Leonard Sasskind, célèbre physicien américain et l'un des créateurs de la théorie des cordes, a proposé à une époque un concept révolutionnaire de compréhension de l'Univers et de la place de l'homme en lui. Grâce à ses recherches, Susskind a inspiré une galaxie de physiciens modernes qui pensaient que cette théorie pouvait prédire sans ambiguïté les propriétés de notre univers. Maintenant, dans son premier livre pour un large éventail de lecteurs, Susskind affine et repense ses vues, arguant que cette idée n'est en aucun cas universelle et devra céder la place à un concept beaucoup plus large d'un gigantesque «paysage cosmique».
La recherche au début du 21e siècle a permis à la science d'atteindre un nouveau niveau dans la connaissance du monde, dit Susskind. Et ce livre fascinant qui emmène le lecteur aux premières lignes des batailles de la physique moderne en est une confirmation éclatante.
Univers supersymétrique élégant?
Les vrais principes qui sous-tendent la théorie des cordes sont entourés d'un grand mystère. Presque tout ce que nous savons sur la théorie comprend une partie spéciale du paysage où les mathématiques sont étonnamment simplifiées grâce à une propriété appelée supersymétrie. Les zones supersymétriques du paysage forment une plaine parfaitement plate située à une hauteur exactement égale à zéro, avec des propriétés si symétriques que beaucoup de choses peuvent être calculées sans information sur l'ensemble du paysage. Si quelqu'un recherchait la simplicité et l'élégance, alors la plaine plate de la théorie des cordes supersymétriques, également connue sous le nom de théorie des supercordes, est exactement l'endroit auquel ils devraient prêter attention. En fait, il y a quelques années, cet endroit était le seul auquel les théoriciens des cordes ont prêté attention. Mais certains physiciens ont déjà secoué l'obsession envoûtante et tentent de se débarrasser des élégantes simplifications du super-monde. La raison est simple: le monde réel n'est pas supersymétrique.
Un monde contenant le modèle standard et une petite constante cosmologique non nulle ne peut pas être sur un plan de hauteur nulle. Il se situe quelque part dans une zone inégale du paysage avec des collines, des vallées, de hauts plateaux et des pentes abruptes. Mais il y a des raisons de croire que notre vallée est proche de la partie supersymétrique du paysage et que certains vestiges du super miracle mathématique pourraient nous aider à comprendre les caractéristiques du monde empirique. Un exemple que nous couvrirons dans cette section est la masse du boson de Higgs. En fait, toutes les découvertes qui ont fait de ce livre une réalité sont les premières tentatives timides de s'éloigner d'une plaine supersymétrique sûre.
La supersymétrie nous renseigne sur les différences et les similitudes des bosons et des fermions. Comme beaucoup plus en physique moderne, les principes de la supersymétrie remontent aux premiers travaux d'Einstein. En 2005, nous avons célébré le centenaire de «anno mirabilis», l'année des merveilles de la physique moderne. Einstein a commencé deux révolutions cette année et a terminé la troisième. Bien sûr, ce fut l'année de la théorie spéciale de la relativité. Mais peu de gens savent que 1905 était bien plus qu'une «année de relativité». Il a également marqué la naissance des photons, le début de la mécanique quantique moderne.
Einstein n'a reçu qu'un seul prix Nobel de physique, même si je pense que chaque prix Nobel décerné après 1905 a fait écho aux découvertes d'Einstein. Einstein a reçu le prix Nobel non pas pour avoir créé la théorie de la relativité, mais pour avoir expliqué l'effet photoélectrique. C'est la théorie de l'effet photoélectrique qui a été la contribution la plus radicale d'Einstein à la physique, où il a introduit pour la première fois le concept de photons, quanta d'énergie, dont la lumière est constituée. La physique était prête à donner naissance à une théorie spéciale de la relativité, sa création n'était qu'une question de temps, tandis que la théorie photonique de la lumière tonnait comme un éclair du bleu. Einstein a montré qu'un rayon de lumière, généralement représenté comme un phénomène d'onde, a une structure discrète. Si la lumière a une certaine couleur (longueur d'onde), alors tous les photons semblent marcher dans la jambe: chaque photon est identique aux autres. Les particules qui peuvent simultanément être dans le même état quantique sont appelées bosons en l'honneur du physicien indien Chatyatranat Bose.
Près de vingt ans plus tard, tout en achevant le bâtiment posé par Einstein, Louis de Broglie montrera que les électrons, toujours perçus comme des particules, se comportent en même temps et comme des ondes. Comme les ondes, les électrons sont capables de réfléchir, de réfracter, de diffracter et d'interférer. Mais il existe une différence fondamentale entre les électrons et les photons: contrairement aux photons, deux électrons ne peuvent pas être simultanément dans le même état quantique. Le principe d'inhibition de Pauli garantit que chaque électron dans un atome a son propre état quantique et qu'aucun autre électron ne peut coller son nez dans un endroit déjà occupé. Même en dehors d'un atome, deux électrons identiques ne peuvent pas être au même endroit ou avoir le même élan. Les particules de ce type sont appelées fermions du nom du physicien italien Enrico Fermi, bien qu'en toute équité elles devraient être appelées Pauli. De toutes les particules du modèle standard, environ la moitié sont des fermions (électrons, neutrinos et quarks) et l'autre moitié sont des bosons (photons, bosons Z et W, gluons et boson de Higgs).
Les fermions et les bosons jouent des rôles différents dans l'image du monde. Habituellement, nous imaginons de la matière constituée d'atomes, c'est-à-dire d'électrons et de noyaux. Dans une première approximation, les noyaux sont constitués de protons et de neutrons maintenus ensemble par des forces nucléaires, mais à un niveau plus profond, les protons et les neutrons sont assemblés à partir de petits blocs de construction - des quarks. Toutes ces particules - électrons, protons, neutrons et quarks - sont des fermions. La matière est constituée de fermions. Mais sans bosons, les atomes, les noyaux, les protons et les neutrons s'effondreront simplement. Ces bosons, principalement des photons et des gluons, sautant d'avant en arrière entre les fermions créent les forces d'attraction qui maintiennent tout ensemble. Bien que les fermions et les bosons soient essentiels pour que le monde soit ce qu'ils sont, ils ont toujours été considérés comme des "animaux de races différentes".
Mais vers le début des années 1970, les théoriciens inspirés par les premiers succès de la théorie des cordes ont commencé à jouer avec de nouvelles idées mathématiques, selon lesquelles les fermions et les bosons ne sont en réalité pas si différents. Une idée était que toutes les particules forment des paires parfaites de jumeaux identiques, identiques à tous égards, sauf que l'un d'eux est un fermion et l'autre un boson. C'était une hypothèse complètement folle. Sa justice pour le monde réel signifierait que les physiciens ont en quelque sorte réussi à perdre la moitié de toutes les particules élémentaires, à défaut de les trouver dans leurs laboratoires. Par exemple, selon cette hypothèse, il doit exister une particule ayant exactement la même masse, charge et autres propriétés qu'un électron, mais ce n'est pas un fermion, mais un boson. Comment n'avez-vous pas pu remarquer une telle particule aux accélérateurs de Stanford ou du CERN? La supersymétrie suppose l'existence d'un jumeau de fermion neutre sans masse dans un photon, ainsi que de jumeaux bosons dans les électrons et les quarks. Autrement dit, l'hypothèse prédit un monde entier de «contraires» mystérieusement manquants. En fait, tout ce travail n'était qu'un jeu mathématique, une étude purement théorique d'un nouveau type de symétrie - un monde qui n'existe pas, mais qui pourrait exister.
Les particules jumelles identiques n'existent pas. Les physiciens ne se sont pas amusés et n'ont pas manqué tout le monde parallèle. Quel est l'intérêt de cette spéculation mathématique dans ce cas, et pourquoi cet intérêt s'est-il soudainement intensifié au cours des 30 dernières années? Les physiciens se sont toujours intéressés à toutes sortes de symétries mathématiques, même si la seule question raisonnable qui pouvait être posée était: "Pourquoi cette symétrie n'est-elle pas dans la nature?" Mais le monde réel et sa description physique sont pleins de diverses symétries. La symétrie est l'un des outils les plus étendus et les plus puissants de l'arsenal de la physique théorique. Il imprègne toutes les sections de la physique moderne, et en particulier celles liées à la mécanique quantique. Dans de nombreux cas, le type de symétrie est tout ce que nous savons sur le système physique, mais l'analyse de symétrie est si puissante qu'elle nous dit souvent presque tout ce que nous voulons savoir. Les symétries sont souvent le jardin dans lequel les physiciens trouvent satisfaction esthétique de leurs théories. Mais qu'est-ce que la symétrie?
Commençons par les flocons de neige. Chaque enfant sait qu'il n'y a pas deux flocons de neige identiques, mais en même temps, ils ont tous une caractéristique commune, à savoir la symétrie. La symétrie d'un flocon de neige est immédiatement évidente. Si vous prenez un flocon de neige et le faites pivoter à un angle arbitraire, il sera différent de sa forme d'origine - pivoté. Mais si vous tournez le flocon de neige exactement à 60 °, il coïncidera avec lui-même. Un physicien pourrait dire qu'une rotation à 60 ° d'un flocon de neige est une symétrie.
Les symétries sont associées à des opérations ou transformations qui peuvent être effectuées sur le système sans affecter le résultat de l'expérience. Dans le cas d'un flocon de neige, une telle opération est une rotation de 60 °. Voici un autre exemple: supposons que nous mettions en place une expérience visant à mesurer l'accélération de la gravité à la surface de la Terre. L'option la plus simple serait de faire tomber la pierre d'une hauteur connue et de mesurer le temps de sa chute. Réponse: environ 10 mètres par seconde par seconde. Veuillez noter que je ne suis pas inquiet de vous dire où j'ai laissé tomber la pierre: en Californie ou à Calcutta. Dans une très bonne approximation, la réponse sera la même n'importe où sur la surface de la Terre: le résultat de l'expérience ne changera pas si vous vous déplacez avec tout l'équipement expérimental d'un endroit à la surface de la Terre à un autre. Dans le jargon physique, un déplacement ou un mouvement de quelque chose d'un point à un autre est appelé traduction. Par conséquent, nous pouvons dire au sujet du champ gravitationnel de la Terre qu'elle a une «symétrie translationnelle». Bien sûr, certains effets secondaires peuvent perturber les résultats de notre expérience et ruiner la symétrie. Par exemple, en réalisant une expérience sur des gisements minéraux très grands et massifs, nous obtiendrons une valeur légèrement plus élevée que dans d'autres endroits. Dans ce cas, nous dirions que la symétrie n'est qu'approximative. La symétrie approximative est également appelée symétrie brisée. La présence de gisements séparés de minéraux lourds "viole la symétrie translationnelle".
La symétrie des flocons de neige peut-elle être brisée? Sans doute, certains flocons de neige sont imparfaits. Si un flocon de neige se forme dans des conditions imparfaites, un côté peut différer de l'autre. Il aura toujours une forme proche d'une hexagone, mais cet hexagone sera imparfait, c'est-à-dire que sa symétrie sera brisée.
Dans l'espace extra-atmosphérique, loin de toute influence perturbatrice, nous pourrions mesurer la force gravitationnelle entre deux masses et obtenir la loi newtonienne de la gravitation universelle. Peu importe où l'expérience est menée, nous, en théorie, devrions obtenir la même réponse. Ainsi, la loi de gravité newtonienne a une invariance translationnelle.
Pour mesurer la force d'attraction entre deux objets, il est nécessaire de les disposer à une certaine distance l'un de l'autre. Par exemple, nous pouvons organiser deux objets de sorte que la ligne qui les relie soit parallèle à l'axe x dans un système de coordonnées donné. Avec un succès égal, nous pouvons disposer les objets sur une ligne parallèle à l'axe y. La force d'attraction mesurée par nous dépendra-t-elle de la direction de la ligne reliant ces objets? En principe, oui, mais seulement si les lois de la nature diffèrent de celles que nous avons. Dans la nature, la loi de la gravitation universelle stipule que la force d'attraction est proportionnelle au produit des masses et inversement proportionnelle au carré de la distance entre elles et elle ne dépend pas de l'orientation d'un objet par rapport à un autre. L'indépendance par rapport à la direction est appelée symétrie de rotation. Les symétries de translation et de rotation sont les propriétés fondamentales les plus importantes du monde dans lequel nous vivons.
Regardez dans le miroir. Votre reflet est comme deux gouttes d'eau. L'image miroir de votre pantalon n'est pas différente du pantalon lui-même. Le reflet du gant gauche répète exactement le gant gauche.
Arrêter Quelque chose ne va pas ici. Regardons à nouveau attentivement. L'image miroir du gant gauche n'est pas complètement identique au gant gauche. Il est identique au gant droit! Et l'image miroir du gant droit est identique au gant gauche.
Examinez maintenant de plus près votre propre réflexion. Ce n'est pas toi. La taupe qui est sur votre joue gauche est à votre droite à votre réflexion. Et si vous ouvriez votre propre poitrine, vous constateriez que le cœur à votre réflexion n'est pas à gauche, comme toutes les personnes normales, mais à droite. Appelons l'homme miroir - l'homme.
Supposons que nous ayons une technologie futuriste qui nous permet d'assembler tout objet que nous voulons à partir d'atomes individuels. En utilisant cette technologie, nous construirons une personne dont l'image miroir vous répétera exactement: le cœur à gauche, les taches de rousseur à gauche, etc. Ensuite, l'original que nous construirons sera une personne.
Une personne fonctionnera-t-elle normalement? Respirera-t-il? Son cœur battra-t-il? Si vous lui donnez des bonbons, va-t-il absorber le sucre dans sa composition? Les réponses à la plupart de ces questions sont oui. Fondamentalement, une personne fonctionnera exactement de la même manière qu'une personne. Mais il y aura des problèmes avec son métabolisme. Il ne pourra pas absorber de sucre ordinaire. La raison en est que le sucre existe sous deux formes de miroir, comme les gants droit et gauche. Une personne est capable d'absorber une seule des formes miroirs du sucre. Et une personne est capable d'absorber uniquement du sucre. Les molécules - sucre et sucre - diffèrent les unes des autres de la même manière que le gant droit et gauche. Les chimistes appellent les sucres ordinaires qu'une personne est capable de digérer, les isomères D (du latin dextra - à droite) et les sucres miroirs que seuls les humains peuvent digérer - les isomères L (du latin lævum - à gauche).
Remplacer quoi que ce soit par sa réflexion miroir est appelé symétrie miroir, ou parité. Les conséquences de la réflexion miroir sont, en principe, évidentes, mais répétons une chose plus importante: si tout dans le monde est remplacé par sa réflexion miroir, alors le comportement de ce monde ne changera en rien et ne différera pas du comportement de notre monde.
En fait, la symétrie miroir n'est pas précise. C'est un bon exemple de symétrie brisée. Quelque chose conduit au fait que la réflexion miroir du neutrino est plusieurs fois plus lourde que l'original. Cela s'applique à toutes les autres particules, bien que dans une bien moindre mesure. Il semble que le grand miroir du monde soit légèrement tordu, il déforme légèrement le reflet. Mais cette distorsion est si insignifiante qu'elle n'affecte pratiquement pas la matière ordinaire. Mais dans le comportement des particules de haute énergie dans le monde miroir, des changements très importants peuvent se produire. Cependant, supposons pour l'instant que la symétrie miroir dans la nature soit exacte.
Que voulons-nous dire lorsque nous disons qu'il existe une relation de symétrie entre les particules? En un mot, cela signifie que chaque type de particule a un partenaire ou un jumeau avec des propriétés très similaires. Pour la symétrie miroir, cela signifie que si les lois de la nature permettent l'existence d'un gant gauche, alors l'existence d'un gant droit est possible. L'établissement de l'existence du D-glucose signifie que le L-glucose doit également exister. Et si la symétrie miroir n'est pas rompue, la même chose devrait s'appliquer à toutes les particules élémentaires. Chaque particule doit avoir un jumeau qui lui est identique jusqu'à la réflexion miroir. Lorsqu'une personne est en miroir, chaque particule élémentaire qui compose son corps est remplacée par son miroir jumeau.
L'antimatière est un autre type de symétrie appelé symétrie de conjugaison de charges. Puisque la symétrie implique le remplacement de tout par son analogue symétrique, la symétrie de conjugaison de charge implique le remplacement de chaque particule par son antiparticule. Il transforme les charges électriques positives, telles que les protons, en négatif, dans ce cas, les antiprotons. De même, les électrons chargés négativement sont remplacés par des positrons chargés positivement. Les atomes d'hydrogène sont remplacés par des atomes d'antihydrogène constitués de positons et d'antiprotons. Ces atomes sont en effet obtenus en laboratoire, cependant, en très petite quantité, insuffisante même pour en construire des antimolécules. Mais personne ne doute que les antimolécules sont possibles. Les anticorps sont possibles de la même manière, mais n'oubliez pas que vous devrez les nourrir avec des anti-aliments. En fait, il vaut mieux éloigner les anti-humains et les gens ordinaires. Lorsqu'une substance rencontre de l'antimatière, elles se détruisent mutuellement et se transforment en photons. L'explosion qui se produit si vous serrez accidentellement la main de l'anti-humain sera plus forte que l'explosion d'une bombe à hydrogène.
Il s'est avéré que la symétrie de conjugaison des charges est également légèrement brisée. Mais, comme dans le cas de la symétrie miroir, l'effet de cette violation est complètement insignifiant si l'on ne prend pas en compte les particules de très hautes énergies. Revenons maintenant aux fermions et aux bosons. La toute première théorie des cordes que nous avons développée avec Nambu s'appelle la théorie des cordes bosoniques, car toutes les particules qu'elle décrit sont des bosons. Il n'est pas tout à fait approprié pour décrire les hadrons, car, après tout, un proton est un fermion. De la même manière, elle ne convient pas au rôle de la théorie de tout. Electrons, neutrinos, quarks - tous sont des fermions. Mais peu de temps s'est écoulé et une nouvelle version de la théorie des cordes est apparue, qui contenait déjà non seulement des bosons, mais aussi des fermions. — , , -, , .
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