La cinquième dimension utilisée en physique existe-t-elle vraiment ? | Les scientifiques réagissent | Science

Commençons par les dimensions que nous connaissons tous. Dans notre vie quotidienne, nous sommes habitués à trois dimensions spatiales : lorsque nous regardons un objet, nous pouvons mesurer sa hauteur, sa largeur et sa profondeur. Lorsque nous considérons la limite des très hautes vitesses, proches de la vitesse de la lumière dans le vide, notre description de la réalité change et nous devons recourir à la relativité restreinte d’Einstein. Selon cette théorie, le temps cesse d’être un invariant pour être une coordonnée de plus, qui peut être différente pour différents observateurs, comme cela se produit avec les trois dimensions spatiales. On passerait alors de l’espace tridimensionnel auquel nous sommes habitués à une description en termes d’espace-temps quadridimensionnel. Cependant, il faudrait être un peu prudent car, même ainsi, le temps ne serait pas exactement équivalent aux dimensions spatiales, puisque tous les points de l’espace-temps ne seraient pas accessibles à partir d’un point initial, dans le temps, nous ne pouvons pas revenir en arrière.

Après cette introduction, nous pouvons déjà aborder la question de savoir s’il existe une cinquième dimension au-delà des quatre dimensions de la relativité restreinte. La réponse rapide est non. À l’heure actuelle, nous n’avons aucune preuve indiquant l’existence de dimensions supplémentaires et, par conséquent, d’une cinquième dimension. Cependant, tout au long du siècle dernier, différentes théories avec des dimensions supplémentaires ont été proposées pour tenter d’expliquer certains des phénomènes physiques que nous ne sommes pas en mesure d’expliquer avec les modèles et théories actuels.

L’existence possible de dimensions supplémentaires a été initialement proposée en 1921 par le physicien allemand Theodor Kaluza dans une tentative d’unifier l’interaction gravitationnelle décrite par la théorie de la relativité générale avec les interactions électromagnétiques. Et pour cela, il a utilisé un modèle d’espace-temps à cinq dimensions. Cette théorie a été complétée quelques années plus tard par le Suédois Oscar Klein et est connue sous le nom de théorie de Kaluza-Klein. De manière simplifiée, il propose que chaque ligne entre deux points de l’espace-temps pourrait en réalité être constituée d’un tube ou d’un cylindre dont la faible épaisseur, bien inférieure à la taille d’un atome, serait pratiquement invisible à notre échelle et donc nous n’aurions pas pu percevoir la cinquième dimension.

Par la suite, les idées de Kaluza-Klein ont été étendues pour tenter d’unifier la Relativité Générale avec la mécanique quantique et ainsi obtenir une théorie quantique de la gravité avec les théories dites des cordes. Dans ce cas, le nombre de dimensions supplémentaires est déterminé par la cohérence même mathématique de la théorie et serait de dix ou de onze dans les variantes les plus courantes, bien qu’une version postule l’existence de vingt-six dimensions. Dans ces théories, les particules élémentaires, décrites comme des objets ponctuels dans le modèle standard de la physique des particules, seraient en réalité des objets unidimensionnels, tels que des cordes, qui pourraient être ouverts ou fermés et vibrer de différentes manières selon leur nature.

Comme nous l’avons déjà commenté dans le cas des tubes de la théorie de Kaluza-Klein, l’épaisseur de ces cordes serait extrêmement faible, 35 ordres de grandeur inférieurs à un mètre, c’est-à-dire un mètre divisé par un suivi de 35 zéros, de sorte qu’il est totalement impossible de les observer de nos jours. Cependant, la nature des cordes se manifesterait à des énergies très élevées, de sorte que, selon leur taille spécifique, il serait possible d’observer leur effet, par exemple, dans les accélérateurs de particules. Mais, comme je l’ai expliqué précédemment, nous ne savons toujours pas si toutes ces dimensions sont réelles ou non. Pour le moment, ce ne sont que des propositions qui ont été créées pour tenter d’expliquer des problèmes que nous ne comprenons toujours pas.

Mariam Tortola est professeur titulaire au Département de Physique Théorique de l’Université de Valence et chercheur àInstitut de physique corpusculaire.

Question soumise parYeckson Torrealba

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