Notre Univers contient-il des dimensions cachées? Existe-t-il d’autres univers? Et trouvera-t-on une «théorie du tout»? La théorie des cordes est la voie d’étude la plus prometteuse. Visite avec le théoricien et cosmologiste français Thibault Damour.
«Ce qu’il y a de plus incompréhensible au monde, c’est que le monde soit compréhensible.» La citation est d’Albert Einstein. Mais Thibault Damour pourrait la faire sienne. Ce physicien de l’Institut des hautes études scientifiques, près de Paris, ne cesse ne s’émerveiller devant la propension de l’homme à vouloir (et pouvoir) comprendre ce qui l’entoure, matière, espace, temps. Quitte à imaginer des dimensions cachées, des univers multiples. La théorie des cordes, qui a la meilleure cote pour être la «théorie du tout» tant recherchée, ne postule-t-elle pas l’existence de 10500 univers?! Embarquement pour un voyage vertigineux dans la physique théorique et la cosmologie.
Le Temps: Dans quel Univers vit-on?
Thibault Damour: (Rires). Vous faites référence à l’idée d’univers multiples. Il faut distinguer deux concepts. D’une part, la théorie cosmologique de l’inflation suppose que l’Univers que l’on voit n’est qu’une infime partie d’un tout immensément plus grand. Nous ne voyons donc que l’analogue du voisinage d’un petit village. Et très loin, d’autres régions de ce tout pourraient avoir des propriétés très différentes des nôtres. Par exemple, les lois de la physique, les particules pourraient y être autres… Mieux: si ce multi-univers (ou multivers) est infini, l’idée est que toutes les possibilités d’existence d’univers sont, philosophiquement ou physiquement, réalisées quelque part. Simplement, elles le sont très loin de nous. Ainsi, il y a peut-être, ailleurs, une pièce avec des personnes nous ressemblant un peu. Mais ce serait moi le journaliste et vous le scientifique…
Le deuxième concept d’univers multiples découle de la théorie quantique. Aussi étonnant que cela puisse paraître, celle-ci dit que tout système physique, même macroscopique, peut être simultanément dans deux états différents. Tous les objets autour de nous pourraient donc exister dans un grand nombre de configurations. Et toutes ces réalités coexistent les unes avec les autres, comme superposées. Mais nous n’avons accès, nous ne vivons que dans une seule d’elles.
Souvenez-vous du double film Smoking/No Smoking d’Alain Resnais et Alan Ayckbourn: ces deux films ont des scénarios similaires, mais avec des bifurcations soudaines vers des issues différentes. Par analogie, la théorie quantique nous dit que la réalité complète est semblable à un film multiplement «surimpressionné»: plusieurs «films» avec des trames peu ou prou différentes sont superposés sur la même pellicule, et sont projetés ensemble sur le même écran. Or si l’on ne voit pas un embrouillamini incompréhensible d’images, c’est parce que notre Å“il n’est habitué à suivre qu’un seul scénario à la fois.
– Peut-on percevoir ces univers parallèles?
– Dans l’interprétation quantique, accéder physiquement à ces réalités multiples est à peine possible dans des expériences en laboratoire très délicates. Et ce, seulement durant des temps infiniment brefs. Il est donc illusoire d’espérer rencontrer notre double dans une autre réalité-scénario…
Concernant la première interprétation: ces autres univers existent dans un sens plus fort, mais sont très loin dans l’espace. Ils seraient si éloignés que même à la vitesse de la lumière, il faudrait des milliards d’années pour y aller. Nous n’avons donc pas accès à cette information.
– En août 2007, des astrophysiciens ont détecté un immense «trou» dans l’espace, soit une portion contenant très peu de galaxies. Les plus téméraires affirment qu’il s’agit d’un passage vers un autre Univers, ou d’un trou de verre…
– Une chose est sûre: tout l’Univers observable avec nos instruments est soumis aux mêmes lois de la physique. On en a des preuves très solides. Par exemple: des atomes sur des galaxies primitives absorbent la lumière de la même manière qu’ici-bas. Que la distribution de matière soit si faible dans ce «trou» est intriguant, mais cela doit s’expliquer rationnellement.
Quant au concept de «trou de verre», il est très intéressant: l’Univers pourrait ressembler au plateau d’une table. Avec, parfois, un trou connectant le dessus avec le dessous. Alors, au lieu de se déplacer uniquement sur le plateau, on peut passer par le trou pour se mouvoir, pendant un moment, sous la table, et ressortir plus loin par un autre trou. Mais cela en ayant fait un chemin beaucoup plus petit qu’en étant resté sur la table! Ce concept, encore non expérimenté, a été introduit par Einstein et Rosen vers 1930, et pourrait théoriquement permettre de voyager dans le temps.
Les théories physiques contiennent parfois des concepts qui semblent absurdes. Les explorer sans tabous est crucial pour le progrès scientifique. Mais je garde aussi les pieds sur terre concernant ce qui existe réellement autour de nous. Et cela me paraît outrancier d’utiliser cette idée pour expliquer cette découverte récente.
– Un concept un peu moins fou est celui de dimensions cachées… On parle d’Univers à dix dimensions…
– Les Grecs, lorsqu’ils ont tenté de mathématiser la notion d’espace, ont compris que la géométrie pouvait être décrite par trois dimensions spatiales (largeur, longueur, hauteur). Puis, un jour, les mathématiciens se sont dits: pourquoi trois? Et pas deux ou cinq? Une fois la question posée, elle nécessite une réponse… Car la science est une approche rationnelle de la réalité qui ne s’assied jamais croyant avoir tout compris
– En ce début 2008, a-t-on trouvé une réponse à cette question?
– Aucun élément observable ne permet d’indiquer aujourd’hui qu’il existe plus que trois dimensions visibles de l’espace, auxquelles s’ajoute le temps. Mais, dès 1920, le mathématicien Theodor Kaluza et le physicien Oskar Klein ont expliqué comment pourrait apparaître une quatrième dimension spatiale, sans qu’on la voie.
Considérons la pièce dans laquelle on se trouve [limitée d’un côté par une fenêtre et, en face, par une porte]: imaginons qu’au moment de sortir par la fenêtre, on ré-entre simultanément par la porte. L’espace au-delà de la fenêtre n’existe donc pas, mais se ramène à celui situé devant la porte dans la pièce. Nous nous trouvons presque dans la même situation que lorsque l’on regarde dans deux miroirs qui se font face, avec la même impression de champ sans limites. De même, on ne verrait pas de bord à l’espace que constitue la pièce, puisqu’en se déplaçant on ne bute pas sur quelque chose lorsque l’on passe par la fenêtre. Pourtant, le volume total de notre pièce a bien une largeur finie. C’est cela qui définit notre dimension supplémentaire, et l’on dit qu’elle est «repliée sur elle-même».
Imaginons maintenant que la «largeur» de cette pièce soit beaucoup plus petite que la taille d’un atome, si petite qu’elle soit invisible avec les instruments de physique existants. Nous ne verrons alors pas qu’existe cette dimension supplémentaire. Mathématiquement, on peut ainsi rajouter autant de dimensions que l’on veut: si elles sont suffisamment petites, on aura beaucoup de mal a les voir. Ce qui ne veut pas encore dire qu’on ne les verra pas…
– Comment le faire?
– Peut-être grâce au LHC, ce gigantesque accélérateur de particules construit au CERN, à Genève. Certaines idées récentes suggèrent qu’il est possible que l’on découvre de telles dimensions supplémentaires par le phénomène suivant: lors d’une collision frontale de deux particules, des débris pourraient passer momentanément dans des dimensions imperceptibles. Cela se traduirait par une perte d’énergie décelable dans le produit de la collision. Malgré l’aspect très spéculatif, c’est intéressant de se dire que l’on va pouvoir bientôt explorer pour la première fois cette possibilité, dès le lancement du LHC en mai prochain.
– L’idée d’un espace à dix dimensions est à la base de la théorie des cordes. De quoi s’agit-il?
– Il y a 2000 ans, les Grecs résumaient la réalité en disant: «Des atomes et du vide». La théorie des cordes, née en 1968, modifie cette idée: les constituants élémentaires de la réalité ne sont pas des atomes ponctuels mais plutôt des cordes élastiques infiniment petites (de l’ordre de 10-35 mètre). Des cordes qui, à l’image des cordes d’un instrument de musique dispensant des notes de hauteurs différentes, peuvent vibrer selon plusieurs modes. L’idée centrale de la théorie est que chacun de ces modes de vibration interne d’une corde peut être identifié à l’une des particules élémentaires connues: électron, quark, photon, etc.
Et pourquoi dix dimensions d’espace-temps (soit neuf pour l’espace et une pour le temps)? Parce que la théorie n’est mathématiquement consistante qu’avec cette valeur. Cela nous donne ainsi pour la première fois une justification rationnelle de la nécessité d’avoir un nombre particulier de dimensions. Du coup, on peut déduire que, comme on ne voit pas les six dimensions supplémentaires, il doit exister une raison à cela: on pense que l’explication est celle de Kaluza/Klein, selon laquelle ces dimensions sont repliées sur elles-mêmes, et ne sont visibles qu’à une échelle infiniment petite.
– En quoi cette théorie est-elle «révolutionnaire»?
– Elle dépasse le Modèle standard. Celui-ci est l’échafaudage incomplet sur lequel est construite toute la physique actuelle. Il contient notamment les particules décrites à ce jour, ainsi que trois des quatre forces fondamentales gouvernant la nature (la force électromagnétique, la force faible, et la force forte). Par contre, il n’inclut pas la force de gravité. C’est un grave problème pour les physiciens. La théorie des cordes peut, elle, contenir la théorie de la gravitation. Elle marie donc la relativité générale d’Einstein (utilisée pour décrire la gravitation des astres à très grande échelle) ET la mécanique quantique (qui explique le monde de l’infiniment petit), pour former la «théorie du tout» tant recherchée.
– Où bute-t-on pour affirmer que c’est LA bonne théorie? Un des problèmes n’est-il pas que cette thèse n’est soutenue par aucune évidence expérimentale?
– La théorie des cordes, avec sa richesse de contenu, est la plus prometteuse pour unifier toute la physique du XXe siècle. Mais, c’est clair, elle n’a pas encore rempli toutes ses promesses – difficile par exemple d’expliquer pourquoi l’expansion de l’Univers va en accélérant. Et il n’y a, pour l’heure, aucune indication expérimentale que cette théorie ait la moindre connexion avec le monde réel…
Toutefois, certaines prédictions suggérées par cette théorie pourraient être observables, par exemple avec le LHC. Une autre illustration concerne l’un des postulats fondamentaux d’Einstein, qui dit que deux corps chutant dans le vide subissent la même accélération. La théorie des cordes suggère que ce n’est pas tout à fait vrai… Et des scientifiques vont bientôt tester cette hypothèse (lire ci-dessous). On peut espérer que, si un écart apparaît dans les mesures, la théorie des cordes l’expliquera de façon naturelle. A l’inverse, si on ne trouve rien, on ne déduira pas pour autant que la théorie ne vaut rien. Car la science se construit davantage sur la confirmation d’hypothèses que sur leur infirmation.
– Cette théorie postule aussi l’existence d’une panoplie de 10500 univers, voire davantage. N’est-ce pas insatisfaisant, car un peu vague? Cela ne se rapproche-t-il pas du principe anthropique, selon lequel toutes les possibilités d’univers sont vraies, les humains vivant simplement dans l’une d’elles?
– Cela donne peut-être l’idée que c’est une théorie trop riche pour l’esprit humain. Qu’on n’arrive pas encore, en la pressant comme un citron, à en faire sortir quelque chose d’unique, mais plutôt beaucoup de possibilités.
Par ailleurs, cette théorie contient une idée encore plus profonde. Depuis toujours, il est agréable de voir les choses comme suit: on pose comme cadre l’espace, puis on y inscrit une structure faite de particules élémentaires (la matière, nous). Or la théorie des cordes avance que le contenant de l’Univers est identique au contenu! Autrement dit: on pose, comme toile de fond, un espace-temps et on y place des structures élémentaires (les cordes). Mais en développant la théorie, on se rend compte que l’espace est en fait constitué d’une espèce de «soupe de cordes». Au final: c’est un serpent qui se mord la queue, car le constituant élémentaire de la matière apparaît comme étant aussi le constituant de l’espace dans lequel la matière existe. Les deux entités sont consubstantielles. Cela devient difficile de penser la réalité… Pourtant, techniquement, ce que je raconte a un sens. Mais visiblement, il faudra trouver un autre formalisme plus général, qui n’est ni espace ni corde pour expliquer tout cela. C’est LE grand défi de la cosmologie et de la physique théorique.
– On a l’impression que plus l’on avance dans ces réflexions, plus le champ d’exploration est vaste…
– Une évidence s’impose en sciences: plus l’on avance, plus s’agrandit la frontière avec l’inconnu. C’est comme lors de la conquête géographique. Si la cosmologie ressemble à une planète sphérique, il se peut que cette quête s’achève en se refermant sur elle-même. Et que l’on aboutisse à une théorie du tout. Mais peut-être ne sera-ce pas le cas, et que va sans cesse s’ouvrir une arborescence de champs inexplorés. La théorie des cordes peut parfois sembler bloquée, c’est vrai. Mais peut-être l’est-elle par ou à cause de sa propre richesse.
Quelque chose me fait un peu peur: on disait combien il est merveilleux que le cerveau humain puisse comprendre l’Univers. Mais regardez Ulysse [son chien assoupi à ses pieds]: même si son cerveau est proche du nôtre à 99%, il ne comprendra pas la théorie d’Einstein. De même, il se peut qu’un jour l’esprit humain n’arrive pas à comprendre l’Univers parce que les lois deviendront trop subtiles ou compliquées. J’espère qu’on n’est pas encore arrivé là avec la théorie des cordes. Pour l’heure, elle reste le défi intellectuel le plus profond.
