La 5eme Dimension ... (suite)

... Alors pour les acharnés :o)

Univers parallèles

Surprise pour le profane: manipuler des univers parallèles est devenu le quotidien de bon nombre de physiciens. En général, ils considèrent deux univers parallèles reliés par une cinquième dimension. Malheureusement comme sur celle-ci seuls des gravitons circulent, la communication entre les deux mondes est assez sommaire. Mais cela suffit à rendre bien des services. Par exemple, plus besoin de s'échiner à chercher la masse manquante dans notre univers, il suffit de dire qu'elle est collée sur un un univers parrallèle

Pour découvrir la trolsieme dimension, un saut en l'air suffit...
Mais pour la cinquieme ?

Toute la difficulté est là: comment confirmer expérimentalement l'existence de dimensions supplémentaires.
Premier problème: leur taille. Elle varie de presque rien à l'infini. Pour les dimensions compactes, notre main peut les traverser dans leurs moindres méandres sans que l'on ne sente rien. Pour les tailles infinies, seules les gravitons, particules qui portent la force de gravitation, peuvent les emprunter.
L'espoir est donc de voir s'échapper ces gravitons dans ce canal inaccessible à nos sens lors d'expériences. Cette fuite serait perçue comme un déficit dans l'énergie recueillie.

Evolution de l'Univers

La cosmologie s'est empressée d'utiliser ces dimensions supplémentaires. Ainsi les mystères de la constante cosmologique s'éclaircissent. Cette constante fondamentale pour l'évolution de l'Univers est associée à l'énergie du vide. Problème, elle paraît ridiculement faible, voire quasi nulle. Selon Philippe Brax du CEA, nous ne mesurerons qu'une partie de cette constante, un peu comme pour la gravité. En fait, l'énergie du vide est très intense mais elle est consacrée à courber la cinquième dimension plutôt qu'à tordre notre espace-temps. Pour nous, tout se passe comme si notre univers était plat. De leur côté, Pierre Binetruy, Cedric Deffayet et David Langlois, respectivement de l'université d'Orsay et de l'Institut d'astrophysique de Paris, ont montré que l'utilisation d'une cinquième dimension infinie permettait de retrouver les lois décrivant l'évolution de l'Univers depuis la nucléosynthèse. Soulagement: la cinquième dimension colle donc avec les observations.

4 dimensions, 4 forces.
5 dimensions, 5 forces ?

Pas du tout. Pire même, à la fin la théorie n'en laissera plus qu'une! Les théories à dimensions supplémentaires sont justement là pour unifier toutes les interactions. Les forces que nous connaissons ne seront alors plus des forces élémentaires, mais une seule et unique force. Certes à des conditions extrèmes de température et de distance que notre univers n'a connues que lors du Big Bang et que nous ne pourrons jamais recréer.

Avant Le Big-Bang

Lorsque le film de l'évolution de l'Univers est passé à l'envers, une catastrophe a lieu. Aux origines, toute la matière doit se concentrer en un point de taille nulle et à une température infinie. Mais grâce aux cordes et en particulier à leurs faibles tailles, ces terrifiants infinis disparaissent au profit d'objets minuscules. Mais parmi les onze dimensions, pourquoi la plupart restent enroulées sur elles- mêmes ? Brandenberger et Vafa ont proposé une élégante réponse à partir des observations suivantes. D'abord, une corde agit sur une dimension comme un ensemble d'élastiques enserrant une chambre à air: elle bloque le gonflement. Puis, lorsque deux cordes enroulées se rencontrent, elles s'annihilent pour donner une corde qui n'est pas enroulée. Enfin, jusqu'à trois dimensions, la probabilité de collision entre les cordes est élevée; de même qu'une rencontre entre deux funambules sur le même fil est très probable. Au début de l'Univers, les dimensions sont enroulées, empêchées de croître par les cordes les enserrant. Lors de collisions entre cordes, des élastiques sautent et, finalement, trois des dimensions réussissent à se déployer à l'infini.

Voyage dans le temps

La cinquieme dimension frise l'incorrection: elle autorise des particules à voyager plus vite que la lumière ! Mais Einstein peut dormir tranquille car cela ne contredit pas sa théorie. En fait, l'excès de vitesse est attribué au graviton,seul autorisé à emprunter les autoroutes de la cinquième dimension. Par comparaison, il voyage plus vite qu'un photon de lumière dansnotre espace-temps à quatre dimensions. Mais pour le photon la cinquième dimension est interdite. Toutefois la fraude est permise en prenant des raccourcis. Imaginons notre monde comme une membrane repliée en une sorte de mille-feuille. L'information d'un point éloigné nous parvient le long des plis du mille-feuille. Le voyage peut durer, alors pourquoi ne pas couper et traverser le mille-feuille ? Au moins pour les gravitons, les équations l'autorisent. Ultime liberté, cette fois valable aussi pour la matière, donc pour nous: déchirer l'espace-temps! C'est-à-dire déchirer deux tranches d'un mille-feuille et réunir les morceaux. Cette construction étrange s'appelle un trou de ver (voir ci-dessus). Brian Greene, de l'université de Columbia, explique que la théorie s'en accommode fort bien. Mais la recette manque pour expliquer comment déchirer, coudre les lambeaux et passer dans le trou.

La cinquième dimension est-ce de l'espace ou du temps ?

Ni l'un ni l'autre. Ni dimension temporelle, car le temps constitue la quatrième dimension de notre espace-temps, ni espace, car toutes les particules et toutes les forces ne sont pas autorisées à y voyager. Les dimensions supplémentaires des théories des cordes sont assez spéciales. Seule la force de gravitation a le droit d'emprunter ces nouveaux espaces; aucun grain de lumière ou de matière ne peut y séjourner. Autre différence: elles sont soit enroulées sur elles-mêmes et de tailles infimes, soit de très grandes tailles, mais courbées. Dans ce cas, un mètre n'est pas identique selon l'endroit où l'on se trouve. Puis, selon les derniers rebondissements de la théorie, l'ordre des déplacements dans ces dimensions compte: un pas en avant puis deux pas sur le côté n'aboutiraient pas à la même place que deux pas sur le côté puis un pas en avant!

Des trous noirs a la loupe

Le lien entre les Gargantua de l'espace que sont les trous noirs et les Tom Pouce que sont les minuscules cordes de la théorie n'est pas évident. Pourtant en 1996, Strominger et Vafa, ont ont tissé un trou noir (théorique) avec des cordes. A la manière dont un atome se construit en collant des quarks pour former des protons puis en ajoutant des électrons, ils ont bâti pas à pas ce puits de matière qu'est un trou noir. Leur résultat est même considéré comme l'un des grands succès de la théorie car il détermine la température ou le rayonnement d'un trou noir. En effet, un trou noir n'est pas si noir que cela: il s'évapore, mais très lentement. Un trou noir trois fois plus lourd que le Soleil aurait ainsi une température d'un centième de millionième de degré seulement. Cette prédiction de Stephen Hawking qui fit grand bruit attend certes encore une vérification expérimentale. Mais si elle arrive, les physiciens feront d'une pierre deux coups. Les calculs de Strominger et Vafa donnent en effet la même température que Hawking.

Trou noir simulé numériquement

Sciences & Avenir N°648 (février 2001)

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