MAY 14, 2026
String theory is uniquely derived from basic assumptions about the universe, physicists show
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14 mai 2026
La théorie des cordes découle de manière unique d'hypothèses fondamentales sur l'univers, démontrent des physiciens
Par Whitney Clavin, Institut de technologie de Californie
Édité par Lisa Lock, relu par Robert Egan
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Illustration montrant comment la théorie des cordes émerge de quelques hypothèses mathématiques simples sur les collisions de particules. Crédit : Illustration générée par IA par Clifford Cheung
Si vous preniez une pomme et la décomposiez en morceaux de plus en plus petits, vous trouveriez des molécules, puis des atomes, suivis de particules subatomiques comme les protons et les quarks et gluons qui les composent. Vous pourriez penser avoir atteint le fond, mais, selon les théoriciens des cordes, si vous continuez à descendre à des échelles encore plus petites — environ un milliard de milliards de fois plus petites qu'un proton —, vous trouverez encore plus : de minuscules cordes vibrantes.
Développée dans les années 1960, la théorie des cordes propose que tout dans l'univers soit constitué de cordes invisibles. Cette théorie est apparue comme une solution possible au problème de la « gravité quantique », la recherche d'un accord entre la mécanique quantique, qui décrit notre monde à l'échelle microscopique, et la théorie de la relativité générale, qui explique le fonctionnement de notre univers à l'échelle macroscopique (et inclut la gravité). Les chercheurs ont tenté de concilier les deux théories – en se demandant, par exemple, comment la gravité se comporte dans le domaine quantique – mais leurs équations deviennent incontrôlables, ou, en termes mathématiques, tendent vers l'infini.
La théorie des cordes est une solution mathématique qui permet de maîtriser ces infinis incontrôlables. Elle postule que toutes les particules, y compris le graviton – la particule hypothétique censée transmettre la force de gravité – sont générées par des cordes vibrantes de très petite taille. Les mathématiques sous-jacentes à la théorie des cordes exigent que ces dernières vibrent dans au moins dix dimensions, et non dans les quatre dimensions qui nous entourent (trois pour l'espace et une pour le temps). C'est l'une des raisons pour lesquelles certains scientifiques doutent de la validité de cette théorie. Mais le plus grand défi pour cette théorie réside peut-être dans les énergies extrêmement élevées nécessaires à sa vérification : une telle expérience exigerait un collisionneur de particules de la taille d'une galaxie.
Que faire, alors ? Une approche possible pour sonder la théorie consiste à recourir à une démarche dite « bootstrap », où les chercheurs partent de certaines hypothèses qu'ils estiment vraies concernant l'univers, puis observent quelles lois émergent de ces hypothèses. Dans un article intitulé « Strings from Almost Nothing », accepté pour publication dans Physical Review Letters, des chercheurs du Caltech, en collaboration avec leurs collègues de l'Université de New York et de l'Institut de Fisica d'Altes Energies de Barcelone, ont précisément procédé ainsi. À partir de quelques hypothèses fondamentales sur la manière dont les particules devraient se diffuser les unes aux autres à très haute énergie, ils ont déduit les éléments de la théorie des cordes.
« Les cordes sont apparues comme par magie », déclare Clifford Cheung, professeur de physique théorique et directeur du Forum Leinweber de physique théorique à Caltech. « Nous n'avions au départ aucune hypothèse concernant les cordes, et pourtant la solution contenait les signatures fondamentales de cette théorie. »
Bien que ces travaux ne constituent pas une preuve expérimentale de la théorie des cordes, ils sont « très suggestifs d'un point de vue théorique, car les hypothèses générales auraient pu engendrer une infinité de solutions, alors qu'elles n'en ont abouti qu'à une seule », explique Cheung.
Cette approche par amorçage permet aux physiciens de cibler les caractéristiques essentielles de la théorie des cordes, explique Hirosi Ooguri, professeur Fred Kavli de physique théorique et de mathématiques à Caltech et titulaire de la chaire Kent et Joyce Kresa de la Division de physique, mathématiques et astronomie, lui-même théoricien des cordes, bien que non co-auteur de l'article. « Cela aide aussi les chercheurs à élaborer des théories alternatives. Si la théorie des cordes est fausse et que nous voulons trouver un autre modèle, quelles hypothèses fondamentales devons-nous abandonner ? » explique Ooguri.
L'une des signatures clés de la théorie des cordes qui a « échappé » à l'analyse de l'équipe est connue sous le nom de spectre des cordes. Découvert par le physicien théoricien italien Gabriele Veneziano, du CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire), à la fin des années 1960, ce spectre représente une tour infinie, ou échelle, de particules, dont les masses et les spins augmentent par paliers discrets.
« À l'époque de Veneziano, les collisionneurs de particules observaient un véritable nuage de débris issu des collisions : des particules de masses différentes. C'était fascinant, et personne ne comprenait ce qui se passait. Veneziano a formulé une fonction pour décrire toutes les masses, révélant ainsi une tour infinie de particules », explique Cheung.
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D'autres chercheurs ont par la suite compris que la tour de particules de Veneziano correspondait à une série harmonique d'une corde vibrante. Si l'on pince une corde de violon, on obtient une série de notes représentant la note fondamentale et ses harmoniques, qui suivent un schéma similaire.
La théorie des cordes était née, mais ce n'est qu'en 1974 que John Schwarz, professeur émérite de physique théorique à Caltech, et son collègue Joël Scherk, physicien français, ont réalisé que cette théorie incluait la gravité, établissant ainsi le premier lien entre la théorie des cordes et la relativité générale.
« Comme tous les physiciens des particules de cette époque, nous ne nous étions pas intéressés à la gravité auparavant. Les théories des cordes se comportent bien aux très hautes énergies, contrairement à la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui subsiste comme approximation à basse énergie. Par conséquent, même si beaucoup de choses restaient encore obscures, nous étions très enthousiastes à l'idée qu'une version de la théorie des cordes puisse fournir une théorie quantique unifiée du tout », explique Schwarz.
En théorie des cordes, différents modes de vibration de minuscules cordes donnent naissance aux différentes particules. Par exemple, un photon provient d'une corde ouverte vibrant dans son mode fondamental, tandis que le graviton serait issu du mode de vibration fondamental d'une corde fermée.
De la base au sommet
Dans cette nouvelle étude, les chercheurs se sont intéressés aux amplitudes de diffusion, qui décrivent les probabilités des résultats possibles des collisions de particules. Lorsqu'ils formulent ces amplitudes à des énergies de plus en plus élevées à l'aide des outils de la relativité générale, des infinis incontrôlables apparaissent. Mathématiquement parlant, cela signifie que les résultats sont incohérents et impossibles.
« Si l'on utilise la relativité générale et que l'on effectue des diffusions à des énergies très élevées, à l'échelle de Planck (soit environ 19 ordres de grandeur supérieurs à la masse d'un proton), on obtient un résultat absurde. Tout s'effondre », explique Cheung.
C'est là que la théorie des cordes prend tout son sens. Cela empêche les calculs mathématiques de tendre vers l'infini de plusieurs manières, notamment grâce à un phénomène appelé ultra-souplesse. Les cordes adoucissent, ou atténuent, les interactions aux très hautes énergies, les rendant ainsi plus faciles à gérer mathématiquement.
« Dans le cadre de la théorie des cordes, lorsque le transfert d'énergie entre les particules augmente, la probabilité qu'elles se diffusent diminue rapidement. C'est comme si les particules ne cherchaient même pas à se diffuser les unes aux autres, mais préféraient se déplacer librement », explique Cheung. « Les amplitudes de diffusion ne tendent pas vers l'infini. Le comportement est plus stable. »
Les chercheurs ont pris cette propriété d'ultra-souplesse du comportement des particules comme l'une de leurs hypothèses de départ. Ils n'ont rien supposé concernant les cordes elles-mêmes, mais ont considéré comme vrai que les particules ont une plus faible probabilité de se diffuser aux hautes énergies – une condition nécessaire pour maîtriser les infinis indésirables dans les théories de la gravité quantique.
De plus, ils ont formulé une autre hypothèse sur le comportement des particules, appelée « zéros minimaux », qui est plus complexe. « Étonnamment, la cohérence exige que les amplitudes de diffusion interagissent, mais aussi qu'elles n'interagissent pas en certains points cinématiques particuliers appelés « zéros ». L'hypothèse de « zéros minimaux » impose le nombre le plus faible possible de ces points d'annulation mathématiquement autorisés par les équations », explique Cheung.
À partir des formules mathématiques décrivant ces deux hypothèses, les chercheurs ont rigoureusement démontré que les seules fonctions mathématiques satisfaisant ces hypothèses constituaient les caractéristiques fondamentales de la théorie des cordes. Ces caractéristiques comprennent le spectre complet des masses et des spins des particules, tels que définis par la théorie des cordes, ainsi que leurs forces d'interaction détaillées.
« Les détails précis de la théorie des cordes ont émergé automatiquement, notamment la tour infinie de particules massives en rotation qui forment les « harmoniques » de la corde qui font la renommée de la théorie », explique Grant N. Remmen (doctorat 2017), co-auteur et chercheur postdoctoral James Arthur à l'Université de New York.
L'approche par amorçage des chercheurs s'apparente à un sudoku : on part de quelques règles à suivre concernant h.
« À partir de principes fondamentaux. »
Cheung cite également Steven Frautschi, du Caltech, comme un pionnier de l'approche bootstrap. Frautschi, professeur émérite de physique théorique au Caltech, et son collègue, feu Geoffrey Chew, anciennement de l'UC Berkeley, furent les premiers à développer la théorie bootstrap en physique des particules dans les années 1960 (Chew a trouvé ce nom d'après l'expression « se hisser par ses propres moyens »). Frautschi et Chew ont trouvé les premières preuves de l'existence de la tour infinie de particules, découverte plus tard par Veneziano.
« L'idée de bootstrap était tombée en désuétude, mais aujourd'hui, des personnes comme Cliff la font revivre et la modernisent », explique Ooguri. « Nous comprenons désormais mieux les hypothèses fondamentales que nous pouvons formuler, et nous disposons de techniques plus robustes pour traduire ces hypothèses en propriétés de diffusion. »
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RESUME
Des physiciens démontrent que la théorie des cordes découle de manière unique d'hypothèses fondamentales sur l'univers.
En appliquant une approche de rééchantillonnage basée sur des hypothèses minimales concernant la diffusion des particules de haute énergie — notamment l'ultra-molleté et le nombre minimal de zéros —, des chercheurs ont dérivé mathématiquement les caractéristiques essentielles de la théorie des cordes, dont son spectre infini de masses et de spins. Ce résultat suggère que la théorie des cordes émerge de manière unique de ces principes physiques fondamentaux, imposant ainsi une contrainte théorique forte aux modèles possibles de gravité quantique.
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COMMENTAIRES
J ai longtemps espéré que théorie des cordes puisse déboucher sur une
imagerie quantique claire et explique pourqoi pas les caracteristiques d une particule de masse et de charge électrique ... Mais dans les années 2000-2010 la théorie M formulée a Princeton parEdwin Witten
m en a dissuadé !!
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En physique fondamentale, la théorie des cordes est un cadre théorique dans lequel les particules ponctuelles du modèle standard sont remplacées par des objets unidimensionnels appelés cordes. La théorie décrit comment ces cordes se propagent dans l'espace et interagissent les unes avec les autres.
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Publication details
Clifford Cheung et al, Strings from almost nothing, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/cw4p-cqh7. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2508.09246
Journal information: Physical Review Letters , arXiv
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