Thinkmates Portrait
Brian Greene

Théorie des cordes, multivers

Brian Greene

né en 1963

Pensée vivante
La réalité est plus étrange que tout ce que l'on imagine.
Paraphrase fondée sur les œuvres

Naissance

9 février 1963, New York

Mort

—

Spécialités

Théorie des cordesMultiversCosmologieEspace-tempsVulgarisation

Brian Greene est physicien théoricien à Columbia, spécialiste de la théorie des cordes (symétrie miroir, Calabi-Yau) et l'un des plus grands vulgarisateurs. Avec L'Univers élégant, La Magie du cosmos, La Réalité cachée et Jusqu'à la fin des temps, il rend tangibles les onze dimensions, les multivers, l'intrication.

Cofondateur du World Science Festival.

« La réalité est plus étrange que tout ce que l'on imagine. »

— Brian Greene

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Qui est Greene ?

Brian Greene, né le 9 février 1963 à New York, est un physicien théoricien américain et professeur à l’université Columbia. Spécialiste de la théorie des cordes et de la symétrie miroir, il est aussi connu pour ses livres de vulgarisation sur l’espace-temps, la cosmologie et les hypothèses de multivers, ainsi que pour avoir cofondé le World Science Festival.

Biographie

Brian Randolph Greene naît le 9 février 1963 à New York. Il étudie la physique à l’université Harvard, où il obtient son diplôme en 1984, puis poursuit ses recherches à l’université d’Oxford grâce à une bourse Rhodes. Il y soutient son doctorat en 1987, dans le domaine de la physique théorique.

Après des recherches postdoctorales, il rejoint l’université Cornell en 1990, puis l’université Columbia, à New York, en 1996. Ses travaux portent principalement sur la théorie des supercordes, qui cherche à décrire les particules et les interactions, y compris la gravitation, dans un cadre quantique unifié. Il s’intéresse particulièrement à la géométrie des dimensions supplémentaires et aux espaces de Calabi-Yau employés dans certaines compactifications.

En 1990, avec Ronen Plesser, il présente une construction importante de paires de variétés de Calabi-Yau reliées par la symétrie miroir : deux géométries différentes peuvent conduire à des descriptions physiques équivalentes. En 1993, ses travaux avec Paul Aspinwall et David Morrison éclairent les transitions dites de flop, dans lesquelles la topologie de l’espace compactifié peut changer sans rendre la description physique incohérente. Ces recherches contribuent au dialogue entre théorie des cordes et géométrie algébrique.

Greene acquiert une large notoriété avec The Elegant Universe, publié en 1999 et traduit sous le titre L’Univers élégant. Il poursuit cette entreprise avec The Fabric of the Cosmos, en 2004, et The Hidden Reality, en 2011. Les adaptations télévisées des deux premiers ouvrages, présentées par lui dans la série NOVA, élargissent encore son audience. Avec la productrice Tracy Day, il cofonde le World Science Festival, dont la première édition se tient à New York en 2008.

Dans Until the End of Time, paru en 2020, Greene élargit son propos aux origines de la vie, à la conscience, à la culture et à la recherche humaine de sens dans un univers évolutif. Son activité associe ainsi recherche mathématique, présentation des grandes théories physiques et réflexion naturaliste. Il importe toutefois de distinguer les résultats établis qu’il expose des propositions encore non confirmées, notamment la théorie des cordes comme description de notre monde et les différentes hypothèses de multivers.

Œuvres principales

  • L’Univers élégant — The Elegant Universe — 1999

    Cet ouvrage présente la relativité, la mécanique quantique et la théorie des supercordes comme candidate à une description unifiée des interactions fondamentales ; l’année indiquée est celle de l’édition originale.

  • La Magie du cosmos — The Fabric of the Cosmos — 2004

    Greene explore la nature de l’espace et du temps à travers la relativité, la physique quantique, l’entropie et la cosmologie.

  • Icarus at the Edge of Time — 2008

    Ce récit illustré transpose le mythe d’Icare dans un voyage près d’un trou noir afin de faire découvrir les effets relativistes sur le temps.

  • La Réalité cachée — The Hidden Reality — 2011

    Le livre examine plusieurs familles d’hypothèses de multivers, leurs motivations théoriques et les difficultés de leur mise à l’épreuve.

  • Jusqu’à la fin des temps — Until the End of Time — 2020

    Greene propose une histoire cosmique reliant l’évolution de l’Univers, l’apparition de la vie et de l’esprit, la culture et la question du sens.

Concepts fondamentaux

  • Théorie des cordes

    Cadre théorique dans lequel les constituants fondamentaux sont des objets étendus à une dimension plutôt que des particules ponctuelles. Leurs différents états de vibration correspondent à différents états de particules, dont un état présentant les propriétés attendues du graviton.

  • Compactification

    Procédé par lequel des dimensions spatiales supplémentaires sont supposées former un espace compact, généralement trop petit pour être directement observé. Leur géométrie contribue à déterminer la physique effective dans les dimensions accessibles.

  • Variétés de Calabi-Yau

    Espaces géométriques qui jouent un rôle important dans certaines compactifications de la théorie des supercordes, notamment parce qu’ils permettent de préserver une partie de la supersymétrie. Greene a étudié leurs relations avec les propriétés physiques des modèles.

  • Symétrie miroir

    Relation entre certaines paires de variétés de Calabi-Yau différentes qui peuvent décrire une même physique des cordes. Elle permet également de convertir des problèmes géométriques difficiles en problèmes plus accessibles sur l’espace miroir.

  • Transitions de flop

    Transformations dans lesquelles certains cycles d’un espace de Calabi-Yau se contractent puis sont remplacés par une autre configuration. Les travaux auxquels Greene a participé montrent comment ces changements topologiques peuvent être traversés dans la description par les cordes.

  • Multivers

    Terme collectif désignant plusieurs hypothèses d’une réalité comprenant davantage que notre univers observable. Greene distingue notamment les domaines issus de l’inflation éternelle, les possibilités du paysage des cordes et les branches de l’interprétation quantique des mondes multiples.

  • Espace-temps

    Structure unifiant les événements spatiaux et temporels dans la relativité. Greene expose son caractère dynamique en relativité générale et les questions que pose sa description à l’échelle quantique.

  • Entropie et flèche du temps

    L’entropie est liée au nombre de configurations microscopiques compatibles avec un état macroscopique. Son augmentation statistique, compte tenu de conditions initiales de basse entropie, joue un rôle central dans l’explication de l’asymétrie entre passé et futur.

Brian Greene et la théorie des cordes

Le travail scientifique de Greene concerne surtout les rapports entre géométrie et physique dans les compactifications des supercordes. La symétrie miroir et les transitions topologiques suggèrent que la géométrie classique n’est pas toujours la description la plus fondamentale : des espaces apparemment distincts peuvent correspondre à une même physique.

Dans ses livres, il présente les cordes comme une candidate à l’unification et à la gravitation quantique, non comme une théorie expérimentalement établie. Les supercordes sont habituellement formulées en dix dimensions d’espace-temps ; les onze dimensions concernent le cadre de la théorie M, qui relie différentes descriptions.

Brian Greene et le multivers

Dans La Réalité cachée, Greene ne défend pas une seule construction du multivers : il en propose une classification. Un espace cosmologique suffisamment vaste, l’inflation éternelle, le paysage des solutions de la théorie des cordes et certaines interprétations quantiques conduisent à des propositions distinctes, reposant sur des arguments différents.

Il examine la possibilité qu’une théorie corroborée dans notre domaine observable ait aussi des conséquences au-delà de celui-ci. Cela ne constitue cependant pas une observation de ces autres domaines : la pertinence scientifique de chaque proposition dépend des prédictions et des tests que le cadre complet permet réellement.

Brian Greene et le temps

Greene présente le temps relativiste comme une grandeur qui dépend du mouvement et du champ gravitationnel, plutôt que comme une horloge universelle. Il distingue ce résultat physique de la question plus délicate du passage du temps tel qu’il est vécu.

Son analyse de la flèche du temps insiste sur la faible entropie de l’Univers primordial. L’existence locale de structures organisées, comme les étoiles et les organismes, ne contredit pas la thermodynamique : leur formation et leur maintien s’accompagnent d’échanges et d’une production d’entropie dans leur environnement.

Brian Greene et la conscience

Dans Jusqu’à la fin des temps, Greene inscrit l’esprit dans l’histoire naturelle de la matière, de la vie et de l’évolution. Sa perspective est naturaliste : il cherche à comprendre les capacités mentales à partir de processus physiques et biologiques, sans faire de la conscience une propriété démontrée des cordes ou du cosmos.

Il reconnaît les difficultés de l’explication de l’expérience subjective. Ses réflexions sur la conscience, la liberté et le sens prolongent son travail de vulgarisation, mais ne constituent pas une théorie neuroscientifique établie issue de ses recherches sur les cordes.

Brian Greene et la vulgarisation

Greene emploie des expériences de pensée, des analogies et des récits pour rendre accessibles des idées mathématiquement complexes. Ses livres et ses émissions distinguent plusieurs niveaux de description, depuis la physique bien vérifiée jusqu’aux programmes de recherche les plus spéculatifs.

Le World Science Festival, cofondé avec Tracy Day, prolonge cette démarche par des débats, des spectacles et des rencontres entre scientifiques, artistes et grand public. L’objectif est de montrer la science comme une enquête en cours, et pas seulement comme une collection de résultats.

Controverses et limites

  • Une théorie des cordes encore dépourvue de confirmation spécifique

    La théorie des cordes n’a pas fourni de prédiction distinctive confirmée qui établirait qu’elle décrit notre univers. Peter Woit, dans Not Even Wrong, et Lee Smolin, dans The Trouble with Physics, tous deux publiés en 2006, critiquent notamment ses difficultés de confrontation à l’expérience et sa place dans la recherche ; ces débats concernent le programme auquel Greene contribue, sans invalider ses résultats mathématiques.

  • La testabilité des multivers

    Certaines hypothèses présentées dans La Réalité cachée concernent des régions inaccessibles à l’observation directe. George Ellis et Joe Silk ont notamment mis en garde, dans leur article « Scientific method: Defend the integrity of physics » publié dans Nature en 2014, contre une validation des théories fondée essentiellement sur leur cohérence ou leur élégance ; Greene examine pour sa part la possibilité de les évaluer indirectement à travers le cadre qui les prédit.

  • Le paysage des cordes et les raisonnements anthropiques

    La multiplicité des solutions possibles en théorie des cordes peut rendre difficile la déduction unique des constantes observées. Les explications faisant intervenir notre condition d’observateurs suscitent des objections sur leur pouvoir prédictif, auxquelles s’ajoute, dans plusieurs modèles cosmologiques, le problème de définir une mesure de probabilité ; Greene présente ces difficultés dans La Réalité cachée.

  • Les limites des conclusions sur la conscience et le sens

    Dans Jusqu’à la fin des temps, Greene passe de résultats physiques à des interprétations philosophiques concernant la liberté, la conscience et la signification de l’existence. Ces interprétations peuvent être discutées indépendamment de la validité de la relativité ou de la thermodynamique : ces théories ne suffisent pas, à elles seules, à trancher toutes les questions sur l’expérience subjective ou les valeurs.

Influence et postérité

Sur le plan scientifique, Greene a contribué à l’essor de la symétrie miroir et à l’étude des changements de topologie en théorie des cordes. Ses travaux avec Ronen Plesser, Paul Aspinwall et David Morrison s’inscrivent dans un mouvement qui a profondément renouvelé les échanges entre physique théorique et géométrie. Cette fécondité mathématique doit être distinguée de la question, toujours ouverte, de la réalisation physique des cordes dans la nature.

Son influence publique repose sur ses ouvrages, leurs adaptations télévisées et le World Science Festival. Il a contribué à faire connaître les dimensions supplémentaires, la gravitation quantique et les différents scénarios de multivers, tout en plaçant au centre de la discussion la distinction entre observation, construction théorique et spéculation.

Questions fréquentes

Brian Greene a-t-il inventé la théorie des cordes ?

Non. La théorie des cordes résulte de travaux collectifs commencés avant sa carrière. Greene a apporté des contributions importantes à la symétrie miroir et aux changements de topologie dans les compactifications.

Que signifie la symétrie miroir ?

Dans ce contexte, il ne s’agit pas d’une simple réflexion dans un miroir. Deux espaces de Calabi-Yau géométriquement différents peuvent conduire à des descriptions équivalentes de la physique des cordes.

Brian Greene affirme-t-il que le multivers existe ?

Il expose plusieurs hypothèses de multivers et les raisons théoriques de les prendre au sérieux. Leur existence n’est toutefois pas établie par une confirmation empirique décisive, et leurs niveaux de motivation scientifique diffèrent.

Pourquoi parle-t-on de dix ou de onze dimensions ?

Les théories des supercordes sont habituellement formulées en dix dimensions d’espace-temps : neuf spatiales et une temporelle. La théorie M possède une description en onze dimensions, dont dix spatiales. Aucune de ces dimensions spatiales supplémentaires n’a été observée.

La théorie des cordes est-elle prouvée ?

Non : elle n’est pas confirmée comme description de notre univers. Elle possède de nombreux résultats théoriques et mathématiques, mais ceux-ci ne remplacent pas une validation expérimentale distinctive.

Que dit-il de la conscience ?

Greene l’aborde comme un phénomène à comprendre dans le cadre de la nature et de l’évolution. Il n’a pas établi de théorie de la conscience fondée sur les cordes et reconnaît que l’expérience subjective pose des difficultés particulières.

Par quel livre commencer ?

L’Univers élégant convient pour découvrir les cordes et le problème de l’unification. La Magie du cosmos constitue une entrée plus large dans l’espace, le temps et la physique moderne. La Réalité cachée se concentre sur les hypothèses de multivers.

Qu’est-ce que le World Science Festival ?

C’est une initiative de diffusion scientifique cofondée par Brian Greene et Tracy Day, dont la première édition new-yorkaise a eu lieu en 2008. Elle associe conférences, échanges publics, expériences et productions artistiques autour des sciences.

Pour aller plus loin

Découvrir

  • Unifier la gravitation et la physique quantique

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