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Mise à jour le 20 Août 2009
SÉMINAIRE SUR L’UNIVERS INVISIBLE
Organisé par l’Observatoire de Paris (LUTH)
Conférence de Cédric DEFFAYET, Physicien Théoricien,
Chargé de Recherche au CNRS, Astroparticules et Cosmologie, Paris
  sur :
«LES DIMENSIONS CACHÉES DE L'UNIVERS»
Le 9 Juillet 2009 à L'UNESCO.
 
Remarque : Cette conférence fait partie d’un ensemble de conférences données à l’occasion de ce séminaire, dont on peut consulter le compte rendu sur ce site.
Photos : JPM. pour l'ambiance. Voir les crédits des autres photos éventuelles.
Je ne propose que des comptes rendus succincts de ces conférences, le site Univers 2009, dédié aux manifestations de l'Univers Invisible devrait mettre en ligne bientôt le texte de toutes les conférences.
NOTA : j'ai fait de nombreuses photos en haute résolution que je ne peux pas mettre sur le site question volume, ceux qui seraient intéressés par certaines photos en plus haute définition que celles qui suivent n'ont qu'à me contacter, je les envoie par e-mail.
 
La présentation de Cédric Deffayet est disponible en pdf sur le Net.
 
 
 
Quel est donc le nombre de dimensions de notre Univers, tel que vu par la théorie des cordes, c'est le sujet de cette conférence.
 
La théorie des cordes (string theory en anglais), c'est là où l'infiniment grand rejoint l'infiniment petit; le micro et le macro cosmos se rejoignent.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LES POUPÉES RUSSES DE L'INFINIMENT PETIT.
 
 
C'est l'exemple typique des molécules dans un verre d'eau.
 
À notre échelle, l'eau dans un verre est décrite comme un milieu continu par l'hydrodynamique.
À plus petite échelle, on perçoit les molécules d'eau, c'est la physique moléculaire et la chimie.
 
À encore plus petite échelle, on découvre les atomes d'Hydrogène et d'Oxygène, puis en poussant plus loin encore, ces atomes sont faits de protons neutrons et électrons.
 
Une étape plus loin encore, ces particules sont constituées de quarks etc..
 
À chaque étape, il faut comprendre, et généralement le plus petit permet de comprendre le plus grand.
 
 
En allant vers le plus petit on s'approche du plus fondamental.
 
Et aujourd'hui le plus fondamental c'est :
 
 
LE MODÈLE STANDARD DE LA PHYSIQUE DES PARTICULES.
 
Le modèle standard de la physique, est l'aboutissement des théories de ces dernières années.
 
Il y a matière et force.
 
·        Les Fermions sont des particules liées à la matière, ce sont tout ce que l’on connaît : les atomes et les molécules
·        Les Bosons, sont les « messagers » des Forces de la nature (qui sont au nombre de 4) le photon est le plus connu de tous
·        En résumé : FERMION = MATIÈRE   BOSON = RAYONNEMENT
 
Les outils utilisés sont des microscopes un peu spéciaux : ce sont d'énormes accélérateurs comme le LHC du CERN.
 
Mais le modèle standard n’est pas complètement satisfaisant:
·        Il y a trop de paramètres sans explication (une vingtaine)
·        Ce modèle ne décrit pas la force de gravitation de façon quantique (c’est-à-dire la façon dont la gravitation se comporte à très petite distance). La façon dont la force gravitationnelle se comporte à petite distance est inconnue, elle a seulement été mesurée jusqu’à des distances de l’ordre de 0.1 mm.
 
 
Une réponse possible à ces questions c'est : LA THÉORIE DES CORDES.
 
La théorie des cordes donne une description quantique de toutes les forces.
 
 
LES POUPÉES RUSSE DE L'ESPACE-TEMPS ET DE LA GRAVITATION.
 
Dans combien de dimensions vivons-nous?
La réponse implicite est de 3 dimensions d'espace (3 chiffres suffisent à positionner un objet) plus une de temps.
 
 
 
En Relativité Générale (RG), la masse courbe l'espace-temps autour d'elle, et c'est cette courbure qui dévie les objets qui y circulent, comme le ferait une force.
 
 
On peut se représenter ce phénomène avec une analogie dans un espace à deux dimensions d'espace comme sur le dessin ci-contre.
 
 
Le modèle standard de la physique est difficile à concilier avec la gravitation de la RG.
 
Une solution qui peut résoudre ces problèmes :
 
 
 
 
LA THÉORIE DES CORDES ET L'ESPACE-TEMPS.
 
Il y aurait un très grand nombre de mondes possibles d'après cette théorie, alors pourquoi vit-on dans un monde comme le notre?
 
La théorie des cordes met en jeu 10 ou 11 dimensions d'espace-temps, comment donc dans ces condition 6 ou 7 dimensions nous auraient échappé?
On pense que parce qu'elles sont de très petites dimensions (10-32 mm?) ou bien … bref on ne sait pas bien.
 
Pour le savoir il faudrait être capable de déterminer la force de gravitation à très petite distance.
 
Un mécanisme, le mécanisme Kaluza-Klein devrait nous permettre d'y voir (un peu) plus clair.
 
Theodore Kaluza, un scientifique de l'époque d'Einstein, remarqua que s'il transformait la RG dans un espace à 5 dimensions au lieu de 4, mais ne s'intéressait qu'au résultat sur cet espace à 4 dimensions, il arrivait à la RG à 4 dimensions mais aussi à l'électromagnétisme.
C'est son collège Klein qui plus tard émit l'idée que cette 5ème dimension nous était peut-être invisible en étant "recourbée" sur elle-même.
 
On étendit alors ces idées jusqu'à un monde à 10 ou 11 dimensions, dont la plupart nous sont cachées.
 
Une analogie :
 
 
 
Si nous vivions à la surface d’un cylindre (corps essentiellement à deux dimensions) et si nous pouvions « mesurer » notre position avec une précision meilleure que la circonférence du cylindre, nous pourrions savoir que nous sommes dans un espace à deux dimensions, sinon, nous aurions l’impression de vivre dans un espace à une dimension.
 
Donc des dimensions supplémentaires d’espace-temps peuvent nous avoir échappé si elles sont « repliées » sur elles-mêmes avec un circonférence beaucoup plus petite que les plus petites distances observables
 
 
 
 
 
 
C’est le mécanisme de Kaluza-Klein, et une première façon de « cacher » les dimensions supplémentaires de la théorie des cordes. 
 
La taille de ces dimensions supplémentaires (accessibles aux accélérateurs de particules) doit être inférieure à 10-15 mm
 
Tout ce qui précède est vrai, si on peut effectivement sonder les dimensions supplémentaires avec les accélérateurs de particules… c’est-à-dire si la matière ordinaire (avec laquelle sont faits les accélérateurs) peut se déplacer dans ces dimensions supplémentaires
 
 
On a découvert il y a quelques années, que la théorie des cordes menait aussi à ce genre de situation.
 
Les particules du modèle standard de la physique des particules (avec lesquelles nous sommes faits) peuvent être confinées sur une surface  brane ») à 4 dimensions (notre espace-temps « intuitif »).
 
Cette « brane »  est plongée dans un espace-temps à 10 dimensions.
Pour s'apercevoir de l'existence de dimensions supplémentaires, il faut se baser sur la gravitation, car elle est transportée par la courbure de l'espace-temps et ne peut pas être réduite sur un sous-espace.
 
 
 
 
 
 
On peut se poser la question de savoir si ces phénomènes sont observables.
 
·        Dans les accélérateurs par perte d'énergie gravitationnelle dans les dimensions supplémentaires
·        Par des modifications de la gravitation à petite distance, distance plus petite que les dimensions supplémentaires, la loi ne serait alors plus en 1/d2
·        Un changement de la cosmologie?
 
 
Pour l'instant …..nous n'avons rien trouvé, on continue de chercher.
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN.
 
 
Qu'est ce que le modèle standard? Par G Cohen Tannoudji.
 
Le modèle standard par le CERN.
 
Le LHC à la conquête du modèle standard.
 
LHC et astroparticules M Spiro CR conférence aux RCE 2008
 
Le paysage de la théorie des cordes par Arte-TV.
 
D'où venons-nous? Où allons-nous?, CR de la conférence de G Veneziano à la BNF.
 
Leçon de supergravité: le modèle de Kaluza-Klein par Techno-Science.
 
Quelques vidéos sur la théorie des cordes et les branes.
 
 
Bon ciel à tous!
 
 
Jean Pierre Martin  membre de la Commission de Cosmologie de la SAF.
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