Les constantes universelles en science

« planètes de manière identique à la théorie de Newton, à cela près que son interprétation est différente : au lieu de faire appel à une force gravitationnelle, la théorie fait appel à une courbure du temps.

la théorie d'Einstein s'écarte ensuite de celle de Newton, car il apparaît qu'une masse courbe aussi l'espace (en plus du temps) : la longueur change d'un endroit à un autre en fonction de la distance à une masse.

Cette courbure spatiale amène de nouveaux effets inconnus de la théorie newtonienne.

la théorie de la relativité restreinte apparaît alors comme une limite de la relativité générale où l'on peut négliger G (ou considérer c comme infini).

On le voit.

en liant la matière à l'espace, G joue un rôle fondamental dans la théorie .

C'est à ce titre qu'il est naturel de le fixer comme l'une des trois constantes universelles .

Il.

LA COIISJANIE DE PlANCK la constante de Planck h a les dimensions d'une action, une grandeur homogène à une énergie multipliée par un temps.

Cette constante indique que tout événement met en jeu une quantité d'action au moins égale à la constante de Planck : c'est l'action minimale ou quantum élémentaire d'action.

Aussi, h joue un rôle fondamental en physique atomique, et marque une frontière entre la physique classique et la physique quantique.

En effet.

si l'événement met en jeu une action très grande devant h, alors les effets quantiques sont négligeables et la physique classique peut apporter une excellente réponse.

En revanche, si l'événement met en jeu une action dont la valeur est voisine de h, alors la physique qui décrit correctement le phénomène est la physique quantique.

là encore, on le voit, h joue un rôle fondamental en physique .

On comprend que cette constante soit érigée en constante universelle.

Il.

LA CONSTANTl DE Bo~N Certains physiciens pensent qu'il serait préférable d'Indure la constante de BoitzJJHIIIII , que l'on retrouve en thermodynamique, parmi les constantes universelles.

Au couple G, c adapté au monde macroscopique à l'échelle de l'univers, ils opposent le couple h, k se rapportant au monde microscopique à l'échelle atomique et subatomique.

De même que h est un quantum élémentaire d'action, k apparait comme le quantum élémentaire de l'information, la quantité d'information maximale que l'on peut extraire d'un système en dépensant un seul quantum d'action.

LE CUlE DES THmiiES PHYSIQUES le rOie des constantes c, G, h appelées parfois • constantes structurantes de la physique» peut être illustré à l'aide d'un graphique où l'on a 3 axes perpendiculaires sur lesquels on porte 1/c, h et G .

les valeurs que ces trois grandeurs peuvent prendre sont 0 ou 1.

le point (0,0,0) représente la mécanique newtonienne hors gravitation : c infinie, h nulle, G nulle .

le point (0,0,1) représente la gravitation newtonienne.

la mécanique quantique est située en (0,1,0), la relativité restreinte en (1,0,0) et la relativité générale en (1,0,1 ).

En (1.1.0) se trouve la théorie quantique des champs, c'est- à-dire la théorie quantique relativiste.

les points (0,1,1), ou gravitation quantique newtonienne, et (1,1,1), ou théorie unifiée de toutes les interactions ou encore la théorie de gravitation quantique relativiste, ne sont pour le moment pas au point.

mais les recherches continuent Beaucoup espèrent que la théorie des cordes (où les particules ne sont pas des objets ponctuels mais similaires à des cordes à une dimension) occupera le point (1,1,1).

ÉTALONS ET CONSTANTE UNIVERSELLE !:exemple ci-dessous permettra d'établir le lien entre étalon d'unité et constante universelle à travers l'exemple du mètre .

LA MAICHE VEIS llllh& Avant l'adoption d'une définition universelle du mètre, il existait -rien qu'en France -des milliers d'unités de mesure de longueur.

En effet, presque chaque village possédait la sienne .

Cela n'était évidemment pas commode en cas de communication et d'échange.

De l'esprit égalitaire de la Révolution, germe l'idée d'égaliser, d'unifier toutes ces unités.

On adopte alors une définition commune du mètre, définition qui s'appuya d'abord sur la longueur d'un méridien, puis sur le mètre étalon jusqu'en 1960 .

Ce dernier, comme tout ~tolo11, présente l'inconvénient qu'il n'existe qu'en un seul exemplaire.

Bien sOr, il est possible d'en faire des copies, mais qui dit copies dit imperfections de reproduction .

Par ailleurs, usure, température, hygrométrie, etc.

modifient légèrement la longueur de l'étalon .

Enfin, l'étalon étant localisé en un lieu précis, deux personnes ne peuvent s'entendre sur sa définition qu'en se présentant toutes deux sur le lieu de sa conservation.

VEIS UN llhiE IOIUM Aussi, pour palier ces inconvénients, il est nécessaire de trouver une référence plus répandue, plus universelle et de surcroît peu susceptible de modification.

la matière est une chose que l'on trouve partout En supposant que la matière « platine • par exemple est partout pareil, ce métal peut devenir une bonne référence pour fixer une unité de longueur .

Par exemple, nous pourrions définir l 'unité de longueur comme suit : c'est le diamètre de la Le cube des théories physiques sphère de platine qui pèse un kilogramme.

Grace à cette définition de l'unité de longueur, les inconvénients inhérents à l'étalon s'évanouissent.

Mais ici, l'unité de longueur devient dépendant de l'unité de masse, ce qui est gênant.

Par ailleurs, cette nouvelle définition du mètre est comme la précédente : elle est susceptible de changement en fonction des conditions météorologiques .

Nous pourrions alors adopter une autre définition, s'appuyant sur la taille d'un atome, mettons de platine.

!:unité de longueur serait le diamètre d'un atome ou d'un nombre déterminé d'atomes mis à la queue leu leu.

Cette référence semble parfaite et c'est effectivement une définition similaire qui fut adoptée en 1960, à cela près qu'au lieu de prendre le diamètre d'un atome, les physiciens décidèrent de faire reposer la référence sur la longueur d'onde d'une certaine raie spectrale précise du lrryptoo.

Bien entendu là aussi, en fonction des conditions expérimentales, il est possible de trouver des valeurs différentes .

Cependant.

l'expérience montre qu'il s'agit d'une définition du Théorie quantique des champs mètre plus stable et fiable que les précédentes .

LE llllhiE EN ltiJ En 1983, on décida d'adopter une nouvelle définition, expérimentalement plus robuste encore : c'est la distance que parcourt la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde ; la seconde étant elle même définie à partir d'une transition spectrale précise de l'atome de césium.

!:intérêt de cette définition est que le mètre est lié à une constante de la physique : la vitesse de la lumière dans le vide, c = 299 792 458 rn/s.

LE lllniE uH SUl C la vitesse de la lumière dans le vide est un absolu et ne dépend donc pas de l'observateur .

C'est en ce sens qu'il s'agit d'une constante.

Bien entendu, ce qui nous intéresse ici est la constance de cette grandeur, non sa valeur, qui elle, dépend des unités.

Autrement dit.

il se trouve que pour des raisons historiques les unités de longueur et de seconde sont telles que la distance parcourue par la lumière en une seconde est très grande devant l'unité de longueur et prend numériquement la valeur de 299 792 458 unités de vitesse.

Dans un autre système d'unité, cette constante prendra une autre valeur numérique mais demeurera néanmoins constante.

LE IILOGIAIIME Actuellement.

le kilogramme est la seule unité qui s'appuie encore sur un étalon objet Comme dans le cas du mètre, il serait préférable de fixer la référence du kg sur une définition qui s'appuie sur les constantes fondamentales.

Des études sont en cours à ce sujet D'Ici peu, la définition du kilogramme ne reposera plus sur le kilogramme étalon du bureau des poids et mesures, mais sur une définition universelle.

DES EONSTANTES VARIABLES Une des premières personnes à questionner la constance des constantes fondamentales (ou universelles) a été Pflfll DinK en 1937.

En effet.

rien théoriquement n'interdit aux constantes de voir leurs valeurs changer au cours du temps.

C'est par commodité que les physidens les considèrent comme fixes .

Cependant.

certaines expériences cherchent à vérifier la constance des constantes.

la constante que l'on a le plus souvent soupçonné de varier est la constante de gravitation, constante dont la valeur est la moins bien connue de toutes les constantes.

On peut aussi se demander si la masse du proton a toujours été 1838 fois supérieure à celle de l'électron ou si le rapport des deux masses avait une autre valeur dans un passé lointain ...

Il s'agit là de questions ouvertes auxquelles il n'y a pour le moment pas de réponse , bien qu'il semblerait que les constantes soient vraiment constantes.. »