théorie des cordes

Un trou noir n'est pas qu'une sphère sombre. En théorie des cordes, il peut se faire pousser des « cheveux » — des champs scalaires supplémentaires, comme l'axion et le dilaton. Ces champs modifient doucement la géométrie de l'espace autour du trou.

Un trou noir sonne comme une cloche après un impact. Cette sonnerie, ce sont les ondes gravitationnelles que les détecteurs capturent. Mais qu'est-ce qui change si l'espace autour du trou est courbé non seulement par sa masse, mais aussi par une correction quantique supplémentaire ?

L'univers ressemble parfois à un vieux tissu : après un refroidissement rapide, il pourrait y rester des plis — de fins fils presque invisibles d'une densité monstrueuse. On les appelle cordes cosmiques. Habituellement, au centre d'une telle corde se cache une singularité — un point où les lois de la physique perdent leur sens.

Un mince fil d'argent long comme un cheveu, et pourtant, les lois quantiques pures y règnent. Des physiciens ont construit un conducteur où les électrons ne peuvent se déplacer que vers l'avant ou vers l'arrière, comme sur une route à voie unique parfaitement droite, sans accotement.

Deux étoiles tournent l'une autour de l'autre, se rapprochant progressivement. Leur danse perd de l'énergie, et cette énergie s'échappe dans l'espace sous forme d'ondes gravitationnelles, et parfois d'autres champs.

La lumière issue des tout débuts de l'univers voyage vers nous depuis 13,8 milliards d'années. Pendant ce temps, sa polarisation — la direction de ses oscillations — a pu subir une rotation, comme l'aiguille d'une boussole qu'on aurait discrètement tournée. Ce phénomène est appelé par les physiciens biréfringence cosmique.

Juste après le Big Bang, l'espace s'est refroidi de manière inégale. À certains endroits, des plis ont pu se former — des filaments d'énergie fins comme un cheveu, mais incroyablement denses. Les physiciens les appellent des cordes cosmiques.

Dans les premières fractions de seconde après le Big Bang, l'Univers était le théâtre de changements rapides. Une membrane en caoutchouc tendue qui refroidit rapidement se couvre de microfissures. Un processus similaire à l'échelle cosmique aurait pu engendrer des cordes cosmiques : des filaments d'énergie extrêmement fins mais superdenses, s'étendant à travers tout l'Univers.

L'Univers primordial ressemblait à un océan refroidissant à toute allure. À des températures colossales, tout était unifié – les quarks, les électrons, les interactions se fondaient en une « vapeur » symétrique.

Une corde de guitare, si on la pince, vibre puis s'éteint rapidement. Maintenant, imaginez une corde cosmique : un fil d'énergie pure, vestige du Big Bang, des milliards de fois plus fin qu'un atome et plus dense qu'une étoile à neutrons. Frappez-la, et elle pourrait chanter pendant des milliards d'années.

La gravité quantique ressemble à de la comptabilité : chaque trajectoire possible est une écriture dans un grand livre, et pour faire le bilan, il faut toutes les additionner.

Pendant longtemps, identifier les phases quantiques ressemblait à un interrogatoire : il fallait explorer chaque recoin du système pour en soutirer le secret. À l'époque de Lev Landau, l'ordre était lié à la brisure de symétrie et à un paramètre local — tout était clair comme de l'eau de roche.

Depuis que Fritz Zwicky a remarqué que les amas de galaxies se déplacent trop vite, et que Vera Rubin a mesuré la rotation des bras spiraux, la matière noire reste la grande énigme de la cosmologie.

En physique quantique, il existe des théories où tout obéit à des proportions nettes — comme un rythme musical qui revient toujours au début de la mesure. Mais il existe aussi des théories « irrationnelles », où le rythme se brise et où il est presque impossible de prédire le prochain battement.

L'image du monde que nous connaissons par les manuels d'Einstein est une toile lisse à quatre dimensions. Mais la théorie des cordes ajoute un cadre de dimensions supplémentaires — invisible, mais sensible à la gravité.

Depuis l'enfance, nous avons l'habitude de penser que l'espace est infini et isotrope. Mais Albert Einstein et Georges Lemaître se demandaient déjà : l'Univers ne serait-il pas refermé sur lui-même, comme un ruban de Möbius ou un tore tridimensionnel ?

La théorie des supercordes tente de décrire tout ce qui existe comme des vibrations de fils inimaginablement petits. Mais même ces fils ont leur propre comptabilité. Lorsque les physiciens calculent l'énergie de l'espace vide, ils doivent passer en revue tous les états possibles de la corde — comme un caissier qui doit scanner chaque article d'un hypermarché géant.

Dans le monde microscopique, les forces à longue portée — la gravité ou l'électricité — ne s'éteignent jamais, même à de très grandes distances. Ainsi, toute particule traîne derrière elle un sillage de photons ou de gravitons mous (c'est-à-dire de très basse énergie). Ce sillage est appelé « vêtement » : sans lui, les calculs s'effondrent, des infinis apparaissent.

Lorsqu'une galaxie lointaine nous envoie sa lumière, celle-ci s'affaiblit avec la distance — et c'est grâce à cet affaiblissement que l'on peut savoir à quelle distance elle se trouve.

Un trou noir n'est pas simplement un aspirateur cosmique. C'est une région où la gravité est si intense que même la lumière ne peut s'en échapper. Mais si on le plonge dans un fluide parfait de matière noire et qu'on ajoute un nuage de cordes — de fins filaments tendus à travers tout l'espace — le tableau se complique.

Si l'on jette un caillou dans un étang, des cercles se propagent à la surface. De la même manière, un trou noir « sonne » lorsque de la matière y tombe ou lorsque son espace-temps est légèrement secoué. Ces oscillations amorties sont appelées modes quasi-normaux — comme le son d'une cloche qui s'éteint progressivement.

Une corde de guitare est tendue entre deux miroirs. Un faisceau lumineux rebondit d'un miroir à l'autre, et la corde frémit à chaque contact. Parfois, la lumière perd de l'énergie : la corde l'absorbe et la dissipe en chaleur, comme un son qui s'éteint. D'autres fois, la corde modifie la hauteur tonale de la lumière elle-même, décalant sa couleur, mais sans l'affaiblir presque.

L'orchestre joue en désordre, et le son semble chaotique. Mais si l'on note toutes les notes et qu'on les analyse mathématiquement, on peut reconstituer la forme de la salle de concert — où sont les murs, quelle est la hauteur du plafond. C'est à peu près ainsi que des physiciens proposent de dériver la gravité à partir de la théorie quantique.

L'Univers primordial ressemblait à un élastique tendu. Dans certaines théories, cet élastique n'est pas simplement l'espace, mais d'immenses cordes oscillantes dont la tension faisait gonfler le monde à une vitesse inimaginable.

Un tapis complexe, au motif invisible à l'œil mais rigoureux. Chaque fil obéit à des règles que l'on peut écrire sous forme d'équations. En mathématiques, le rôle de ce tapis est joué par les espaces de Calabi-Yau — des figures multidimensionnelles importantes pour la théorie des cordes. Les courbures de l'espace-temps y ressemblent à des plis dans le tissu.

Juste après le Big Bang, dans le chaudron bouillonnant d'un univers en refroidissement, comme dans un verre qui se fige irrégulièrement, des tensions sont apparues — de minuscules fissures de la réalité, les cordes cosmiques.

Deux cailloux tombent dans l'eau, et les rides à la surface se croisent, mêlant leurs motifs. C'est à peu près ce que font les neutrinos : des particules légères qui nous traversent par milliards chaque seconde. Elles savent se transformer d'un type à un autre, comme un acteur qui change de masque. Cette danse, les physiciens l'appellent oscillation.

L'espace-temps est souvent imaginé comme un tissu lisse. Mais à l'échelle microscopique, ce tissu pourrait ne pas être continu, mais constitué d'« atomes » individuels — des événements reliés par la causalité. Cette vision du monde s'appelle la théorie des ensembles causaux.

Une photo en très haute résolution peut être agrandie longtemps — et soudain, un visage lisse se décompose en pixels individuels. Quelque chose d'analogue, selon une nouvelle étude, se produit avec l'espace-temps lui-même.

Frappez une cloche, elle sonne. Mais le son n'est pas quelconque : la cloche choisit elle-même les notes accordées à son métal. Il s'avère qu'un trou noir se comporte de la même manière. Lorsque quelque chose y tombe ou que son espace-temps se courbe, il se met à osciller.

Une corde fondamentale, pincée au moment du Big Bang, ne se contente pas de bourdonner sur une seule note : des vagues courent le long d'elle, et de temps en temps, de minuscules boucles se détachent. Ces boucles, comme des diapasons, se mettent à vibrer à leur fréquence propre, produisant un son très aigu.

La lumière ancienne, qui voyage depuis 14 milliards d'années, nous parvient de toutes les directions. Elle semble parfaitement uniforme, mais si on y regarde de près, on y distingue de minuscules fluctuations — comme des rides sur une pellicule lisse. Ces rides ne sont pas du bruit aléatoire, mais une chronique chiffrée de l'Univers.

Contrairement au modèle standard, où les particules sont des points, la théorie des cordes les décrit comme de minuscules fils vibrants. Leurs oscillations engendrent toutes les forces, y compris la gravité, qui dans cette image n'est autre que la courbure de l'espace-temps.

Une corde de guitare décide elle-même à quel point elle doit se tendre lorsque le musicien joue un accord à différentes octaves. C'est à peu près l'image que dessinent les physiciens lorsqu'ils tentent de relier la gravité — la force la plus faible, mais omniprésente — aux lois étranges du monde microscopique.

Les cordes en physique ne se contentent pas de vibrer : elles vivent dans un espace qui peut lui-même modifier ses propriétés. Parfois, des champs supplémentaires, semblables à des lignes de force invisibles, sont superposés à cet espace.

Le principe faible d'équivalence, testé tacitement depuis Galilée et fondement de la relativité générale, affirme que tous les corps tombent de la même manière, quelle que soit leur structure interne.

Longtemps, l'énergie noire — cette force mystérieuse qui accélère l'expansion de l'Univers — a été considérée comme éternelle et immuable, telle une levure qui ne perdrait jamais de sa vigueur.

Le cœur d'une étoile à neutrons peut être comparé à une corde tendue à densité supra-nucléaire. Le son qui y court est une oscillation de pression dont la vitesse $$c_s$$ révèle la rigidité de la matière. La nouvelle étude montre que cette corde cosmique ne bourdonne pas de manière monotone.

Un trou noir est généralement représenté comme un abîme avec une frontière de non-retour. Pour sauver l'information, qui selon les lois quantiques ne peut pas disparaître, les physiciens ont remplacé cette frontière par une pelote duveteuse de cordes microscopiques. Les données qui y tombent s'impriment à jamais dans ses fils entrelacés.

L'espace-temps ressemble parfois à une feuille de papier dans laquelle on pourrait percer un trou et relier les bords par un court tube — on obtiendrait un trou de ver. Dans les modèles mathématiques les plus simples de ces trous, apparaissent des champs scalaires sans masse — une sorte de brouillard invisible qui remplit tout autour.