Notes sur le phénomène du Big Bang: la théorie  - tout, Notes de Astronomie. Université des Sciences et Technologies de Lille (Lille I)
Caroline_lez
Caroline_lez9 January 2014

Notes sur le phénomène du Big Bang: la théorie - tout, Notes de Astronomie. Université des Sciences et Technologies de Lille (Lille I)

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Notes d'astronomie sur le phénomène du Big Bang: la théorie - tout. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: La théorie des supercordes, Les dimensions de l'Univers.
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Phénomène du Big Bang : Théorie -

Tout

Notre quête d'une vision unifiée des forces fondamentales ne s'arrête pas là. Il reste encore une

étape à franchir, celle de l'unification de la gravité avec les trois autres interactions : la théorie

du Tout. Cette dernière étape est la plus difficile car elle bute sur un obstacle majeur,

l'incompatibilité de la relativité générale et de la mécanique quantique.

Comme nous l'avons vu, la relativité générale traite de la gravitation et de ses effets à grande

échelle, alors que la mécanique quantique décrit le comportement des particules à une échelle

microscopique. Les deux théories ont donc des domaines d'application très différents, ce qui

explique que toute tentative pour les unifier est particulièrement pénible. Dans les années 1970

et 1980 apparurent des théories qui tentaient avec plus ou moins de succès de surmonter ces

difficultés. Comme dans le cas de la grande unification, ces théories sont extrêmement difficiles

à départager à l'heure actuelle.

La théorie des supercordes

Intéressons-nous alors simplement à celle qui est le plus en vogue de nos jours : la théorie des

supercordes. Celle-ci se distingue par sa remise en cause du concept de particule. En effet,

dans toutes les théories précédentes, les particules élémentaires étaient considérées comme

des points dont la taille était strictement égale à zéro. Dans la nouvelle théorie, les particules

élémentaires ne sont plus des entités ponctuelles, mais de minuscules cordes en forme de

boucles fermées. La taille de ces cordes est infinitésimale, de l'ordre de 10^-35 mètres. Nos

meilleurs moyens d'observation sont bien évidemment incapables de mettre en évidence si

cette idée est correcte ou non, mais sur le plan théorique, l'hypothèse des cordes permet de

réconcilier les principes de la relativité générale et de la mécanique quantique.

L'une des prédictions de la théorie des supercordes est l'existence de nombreuses particules

jamais détectées à ce jour. Comme nous venons de le voir, les particules élémentaires peuvent

être classées en deux catégories : les fermions (quarks et leptons) qui constituent la matière, et

les bosons (photons, gluons et autres), qui sont responsables des différentes forces. D'après la

nouvelle théorie, chaque particule de l'un de ces groupes doit avoir un partenaire dans l'autre,

un principe que l'on dénomme supersymétrie. Ainsi, par exemple, le photon et le gluon sont

associés à des fermions respectivement appelés le photino et le gluino. De même, les quarks et

les électrons ont pour partenaires des bosons appelés les squarks et les sélectrons.

La théorie des supercordes prévoit que toutes ces nouvelles particules sont extrêmement

massives, mais elle ne permet pas de déterminer exactement à quel point. Ainsi, il est possible

que la prochaine génération d'accélérateurs puisse mettre en évidence certains partenaires

supersymétriques, mais il se peut aussi que ces particules soient trop massives pour être un

jour détectées dans une expérience sur Terre. Ces mystérieuses particules sont en tout cas

d'excellentes candidates pour expliquer en partie la masse sombre de l'Univers.

Les dimensions de l'Univers

Un autre aspect de la théorie des supercordes est la remise en cause du nombre de dimensions

de l'Univers. Nous sommes habitués à vivre dans un monde à quatre dimensions : trois pour

l'espace et une pour le temps. Par contre, la théorie des supercordes ne donne des résultats

satisfaisants que si l'Univers possède en fait dix dimensions, une pour le temps et neuf pour

l'espace. Le monde qui nous entoure ne nous révèle donc que quatre de ces dimensions, les six

autres étant cachées et indétectables.

Pour comprendre comment l'Univers peut être doté de six dimensions de plus que ce que nous

observons, considérons une analogie avec un tuyau d'arrosage. Vu de très loin, un tuyau

ressemble simplement à une ligne. Pour définir la position d'un point sur cette ligne, il suffit

d'un seul nombre, par exemple la distance à l'une des extrémités. De loin, le tuyau ne possède

donc qu'une seule dimension. Par contre, lorsque l'on se rapproche, les détails se font plus

précis et la section circulaire apparaît clairement. Pour définir la position d'un point sur la

surface, il faut maintenant deux nombres, par exemple une distance et un angle. Vu de près, le

tuyau possède clairement deux dimensions.

Le phénomène vient du fait que l'une des dimensions du tuyau est beaucoup plus petite que

l'autre. De la même façon, la présence de 10 dimensions dans notre Univers est tout à fait

possible, à condition que six soit repliées sur elles-mêmes et n'aient ainsi qu'une étendue

microscopique. La taille de ces dimensions peut être aussi minuscule que 10^-36 mètres, ce

qui est bien au-delà de la portée ultime de nos expériences les plus précises et explique

pourquoi ces dimensions passent inaperçues.

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