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Pionniers des supercordes, Green et Schwarz récompensés par une fortune

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Depuis 2012, il existe ce que certains ont appelé le prix Nobel russe, un prix de physique fondamentale attribué par la Fundamental Physics Prize Foundation du milliardaire russe Yuri Milner. Pour l'année 2014, le Breakthrough Prize in Fundamental Physics et ses trois millions de dollars vont au Britannique Michael Green (université de Cambridge) et à l'Américain John Schwarz (California Institute of Technology). Il vient en récompense de leurs contributions à la quête d'une théorie unifiée des interactions, ainsi que de leurs travaux sur la gravitation quantique.

De gauche à droite, John Schwarz et Michael Green en 2002. Les deux hommes sont désormais lauréats du Breakthrough Prize in Fundamental Physics. Ils ont été à l'origine de la première révolution de la théorie des supercordes en 1984, dans laquelle plusieurs physiciens de premier plan ont basculé, comme le prix Nobel de physique 1979 Steven Weinberg et Edward Witten, qui a reçu la médaille Fields en 1990. © John Schwarz

Michael Green et John Schwarz sont bien connus comme deux des plus importants pionniers de la théorie des cordes et des supercordes. Ils ont lancé la première révolution de la théorie des cordes en 1984. Les contributions les plus importantes sont celles de Schwarz dans les années 1970. Après des études de mathématiques dans les années 1960, il s'était lancé dans la théorie des interactions nucléaires fortes avec Geoffrey Chew. Quand est venue la découverte par Veneziano en 1968 de sa fameuse formule qui contenait en germe la théorie des cordes, Schwarz s'est engouffré dans cette voie de recherche.

À l'époque, la théorie des champs est en disgrâce, ce qui rend beaucoup de scientifiques très sceptiques sur l'intérêt du mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Presque tout le monde, y compris John Schwarz, suit la voie tracée par Chew, celle de la matrice S. Mais au début des années 1970, tout change. On commence à avoir des preuves de la pertinence de la théorie des quarks et de la théorie des champs de Yang-Mills. Le modèle dual des interactions fortes issu de la fameuse formule de Veneziano tombe en désuétude quelques années après que Leonard Susskind et Yoichiro Nambu ont compris que derrière cette formule se cachait la dynamique d'une corde vibrante.

L'un des cours de physique de Leonard Susskind, après ceux sur la relativité et la mécanique quantique, est celui sur la théorie des cordes. Pour obtenir une traduction en français parfois assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « Français », puis cliquez sur « OK ». © StanfordUniversity, YouTube

Les cordes, une théorie quantique unifiée de toutes les forces

Convaincu que les mathématiques et la physique derrière le modèle dual (comme on appelait alors encore la théorie des cordes) devaient servir à quelque chose, John Schwarz continue ses travaux dans un relatif isolement, et même l'hostilité de certains chercheurs comme Richard Feynman. Heureusement, Gell-Mann, le père de la théorie des quarks, qui avait compris l'importance des travaux de Schwarz et Susskind, le soutient.

En 1972, André Neveu et Joël Scherk (le Mozart de la théorie des cordes mort trop tôt) montrent que le modèle dual contient dans une certaine limite les équations de Yang-Mills de la théorie quantique des champs. En 1974, Schwarz et Scherk joignent leurs forces et découvrent que le modèle dual contient aussi les équations de la relativité générale. Ils proposent donc en 1975 de reconsidérer totalement la théorie des cordes, qui devient non plus une théorie des interactions nucléaires fortes, mais une théorie quantique unifiée des interactions, et en particulier une théorie quantique de la gravitation. Le prix à payer, imposé par les équations de la théorie des cordes, était d'admettre que l'espace possédait des dimensions spatiales supplémentaires compactifiées à la façon des théories de Kaluza-Klein.

Il faudra attendre 1984 pour que la théorie des cordes s'impose vraiment sur le devant de la scène en physique théorique. Entretemps, depuis 1970, de multiples contributions de physiciens comme Pierre Ramond ou Julius Wess font évoluer le modèle dual, qui devient la théorie des supercordes. La théorie contient donc des équations de super-Yang-Mills et de supergravité, qui sont prises extrêmement au sérieux au début des années 1980 après la confirmation de l'existence des bosons W et Z ainsi que de nombreuses autres prédictions du modèle standard.

Michael Green, avec en haut à gauche la formule de Veneziano qui a mis sur la piste de la théorie des cordes. La formule de Veneziano permet de reproduire une partie du comportement des mésons de la théorie des forces nucléaires fortes. © Université de Cambridge

Une théorie du tout magiquement libre d'anomalies quantiques

En 1984, Schwarz poursuivait une collaboration fructueuse avec Michael Green, commencée en 1979 au Cern. Les deux chercheurs se sont alors rendu compte qu'un miracle se produisait avec une certaine formulation de la théorie des cordes. Pour comprendre de quoi il s'agit, il faut savoir qu'il existe en théorie quantique des champs ce qu'on appelle des anomalies. Les équations de la théorie au niveau classique impliquent des lois de conservation, comme celle de la charge électrique. Dans certains cas, le passage à une théorie quantique détruit certaines de ces lois de conservation. L'expérience le confirme ou non selon les situations. Dans le cas du modèle standard, les équations du modèle électrofaible ont des anomalies que compensent celles de la chromodynamique quantique. C'est l'une des grandes forces du modèle standard.

Ce qu'ont découvert Green et Schwarz, c'est qu'une théorie des supercordes avec un groupe de symétrie bien spécifique conduisait automatiquement au même phénomène de compensation, mais de façon encore moins triviale entre des théories de super-Yang-Mills et des théories de supergravité. Dès lors, une bonne partie de la communauté de la physique théorique des hautes énergies, sceptique envers la théorie des supercordes, a basculé dans ce qui est maintenant appelé la première révolution des supercordes. Une deuxième allait arriver vers 1996 avec l'entropie des trous noirs, mais c'est une autre histoire...

Aujourd'hui, Michael Green a remplacé Stephen Hawking comme Lucasian Professor à l'université de Cambridge, et John Schwarz est toujours en poste au California Institute of Technology. Grâce au Breakthrough Prize in Fundamental Physics qui vient de leur être décerné, ils sont désormais plus riches de trois millions de dollars, mais l'on ne sait toujours pas si leurs travaux contiennent bien une théorie quantique unifiée de la matière et des forces. On attend du LHC et de ses successeurs qu'ils nous le disent.