Combien de dimensions notre univers possède-t-il réellement ?


Notre univers possède-t-il des dimensions supplémentaires et comment influencent-elles notre réalité ?

La physique théorique est un domaine fascinant et (parfois) amusant. Bien que la plupart des gens ne prétendent pas en savoir beaucoup sur ce domaine de recherche, nombre de ses concepts les plus avancés apparaissent constamment dans la culture populaire. En fait, des mots comme “nucléaire”, “quantique” et “multivers” sont souvent au cœur de l’intrigue de nos émissions de télévision et de nos films préférés.

D’autre part, certains des concepts les plus avancés de la physique théorique (lorsqu’ils sont décrits) ressemblent davantage à de la philosophie et de la métaphysique qu’à de la science. En fait, certaines théories parviennent même à brouiller les frontières entre science et religion et sont généralement accueillies avec admiration ou rejet (selon la personne qui écoute).

Prenons l’exemple de l’idée de “dimensions supplémentaires”, dont beaucoup pensent qu’elle fait référence à l’existence de dimensions parallèles à la nôtre, où les choses sont légèrement ou fortement différentes – alias la théorie des multivers. En réalité, la théorie des dimensions supplémentaires traite de l’existence possible de dimensions supplémentaires au-delà de celles dont nous sommes immédiatement conscients.

Bien que ce genre de discours puisse sembler farfelu ou purement spéculatif, il s’agit en fait d’une partie essentielle de notre compréhension du fonctionnement de notre Univers. Si et quand nous déterminerons le nombre de dimensions de notre Univers (et ce que fait chacune d’entre elles), nous aurons enfin une théorie du tout et saurons comment tout s’imbrique.

Dimensions 101

Pour simplifier, le terme “dimension” désigne toute mesure mathématique. Il peut généralement s’agir d’une mesure physique (un objet ou un espace) ou d’une mesure temporelle (le temps). Les trois dimensions dont nous faisons l’expérience au quotidien définissent la longueur, la largeur et la profondeur de tous les objets de notre univers (respectivement les axes x, y et z).

Cependant, les scientifiques soutiennent que pour comprendre les lois de la nature, il faut inclure une quatrième dimension, qui est le temps. Sans cette coordonnée, il est impossible de mesurer correctement la position, la vitesse et l’accélération des objets dans notre Univers. Il ne suffit pas de savoir où se trouve un objet en fonction de trois coordonnées spatiales. Il faut également savoir à quel moment l’objet se trouvait là.

Au-delà de ces quatre dimensions, les physiciens théoriques se sont aventurés à penser que d’autres dimensions pouvaient entrer en jeu. Le nombre de dimensions varie, mais l’objectif des dimensions supplémentaires est de trouver des moyens d’unifier les lois connues de l’Univers, ce que les physiciens théoriques tentent de faire depuis environ un siècle.

La raison est liée à deux domaines d’étude très intéressants : la mécanique quantique (MQ) et la relativité générale (RG). Ces domaines sont apparus au début du 20e siècle et étaient presque concomitants. Alors que la MQ a de nombreux ancêtres (Planck, Heisenberg, Schrodinger, etc.), la RG doit son existence, du moins initialement, à Albert Einstein – bien que nombre de ses idées aient été des raffinements de théories antérieures.

Pour mémoire, Einstein a également contribué au développement de la MQ par ses recherches sur le comportement de la lumière. Quoi qu’il en soit, alors que la mécanique quantique (MQ) décrit le comportement de l’énergie et de la matière aux niveaux atomique et subatomique, la relativité générale (RG) décrit le comportement de la matière, de l’énergie et de l’espace-temps à des échelles plus grandes en présence de la gravité.

Le plus drôle, c’est que nos plus grands esprits scientifiques essaient de comprendre comment ces deux domaines s’accordent depuis près d’un siècle. Les deux semblent fonctionner très bien en soi, mais la façon dont ils se rejoignent en un seul système cohérent reste largement un mystère.

Quatre forces fondamentales

Après des milliers d’années de recherche sur la nature et les lois qui la régissent, les scientifiques ont déterminé que quatre forces fondamentales régissent toutes les interactions matière-énergie. Ces forces, ainsi que les particules fondamentales qui composent toute la matière (quarks, leptons, bosons de jauge et bosons scalaires), font partie du modèle standard de la physique des particules. Ces forces sont :

  • L’électromagnétisme
  • La force nucléaire faible
  • La force nucléaire forte
  • La gravitation

Les trois premières forces sont toutes décrites par le domaine de la mécanique quantique et sont associées à des particules subatomiques spécifiques. L’électromagnétisme est associé aux électrons (un lepton), qui sont responsables de l’électricité, du magnétisme et de toutes les formes de rayonnement électromagnétique. Cela inclut la lumière visible (couleur), la chaleur, les micro-ondes, les ondes radio, le rayonnement ultraviolet et les rayons gamma.

Source : NASA

La force nucléaire faible traite des interactions entre les particules subatomiques responsables de la désintégration radioactive des atomes et est associée à des particules plus petites qu’un proton (bosons). À des énergies plus élevées, cette force fusionne avec l’électromagnétisme, ce qui a donné lieu au terme unifié de “force électrofaible”.

La force nucléaire forte régit les particules de la taille des protons et des neutrons (hadrons) et est ainsi nommée parce qu’elle est environ 137 fois plus forte que l’électromagnétisme, des millions de fois plus forte que la force nucléaire faible et 1038 fois plus forte que la gravitation. Elle pousse les quarks à s’assembler pour former des protons et des neutrons plus gros et les lie pour créer des noyaux atomiques.

Enfin, la gravitation, qui est la plus faible des quatre forces, traite des interactions entre les objets massifs (astéroïdes, planètes, étoiles, galaxies et structure à grande échelle de l’Univers). Contrairement aux trois autres forces, il n’existe aucune particule subatomique connue qui décrive la gravitation ou les interactions gravitationnelles.

C’est pourquoi les scientifiques sont contraints d’étudier la physique en termes de QM ou de GR (en fonction des échelles concernées), mais généralement pas les deux combinés. Pour cette raison, les scientifiques ont essayé de trouver un cadre théorique pour unifier la gravité avec les autres forces. Les tentatives en ce sens relèvent généralement de la “gravité quantique” ou d’une théorie du tout.

Combien de dimensions y a-t-il ?

Les tentatives de création d’une théorie unifiée des champs de la gravitation et de l’électromagnétisme remontent au physicien allemand Theodor Kaluza (1885-1954). En 1921, il a publié un article dans lequel il présentait une interprétation étendue des équations de champ d’Einstein. Cette théorie reposait sur l’idée d’un univers à 5 dimensions, qui incluait une dimension au-delà de la 4D commune de l’espace et du temps.

En 1926, le physicien théorique suédois Oskar Klein a proposé une interprétation quantique de la théorie des 5D de Kaluza. Dans l’extension de Klein, la cinquième dimension était recroquevillée, microscopique, et pouvait prendre la forme d’un cercle de 10 à 30 cm de rayon. Dans les années 1930, des travaux ont été entrepris sur la théorie des champs de Kaluza par Einstein et ses collègues à Princeton. Dans les années 1940, la théorie a été formellement complétée et a reçu le nom de théorie de Kaluza-Klein.

Les travaux de Kaluza et Klein ont prédit l’émergence de la théorie des cordes (ST), qui a été proposée pour la première fois dans les années 1960. Dans les années 1990, de multiples interprétations ont vu le jour, notamment la théorie des supercordes, la gravité quantique à boucles, la théorie M et la supergravité. Chacune de ces théories implique l’existence de “dimensions supplémentaires”, d’“hyperespace” ou quelque chose de similaire.

Pour résumer, la théorie ST stipule que les particules ponctuelles de la physique des particules sont en fait des objets unidimensionnels appelés “cordes”. Sur des distances supérieures à l’échelle de la corde, elles ressemblent à des particules ordinaires, bien que leur masse, leur charge et d’autres propriétés soient déterminées par l’état vibratoire de la corde. Dans un état, la corde correspond au graviton, qui est à l’origine de la gravitation.

Source : NASA

La théorie des supercordes, une variation de la ST, requiert l’existence de 10 dimensions de l’espace-temps. Celles-ci comprennent les quatre dimensions qui nous sont immédiatement apparentes (longueur, largeur, profondeur, temps) et six autres qui ne le sont pas.

Ces six dimensions supplémentaires sont enroulées dans un espace compact. À l’échelle des cordes (10-33 cm), nous ne serions pas en mesure de détecter directement la présence de ces dimensions supplémentaires, car elles sont tout simplement trop petites.

Selon la théorie, les cinquième et sixième dimensions concernent des mondes possibles qui ont commencé avec les mêmes conditions initiales.

La cinquième dimension englobe des mondes dont l’issue est légèrement différente de la nôtre, tandis que la sixième est celle où un plan de mondes possibles serait visible. La septième dimension est l’endroit où l’on pourrait voir des mondes possibles commençant par des conditions initiales différentes et se ramifiant ensuite à l’infini – d’où le terme “infini” utilisé pour les décrire.

La huitième dimension nous donnerait de la même manière un plan de ces “infinis”, tandis que dans la neuvième dimension, on pourrait voir tous les univers et toutes les lois de la physique possibles. Dans la dixième dimension, tout ce qui est possible en termes d’évolution cosmique est accessible. Au-delà, rien ne peut être vu par les êtres vivants qui font partie du continuum espace-temps.

La théorie M, qui combine cinq théories distinctes des supercordes, postule l’existence de 11 dimensions – dix spatiales et une temporelle. Cette variation de la théorie des supercordes est considérée comme attrayante en raison des phénomènes qu’elle prédit. Par exemple, la théorie M prédit l’existence du graviton, qui est cohérent avec la théorie des cordes dans son ensemble et offre une explication de la gravité quantique.

Elle prédit également un phénomène similaire à l’évaporation des trous noirs, où ces derniers émettent un “rayonnement de Hawking” et perdent de la masse au fil du temps. Certaines variantes de la théorie des supercordes prédisent également l’existence de ponts d’Einstein-Rosen, aussi appelés “trous de ver”. Une autre approche, la gravité quantique à boucles (LQG), postule que la gravité est complètement différente des autres forces fondamentales et que l’espace-temps lui-même est constitué de bits quantifiés et discrets, sous la forme de minuscules boucles unidimensionnelles.

Certaines versions de la théorie de la supergravité préconisent également un modèle d’espace-temps à 11 dimensions, avec 4 dimensions communes et 7 dimensions d’hyperespace. Il existe également la “théorie des cordes”, selon laquelle l’Univers est constitué de “membranes” vibrantes multidimensionnelles qui possèdent une masse et une charge et peuvent se propager dans l’espace-temps.

À ce jour, il n’existe aucune preuve expérimentale de l’existence de “dimensions supplémentaires”, d’“hyperespace” ou de quoi que ce soit au-delà des quatre dimensions que nous pouvons percevoir.

Pourquoi ne pouvons-nous pas les voir ?

Hélas, la question demeure. Si des dimensions supplémentaires sont nécessaires pour que les lois de la physique aient un sens, pourquoi ne pouvons-nous pas confirmer leur existence ? Il y a deux possibilités : premièrement, ce que nous pensons savoir de la physique est erroné, ou deuxièmement, les dimensions de l’espace-temps au-delà de la 4D que nous connaissons sont si subtiles ou minuscules qu’elles sont invisibles pour nos expériences actuelles.

À première vue, la première possibilité semble hautement improbable. Après tout, les expériences en cours sur les particules – comme celles menées avec le Grand collisionneur de hadrons (LHC) – ont confirmé que le modèle standard de la physique des particules est correct. De même, la relativité générale a été confirmée à de nombreuses reprises depuis qu’Einstein l’a formellement proposée en 1915.

Il nous reste donc la deuxième possibilité : les dimensions supplémentaires ne peuvent pas être mesurées ou caractérisées à l’aide des méthodes et expériences actuelles. Une possibilité bien étudiée est que les dimensions soient “enroulées” à des échelles minuscules, ce qui signifie que leurs propriétés et leur influence sur l’espace-temps ne pourraient être mesurées qu’à des niveaux subatomiques.

Une autre possibilité est la “compactification”, où certaines dimensions sont finies ou temporelles par nature. En bref, cette théorie postule que les dimensions enroulées deviennent très petites ou se referment sur elles-mêmes pour former des cercles. Si c’est le cas, les six dimensions supplémentaires prendraient probablement la forme d’un collecteur Calabi-Yau (ces formes satisfont aux exigences requises pour les six dimensions spatiales “invisibles” de la théorie des cordes).

Pour les astrophysiciens et les physiciens théoriques, la compactification et l’idée que les dimensions supplémentaires sont minuscules expliquent pourquoi l’Univers existe encore des milliards d’années après son émergence. Si ces dimensions étaient plus grandes, elles accueilleraient suffisamment de matière pour déclencher des effondrements gravitationnels et la formation de trous noirs (qui consumeraient le reste de l’Univers).

Le fait que le cosmos existe toujours après 13,8 milliards d’années et ne montre aucun signe de déchirement suggère que cette théorie est fondée. Il se peut aussi que les lois de la physique fonctionnent différemment dans ces dimensions supplémentaires. Quoi qu’il en soit, la question de savoir comment nous pourrions les observer et les étudier reste sans réponse.

Comment les trouver ?

Si l’Univers possède réellement des dimensions supplémentaires qui nous sont imperceptibles, comment allons-nous trouver la preuve de leur existence et déterminer leurs propriétés ? L’une des possibilités consiste à les rechercher au moyen d’expériences de physique des particules, comme celles menées par l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) – qui exploite le LHC – et d’autres laboratoires d’accélération des particules.

Au CERN, les scientifiques portent les particules à des énergies élevées avant de les faire s’entrechoquer et de mesurer la cascade de particules subatomiques qui en résulte. Les détecteurs recueillent des indices sur les particules, tels que leur vitesse, leur masse et leur charge, qui peuvent être utilisés pour déterminer leur identité.

Les théories impliquant des dimensions supplémentaires prédisent qu’il doit exister des versions plus lourdes des particules standard se reproduisant à des énergies de plus en plus élevées lorsqu’elles naviguent dans des dimensions plus petites. Ces particules auraient exactement les mêmes propriétés que les particules standard (et seraient donc visibles par des détecteurs comme ceux du CERN), mais avec une masse plus importante. Si l’on en trouvait la preuve, cela pourrait suggérer la présence de dimensions supplémentaires.

Une autre façon de procéder consiste à remonter le temps jusqu’à la période connue sous le nom d’aube cosmique, soit environ 100 à 500 millions d’années après le Big Bang, lorsque les premières étoiles et galaxies se sont formées. Même si les dimensions supplémentaires sont imperceptibles à la détection aujourd’hui, elles auraient influencé l’évolution de l’Univers dès le début.

Jusqu’à présent, les astronomes n’ont pas été en mesure de voir aussi loin dans le temps car aucun télescope n’était assez sensible. Cela changera dans un avenir proche, grâce aux instruments de nouvelle génération comme le télescope spatial James Webb (JWST), le télescope spatial romain Nancy Grace (RST), le télescope extrêmement grand (ELT) et le télescope géant Magellan (GMT).

Source : Suvendu Giri

Cela coïncide parfaitement avec les études existantes sur la matière noire et l’énergie noire qui observent les débuts de l’histoire des comètes dans l’espoir de mesurer leur influence sur l’évolution cosmique. Étant donné que certains théoriciens s’aventurent à penser que l’existence de dimensions supplémentaires pourrait contribuer à expliquer l’“Univers sombre”, ces observations pourraient résoudre plusieurs mystères à la fois.

Cette double approche n’est pas sans rappeler notre compréhension actuelle de l’Univers, que les scientifiques ne peuvent appréhender que de deux manières : à la plus grande (GR) et à la plus petite des échelles (QM). En observant l’Univers avec une lentille très large et un angle très étroit, nous pourrions être en mesure de rendre compte de toutes les forces qui le gouvernent.

* * *

Comme d’autres candidats à la théorie du tout, la croyance que l’univers est composé de dix dimensions ou plus est une tentative de prendre toutes les lois physiques que nous comprenons et de découvrir comment elles s’assemblent. À cet égard, c’est comme l’assemblage d’un puzzle, où chaque pièce a un sens pour nous, mais où nous ne savons pas à quoi ressemble la vue d’ensemble.

Il ne suffit pas d’assembler les pièces lorsqu’elles semblent correspondre. Nous devons également avoir une idée globale du cadre, une image mentale de ce à quoi il ressemblera lorsqu’il sera terminé. Cela permet d’orienter nos efforts et d’anticiper la manière dont tout s’assemblera.

Lire aussi : Le cas curieux du voyage dans le temps, des univers parallèles et des dimensions alternatives

Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche


Vous aimerez aussi...

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *