension des molécules influencent de plus en plus la compressibilité des gaz à des pressions et températures plus élevées. Heureusement, dans ce cas, nous pouvons mesurer les erreurs et créer des tables de facteurs de correction applicables à divers gaz réels.

La plus grande partie de ce que nous savons sur l'univers date d'une période relativement récente, depuis la découverte de la mécanique quantique et des lois de la relativité restreinte et générale, au début du 20ieme siècle. La mécanique quantique donne d'excellents résultats dans la description du comportement de l'énergie et de la matière à l'échelle ultra microscopique des particules fondamentales. Le relativité générale réussi aussi à prédire comment la force de la gravité déforme la trame de l'espace-temps au voisinage des masses et gouverne l'univers à l'échelle gigantesque du cosmos. Malheureusement, toutes les tentatives d'unifier les mathématiques de ces deux théories qui fonctionnent bien, ont jusqu'à ce jour conduit à résultats absurdes et à des contradictions qui indiquent qu'il manque quelque chose.

La mécanique quantique traite de la façon que l'énergie existe seulement en petites unités distinctes, ou quanta, à l'échelle ultra microscopique des blocs élémentaires constituant l'univers, plutôt qu'en des quantités variant continûment auxquelles nous sommes familiers avec la physique classique. Par exemple, l'unique électron de l'atome d'hydrogène tourne autour du noyau seulement sur certaines orbites qui correspondent à des niveaux déterminés d'énergie. L'électron ne peut pas occuper des orbites intermédiaires mais il peut sauter d'une orbite à une autre, plus haute ou plus basse, en acquérant ou en perdant un quantum d'énergie sous la forme d'un photon.

La mécanique quantique décrit comment la force électromagnétique, la force forte et la force faible interagissent avec la matière. Le modèle sur lequel la mécanique quantique est basée utilise le même concept idéalisé de particules sans dimensions utilisé dans le modèle d'un gaz parfait. Il suppose que les fermions qui composent la matière (les électrons, les quarks et leurs associés antimatière), et les bosons qui transmettent l'énergie (les photons, les gluons et les bosons de jauge faible), sont des entités sans dimension qui ne diffèrent que par leurs divers attributs tels que masse, charge et spin.

La mécanique quantique fonctionne parfaitement bien avec les trois forces mentionnées ci-dessus, mais elle échoue avec la force de la gravité car l'hypothèse d'entités de dimensions nulles conduit à des absurdités comme des densités infinies, des énergies infinies et une déformation infinie du continuum de l'espace-temps.

La science est maintenant en train de s'apercevoir que l'hypothèse de particules fondamentales de dimensions nulles n'est qu'une approximation utile qui doit être remplacée par une perception plus subtile de la réalité. Malheureusement, nous ne pouvons pas, dans ce cas, mesurer les erreurs causées par l'hypothèse simplificatrice de points sans dimensions, comme nous l'avons pu pour corriger la différence entre gaz idéal et gaz réel. Nous devrons donc mettre la main à la pâte pour mettre au point le formalisme mathématique qui s'impose.

L'idée selon laquelle les particules fondamentales pourraient ne pas être sans dimensions est apparue dès 1955, mais elle a été écartée à cause de l'extrême complexité des mathématiques associées. Elle a cependant été reprise une décennie plus tard quand il était devenu évident que cette nouvelle théorie était le seul moyen de réconcilier la relativité générale avec la mécanique quantique.

Selon cette théorie, les particules fondamentales sont les manifestations de la vibration de régions extrêmèment petites de l'espace, les divers modes de ces vibrations donnant naissance à tous les fermions et bosons connus. Par exemple, une particule comme l'électron pourrait être le résultat d'un certain mode de vibration d'une région unidimensionnelle extrêmèment petite de l'espace (1.6 X 10-33 cm de long ). L'analogie avec les divers modes de vibration possibles d'une corde de violon a donné à ce nouveau concept son nom de la "théorie des cordes". Une telle région en vibration pourrait avoir deux bouts comme une corde de violon, ou être en anneau comme une bande élastique. La théorie initiale relative aux modes de vibration d'une corde unidimensionnelle a été étendue pour couvrir les modes de vibrations possibles d'une membrane à deux dimensions (appelée 2-brane) ou d'un volume à trois dimensions appelé 3-brane, et dernièrement à ceux d'une n-brane multidimensionnelle, mais le nom imagé de théorie des cordes est resté. La théorie des cordes a fini par postuler l'existence de six dimensions "ratatinées", en plus des quatre dimensions "étendues" que nous connaissons, (droite-gauche, haut-bas, devant-derrière et passé-futur), pour permettre tous les modes de vibration requis pour donner lieu à toutes les particules fondamentales connues.

La théorie des cordes a connu des hauts et des bas à cause de l'énorme difficulté de mettre au point des procédures mathématiques adéquates pour décrire les modes de vibration possibles dans un univers de dix dimensions. Des progrès sont néanmoins réalisés de temps en temps. En 1985 la théorie des cordes est devenue la théorie des super cordes pour tenir compte de l'intégration du concept de la super symétrie de la mécanique quantique. En 1996 la théorie a eu un nouvel élan quand on a reconnu que les cinq pistes vers une solution mathématique jusqu'alors découvertes, pouvaient être des aspects de la même réalité plutôt que des vues contradictoires. Aujourd'hui, des centaines de physiciens et de mathématiciens cherchent intensément la percée qui transformera le mystère en évidence.

Le traitement mathématique de la théorie des cordes est toujours incomplet et la théorie n'a pas encore été mise à l'épreuve expérimentalement. Par conséquent elle n'est pas encore largement acceptée par la communauté scientifique, mais c'est la seule théorie disponible qui traite correctement de la gravité à l'échelle ultra microscopique. C'est le grand espoir de la physique de développer une Théorie Du Tout (TDT) qui ouvrira la porte à une perception plus profonde de la nature de l'univers, et à un niveau pratique, à des inventions et des réalisations qui appartiennent encore au domaine de la science-fiction.

Certains pensent qu'une Théorie Du Tout annoncerait la fin de la physique, mais je pense au contraire qu'elle serait le commencement d'une nouvelle ère, tout comme la délimitation des continents n'a été que le commencement de l'exploration et l'exploitation des ressources cachées de notre planète. Ce serait plutôt l'aube d'un jour nouveau!