L'univers primitif avait-il une seule dimension spatiale? C'est le concept époustouflant au cœur d'une théorie que le physicien Dejan Stojkovic de l'Université de Buffalo et ses collègues ont proposé en 2010. Ils ont suggéré que le premier univers - qui a explosé à partir d'un seul point et était très, très petit au début - était unidimensionnel (comme une ligne droite) avant de s'étendre pour inclure deux dimensions (comme un avion) puis trois (comme le monde dans lequel nous vivons aujourd'hui).
La théorie, si elle était valide, aborderait des problèmes importants en physique des particules.
Maintenant, dans un nouvel article dans Physical Review Letters, le physicien de l'Université Stojkovic et Loyola Marymount, Jonas Mureika, décrit un test qui pourrait prouver ou infirmer l'hypothèse des «dimensions disparaissantes».
Parce qu'il faut du temps à la lumière et aux autres ondes pour se rendre sur Terre, les télescopes qui regardent dans l'espace peuvent, essentiellement, regarder dans le temps alors qu'ils sondent les confins de l'univers.
Les ondes gravitationnelles ne peuvent pas exister dans un espace à une ou deux dimensions. Stojkovic et Mureika ont donc estimé que l'antenne spatiale de l'interféromètre laser (LISA), un observatoire gravitationnel international prévu, ne devrait détecter aucune onde gravitationnelle émanant des époques de dimension inférieure du premier univers.
Stojkovic, professeur adjoint de physique, affirme que la théorie des dimensions évolutives représente un changement radical par rapport à la façon dont nous pensons le cosmos - à la façon dont notre univers a vu le jour.
L'idée centrale est que la dimensionnalité de l'espace dépend de la taille de l'espace que nous observons, avec des espaces plus petits associés à moins de dimensions. Cela signifie qu'une quatrième dimension s'ouvrira - si ce n'est pas déjà fait - à mesure que l'univers continue de se développer.
La théorie suggère également que l'espace a moins de dimensions à de très hautes énergies du type associé au premier univers post-big bang.
Si Stojkovic et ses collègues ont raison, ils aideront à résoudre les problèmes fondamentaux du modèle standard de physique des particules, notamment les suivants:
L'incompatibilité entre la mécanique quantique et la relativité générale. La mécanique quantique et la relativité générale sont des cadres mathématiques qui décrivent la physique de l'univers. La mécanique quantique est bonne pour décrire l'univers à très petite échelle, tandis que la relativité est bonne pour décrire l'univers à grande échelle. Actuellement, les deux théories sont jugées incompatibles; mais si l'univers, à ses plus petits niveaux, avait moins de dimensions, les écarts mathématiques entre les deux cadres disparaîtraient.
Les physiciens ont observé que l'expansion de l'univers s'accélère et ils ne savent pas pourquoi. L'ajout de nouvelles dimensions à mesure que l'univers se développe expliquerait cette accélération. (Stojkovic dit qu'une quatrième dimension peut déjà s'être ouverte à de grandes échelles cosmologiques.)
Le modèle standard de la physique des particules prédit l'existence d'une particule élémentaire encore inconnue appelée le boson de Higgs. Cependant, pour que les équations du modèle standard décrivent avec précision la physique observée du monde réel, les chercheurs doivent ajuster artificiellement la masse du boson de Higgs pour les interactions entre les particules qui se produisent à des énergies élevées. Si l'espace a moins de dimensions à hautes énergies, le besoin de ce type de «tuning» disparaît.
"Ce que nous proposons ici, c'est un changement de paradigme", a déclaré Stojkovic. "Les physiciens ont lutté avec les mêmes problèmes pendant 10, 20, 30 ans, et des extensions simples des idées existantes sont peu susceptibles de les résoudre."
"Nous devons prendre en compte la possibilité que quelque chose ne va pas systématiquement avec nos idées", a-t-il poursuivi. «Nous avons besoin de quelque chose de radical et de nouveau, et c'est quelque chose de radical et de nouveau.»
Étant donné que le déploiement prévu de LISA est encore dans des années, il faudra peut-être longtemps avant que Stojkovic et ses collègues soient en mesure de tester leurs idées de cette façon.
Cependant, certaines preuves expérimentales indiquent déjà l'existence possible d'un espace de dimension inférieure.
Plus précisément, les scientifiques ont observé que le flux d'énergie principal des particules de rayons cosmiques avec des énergies supérieures à 1 téraélectron volt - le type de haute énergie associé à l'univers très précoce - sont alignés le long d'un plan bidimensionnel.
Si les hautes énergies correspondent à l'espace de dimension inférieure, comme le propose la théorie des «dimensions disparaissantes», les chercheurs travaillant avec l'accélérateur de particules Large Hadron Collider en Europe devraient voir une diffusion planaire à de telles énergies.
Stojkovic dit que l'observation de tels événements serait «un test indépendant très excitant de nos idées proposées».
Sources: EurekAlert, Physical Review Letters.
