Le LHC et les dimensions supplémentaires pour biologistes
Lisa Randall était l’invitée ce vendredi du séminaire collectif de Rockefeller University. Je ne pouvais pas manquer la conférence de cette physicienne très médiatique…
Les media aiment créer des icônes de la physique théorique. Dans le passé nous avons eu Einstein, archétype du génie iconoclaste (en réalité cela relève plutôt du mythe comme nous l’a bien expliqué Pablo), plus récemment Hawking, symbole du pur esprit cloué sur son fauteuil. Mais le physicien le plus médiatique d’aujourd’hui est une physicienne, Lisa Randall, première femme à avoir eu sa tenure en physique théorique à Harvard, spécialiste de physique des particules, multi-primée et nominée l’an dernier dans les 100 personnes qui comptent dans le monde par Time Magazine.
Lisa Randall a commencé par répondre à une question très pertinente pour des biologistes : pourquoi faire des modèles théoriques avant de faire des expériences ? En effet, une idée courante ces jours-ci, particulièrement en biologie, est que les modèles vont émerger naturellement des data et qu’à la limite, on pourra bientôt complètement se passer de la théorie (voir par exemple ce billet d’Alexandre Delaigue). En réalité, cela ne marche pas : les data brutes ne peuvent être interprétées qu’à la lumière de modèles préexistants. Lors de collisions entre particules, il se passe énormément d’ événements, et sans grille de lecture a priori, on ne sait tout simplement pas faire le tri entre ce qui est du “vrai” signal et ce qui n’est que du bruit ou une expérience loupée [1]. C’est d’autant plus vrai en physique qu’on s’attend à avoir des “surprises” car plusieurs modèles différents peuvent expliquer la réalité, il est donc nécessaire de faire des expériences pour discriminer entre tous les modèles possibles.
La motivation scientifique de Randall est de comprendre pourquoi la gravité est si faible, comparée aux autres forces. Considérez un trombone et un petit aimant : vous pouvez sans problème soulever le trombone avec votre aimant et donc lutter avec une toute petite force électromagnétique contre la gravité exercée par la terre toute entière sur le trombone ! Plus faible que faible comme dirait Kate McAlpine : 40 ordres de grandeur séparent la gravité de l’électromagnétisme… Le hic, c’est qu’on a de bonnes raisons de penser qu’aux très petites échelles (ou à très hautes énergies), la gravité doit avoir une intensité comparable aux autres forces : que se passe-t-il donc pour que la gravité perde autant d’intensité aux grandes échelles ?
L’idée, proposée pour la première fois par Kaluza en 1919, est qu’il existerait des dimensions supplémentaires. Vous connaissez peut-être Flatland, ce fameux roman de science-fiction se déroulant dans un univers entièrement 2D. Il serait difficile pour des créatures de Flatland d’imaginer un univers 3D. Il est aussi difficile pour nous d’imaginer ce que représente un univers 4D ou 5D; néanmoins, c’est possible avec un peu de maths. Il se trouve justement que la relativité générale peut parfaitement s’écrire dans des univers à plus de 3 dimensions, d’où l’idée que l’univers a en fait plus de 3 dimensions et que la gravité se “dilue” en quelque sorte dans les autres dimensions, tandis que les autres forces, elles, seraient spécifiquement tri-dimensionnelles et donc seraient “concentrées dans notre univers”. Les dimensions supplémentaires sont d’autant plus pertinentes que les théories d’unification type super-cordes nécessitent des dimensions supplémentaires pour d’autres raisons [2].
La 4ième ou la 5ième dimension nous sont pourtant manifestement invisibles. Plusieurs explications sont possibles : par exemple ces dimensions peuvent être “enroulées”. La notion d’enroulement est assez facile à comprendre : considérez un fil très fin et très long. De très loin, on ne voit pas l’épaisseur du film et on peut l’assimiler à une ligne, i.e. à un objet unidimensionnel. Il faut se rapprocher de très près, pour voir que le fil est bien un objet tridimensionnel…
Randall a proposé une autre piste qui ne nécessite pas l’enroulement des dimensions supplémentaires. Tout comme les habitants de flatland vivent dans un monde à deux dimensions, comme une membrane, nous vivons peut-être dans l’équivalent d’une membrane (appelée brane pour faire court) dans un univers à 4 ou 5 dimensions. Randall propose qu’en parallèle de notre univers se trouve une autre brane, d’une nature complètement différente, mais connectée à notre univers par une dimension supplémentaire à une distance très courte. L’idée de Randall est que la gravité dans cette brane parallèle (qu’elle appelle “brane de gravité”) est concentrée et beaucoup plus forte que dans notre univers. Les gravitons y seraient à l’aise, et n’auraient qu’une probabilité assez faible de “sauter” dans notre brane. Du coup, l’intensité de la gravité décroîtrait exponentiellement le long de la dimension connectant cette brane de gravité à notre univers, si bien que nous ne verrions qu’une version hyper-atténuée de la gravité dans notre brane. Cette théorie amusante porte un nom bien funky que je ne saurais traduire :”warped geometry”.
Comment tester alors cette théorie ? C’est là que le LHC rentre dans la danse. Lors des collisions, on devrait voir apparaître des particules caractérisques de la brane de gravité, en particulier des espèces de “super gravitons”, ayant une influence gravitationnelle beaucoup plus grande. Ces particules “retourneraient” alors aussitôt dans la brane de gravité, si bien qu’on verrait de l’énergie correspondant à leur masse purement et simplement disparaître. Pour l’anecdote, les “mini trous noirs” qui pourraient se former dans le LHC sont dus à cette espèce de supergravité selon Randall…
Complément : Randall a expliqué sa théorie dans cette interview
[1] Randall racontera notamment à la fin de sa conférence qu’il est possible que certaines de ces expériences loupées aient en réalité détecté de la matière noire; simplement, comme on n’avait pas de modèles théoriques expliquant cela à l’époque…
[2] Pour être un peu technique, je crois me souvenir que cela vient d’une propriété de symétrie appelée l’invariance conforme . L’idée est que les “cordes” sont invariantes par toute transformation conforme (en gros les transformations locales qui conservent les angles). Pour une raison que j’ai oubliée, on impose l’annulation dans ces théories d’une quantité appelée charge centrale. Le terme dans la théorie devant la charge centrale dépend du nombre de dimensions de l’univers, et s’annule, dans sa version la plus simple, pour … 26 dimensions !
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Categorie(s): Physique 9 commentaires »
November 8th, 2008 at 03:25
très intéressant
merci
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November 8th, 2008 at 09:27
En voyant la photo, il devient plus facile de comprendre en quoi Lisa Randall peut être populaire… et bien passer à la télé ! Car si cela n’enlève rien à son talent, ça ne le gâche pas :-p
Excellent article sinon… Décidément, vivement que le LHC reprenne du service !
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November 8th, 2008 at 09:42
Je t’envie d’avoir assister à ce séminaire ! Merci pour ce billet, c’était très intéressant.
C’est vrai qu’on s’imagine les théoriciens très vieux avec une grande barbe blanche ébouriffé (ce qui est tout de même assez vrai quand on se ballade dans le CERN), Lisa Randall est effectivement plus… attractive.
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November 8th, 2008 at 09:49
Merci de vos commentaires .
Lisa Randall vit dans la brane de gravité, elle est donc plus “attractive”, c’est mathématique !
Plus sérieusement, cela m’a fait tout bizarre de voir un vrai séminaire de physique. J’avais oublié à quel point les physiciens pouvaient être “sobres” par rapport aux biologistes : pas de slides flashy, pas d’effets spéciaux, pas de manips spectaculaires, juste quelques phrases jetées sur l’écran pour soutenir un discours passionnant.
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November 11th, 2008 at 03:55
Merci pour cet article, je me posais juste une petit question. Considère-t-on le temps comme une quatrième dimension ?
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November 11th, 2008 at 08:26
@ singe des cavernes : oui, le temps est une quatrième dimension ; sur la figure plus haut, on voit bien que la brane de gravité est reliée par une cinquième dimension. Il y a toutefois une petite subtilité : en physique théorique, il y a deux types de dimensions, qu’on appelle le genre “temps” et le genre “espace”. En gros, pour les dimensions de genre “temps”, on met un “moins” dans le théorème de Pythagore quand on fait la somme des carrés des côtés . La cinquième dimension de Lisa Randall est de genre espace.
(Dr Goulu a expliqué la différence dans ce billet :
http://drgoulu.wordpress.com/2007/02/07/le-temps-une-4eme-dimension-imaginaire/
)
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December 10th, 2008 at 10:50
C’est à nouveau moi. J’avoue que je suis une croûte totale en physique et en maths, mais je suis passionnée par toutes ces découvertes absconses que des engins comme le LHC ou la mécanique quantique permettent de faire. Je me demande, au vu de ces histoires de dimensions, si la PENSEE ET LA CONSCIENCE pourraient être l’expression ou la préhension qu’aurait notre cerveau, de ces dimensions complémentaires… Grâce à elles, on est parvenu à effleurer des concepts aussi étonnants que la physique quantique, la Relativité, et des idées aussi sympathiques que des phénomènes comme les trous noirs, les trous de vers, les univers parallèles et leur corollaires, les portails inderdimensionnels – ça serait sympa que le LHC en soit un !- et tout un tas de concepts abstrus mais fantastiques qui font les choux gras de la SF et de séries sympas ou de blockbusters ! Et si les cinquième et sixièmes dimensions étaient tout simplement ça, la pensée, la conscience ? Bon.. je vais prendre une aspirine, là…
Tinky, qui même si elle ne pige rien aux équations, adore les concepts tordus…
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December 10th, 2008 at 17:28
@ Trinky : en fait, il faut bien voir un truc avec ces dimensions supplémentaires : un objet physique de notre entourage, par définition ou par construction presque, n’interagit que très peu avec ces dimensions supplémentaires définies par Randall. C’est justement tout leur intérêt ! Je crois bien que pour expliquer le fonctionnement de la pensée et de la conscience, notre bon vieux monde 3D (ou bien 4 si on ajoute le temps) avec sa biologie, les lois de l’électromagnétisme, voire pour certains sa méca Q, est largement suffisant.
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dz Reply:
December 29th, 2009 at 14:41
Bonjour,
Comme Tinky, je n’y connais pas grand chose en physique…
Mais comme Tinky je suis passionné, et j’imagine que la conscience est un élément essentiel dans la “composition de l’univers”, une 5eme dimension.
Prenons notre monde 3D, pour en modéliser une partie on peut imaginer un cube (ou plutôt l’ensemble des éléments qui composent ce cube).
Si on ajoute la 4eme dimension (le temps), alors cela pourrait se modéliser par l’ensemble des éléments qui composent ce cube dans le temps.
Exemple : si on imagine une balle évoluant dans le cube, qui rebondit à l’intérieur des paroies, la modélisation 4D sera composée de l’ensemble des positions de la balle à l’intérieur du cube dans le temps.
Si on ajoute maintenant la notion de conscience, on a le choix de modifier la trajectoire de la balle volontairement, ou pas, et cela quand on veut.
Dans ce cas les possibilités de trajectoires de la balle sont infinies à chaque instant.
Qu’est-ce qui nous empêche de considérer ça comme une 5eme dimension qui se modéliserait par l’ensemble des positions possibles de la balle à l’intérieur du cube, dans le temps, selon tous les choix intentionnels possibles de modification de trajectoire de la balle ?
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