L’impact de l’ajout de dimensions dans la physique des particules

Initiation à la physique des particules, 2010, Université Laval

La théorie de la relativité générale, publiée en 1915 par Albert Einstein, a bouleversé la nature newtonienne de l’espace et du temps. Abolissant l’aspect absolu du temps, Einstein décrit, à l’aide du calcul tensoriel, un espace-temps dans lequel la gravité est une manifestation de la courbure de l’espace-temps créée par l’énergie et la masse. À cette époque, la seule autre force physique connue était l’électromagnétisme décrit parfaitement par les équations de Maxwell. Après l’énorme succès de la relativité générale à décrire le système solaire, Einstein remarqua que les deux forces connues possédaient une forte similarité. En effet, les deux forces possèdent une dépendance inversement proportionnel au carré de la distance qui sépare les deux objets. Einstein tenta en vain pendant plusieurs années de démontrer que la gravité et l’électromagnétisme était, sous certaines conditions, la représentation d’une seule et unique force.

 

En avril 1919, Einstein reçut la lettre de Theodor Kaluza, un mathématicien et physicien polonais, qui avait obtenu les équations des deux théories en solutionnant les équations d’Einstein en cinq dimensions. L’astuce et la révolution de Kaluza fut d’ajouter en tout point de l’espace une dimension supplémentaire permettant de décrire l’électromagnétisme. Ce fut la premièrement fois où l’idée d’ajouter des dimensions d’espace supplémentaire fut publiée et cela eut un impact énorme dans la communauté scientifique. Les problèmes philosophiques qu’apporte l’ajout de dimensions imperceptibles pour l’homme peuvent être solutionnés grâce au principe de compactification. Toutefois, la révolution quantique changea la vision du monde d’une toute autre façon et permit une description exceptionnelle des atomes. C’est à la fin du siècle que la théorie Kaluza-Klein reprit de l’intérêt. Les physiciens l’utilisèrent pour unifier les nouvelles forces découvertes et cela permit de développer de nombreux modèles dans la physique des particules, comme le modèle standard et la supersymétrie (SUSY).

 

Le présent travail a pour but d’exposer cette évolution du nombre de dimensions dans les différentes théories physiques, en commençant par la théorie Kaluza-Klein jusqu’à la théorie des cordes. De plus, différentes techniques et problèmes expérimentaux pour détecter ces dimensions supplémentaires sont expliquées.

Introduction