Les constantes capricieuses de la physique &

Les constantes fondamentales

G, c, h, e, k,... sous l'apparence anodine des lettres de l'alphabet, les constantes jouent un rôle fondamental en science. On constate en effet qu'elles sont utilisées dans beaucoup d'équations. Intéressons-nous à la question de savoir si toutes sont vraiment fondamentales et si la science ne pourrait pas s'en passer.

Toutes les constantes de la nature représentent-elles bien des paramètres fondamentaux et constants ? Où ne seraient-elles pas plutôt des "artefacts" liés à la manière dont nous les avons mesurées ? En répondant à ces questions, nous comprendrons mieux comment fonctionne l'Univers et ses lois.

Prenons un exemple très simple, la molécule d'eau. Du temps d'Archimède, sa masse volumique représentait certainement d'une des quatre constantes fondamentales de la nature au même titre que la terre, l'air ou le feu. L'évolution des sciences nous a appris que les caractéristiques de l'eau dépendaient non seulement de la température ou de la pression mais surtout de ses propriétés atomiques (les masses et le nombre d'atomes formant la molécule d'eau) et moléculaires (les affinités chimiques). Plus récemment, on a découvert que ses propriétés dépendent elles-mêmes de la masse et de la charge de l'électron ainsi que de la constante de Planck. En revanche, la vitesse de la lumière est passée du cadre de paramètre attaché à un milieu (l'éther) à celui de constante fondamentale en raison de sa dépendance structurelle de l'espace-temps. En d'autres termes, il peut arriver que ce soit le contexte historique et épistémologique qui déterminent le caractère fondamental ou non d'une constante. Mais ce n'est pas toujours le cas.

Une analyse détaillée passe invariablement par un traitement mathématique mais l'essentiel de l'argumentation peut être expliqué de manière non formelle.

Définitions

Définissons tout d'abord quelques termes au risque de semer la confusion dans les esprits. En physique, on décrit un phénomène par une loi, une équation mathématique. Son expression est d'ordinaire constituées de deux types de quantités :

- des variables ou grandeurs physiques, telles que la masse, la vitesse, etc décrivant l'état du système et qui peuvent varier au cours du temps

- des paramètres indépendant de la loi, qui restent donc constants au cours de l'évolution du système, ce sont les constantes. Toutes n'ont pas le même statut, certaines sont fondamentales et font partie des propriétés intrinsèques du système (la viscosité de l'eau par exemple). En revanche, d'autres paramètres doivent être mesurés car rien ne permet de les calculer (la vitesse de la lumière par exemple).

La question est maintenant de savoir si nous pouvons construire une théorie, la plus générale possible, capable d'expliquer la valeur des constantes fondamentales... La question est ouverte.

Une unité permet de comparer une caractéristique d'un objet à celle d'un objet étalon. Ainsi un objet qui mesure 2 mètres de longueur signifie qu'on peut reporter 2 fois l'étalon métrique dans sa longueur. Si on étend cette mesure à une surface ou un volume, il n'est pas nécessaire d'introduire de nouvelles unités car l'équation aux dimensions des trois objets s'exprime toujours en mètres.

Une dimension exprime la caractéristique physique liée à chaque étalon de référence (longueur, masse, temps, charge, etc). On peut ainsi exprimer une grandeur physique par rapport aux sept unités de base du Système international (SI) dont les unités les plus connues sont le mètre (m), le kilogramme (kg) et la seconde (s). Nous devons y ajouter l'ampère (A) qui permet de mesurer le courant électrique, le kelvin (K) pour mesurer la température, la mole (ou nombre d'Avogadro, N) pour mesurer la quantité de matière et le candela (I_v) pour mesurer l'intensité lumineuse. Ces sept étalons de mesure sont définis chacun par une dimension fondamentale. La dimension de l'unité de longueur s'écrit [L], le temps [T], etc. La vitesse qui s'exprime par exemple en kilomètres par heure a pour dimension une longueur divisée par un temps. Son équation aux dimensions s'écrit [V] = [L]/[T], autrement dit sa dimension vaut [L]/[T] ou encore [L]*[T^-1]. Dans le système MKSA, l'ampère, la mole, le kelvin et le candela peuvent être dérivés des trois autres unités, le mètre, le kilogramme et la seconde.

La question est donc de savoir s'il est encore nécessaire d'utiliser les trois dimensions fondamentales pour exprimer toutes les quantités physiques... Ici aussi la question est ouverte mais bien malin celui qui pourrait considérer toutes les constantes comme des facteurs de conversion. On y reviendra.

Suivant l'idée introduite par Max Planck, les constantes sont divisées en deux groupes :

- les constantes dimensionnées telles que G, c, h, la viscosité cinématique, etc

- les constantes sans dimension, comprenant toutes les autres.

Les constantes dimensionnées ne revêtent pas toutes la même importance et peut être divisées en plusieurs catégories :

- les constantes caractérisant les propriétés d'un phénomène particulier (la masse de l'électron, etc)

- les constantes caractérisant les propriétés d'une classe de phénomènes (la constante cosmologique, etc)

- les constantes caractérisant des lois universelles, dites fondamentales (G, c et h). Leur modification entraîneraient non seulement un réétalonnage de nos systèmes d'unités mais un bouleversement de nos concepts.

Notons que certaines variables, comme l'écoulement d'un fluide (le mach) ne sont pas des constantes mais sont sans dimension. Même chose pour la viscosité. Ce n'est pas une constante, ni même la viscosité cinématique qui est sans dimension.

Un héritage encombrant

Pourquoi avons-nous inventé des unités comme le mètre, le kilogramme ou la seconde ? Historiquement, il s'agissait de trouver une méthode pour comparer les mesures disparates entre elles en utilisant un nombre réduit d'étalons de référence. Un lingot de plomb bien poli et peint peut ressembler à un lingot d'or, mais si leur masse est exprimée en kilogrammes et leur taille en fraction de mètre, nous obtenons un moyen commode pour évaluer leur masse volumique respective et dénoncer les tentatives d'escroquerie.

Malheureusement en l'espace de quelques siècles, les physiciens et les chimistes essentiellement, ont inventé des centaines d'unités différentes dont plusieurs dizaines rien que pour décrire les différentes formes d'énergie : erg, joule, eV/c², sans parler des Watt, Hertz et autre température électronique. Heureusement, on peut aisément passer d'un système d'unité à un autre en utilisant un facteur de conversion.

Avec le temps évidemment, certaines unités furent redondantes, pensez aux degrés Fahrenheit et Celsius; elles existent parce qu'à l'époque de leur invention soit personne ne savait qu'elles étaient redondantes soit parce qu'un gouvernement décida de simplifier son système de mesure (référence à des états de la matière standards, décimalisation d'un système hexagésimal, etc).

Les exemples les plus célèbres sont la masse, l'énergie et le moment (linéaire ou angulaire). Newton ne connaissait pas l'équivalence entre la masse et l'énergie. De son temps, c'est à peine si on se déplaçait en calèche et on n'avait pas encore la notion d'accélération et de freinage brutaux comme nous l'expérimentons tous lorsque nous roulons en voiture ou prenons l'avion. L'énergie était encore considérée comme une force vitale ou d'essence divine avant qu'on ne se rende compte qu'il s'agissait d'une propriété de la matière. Ces concepts furent longtemps traités comme des choses différentes avant d'être finalement systématisées dans des unités standards comme le kilogramme et le joule.

Constante et facteur de conversion

C'est l'invariance de la vitesse c la lumière dans l'ensemble des espaces (x,y,z) qui permet de définir un espace (x,y,z,ct) euclidien à 4 dimensions dont le temps. Dans ce point de vue, on peut dire que c est juste un facteur de conversion. Ainsi que nous l'avons expliqué en relativité à propos du concept des quatre dimensions, quand on parle de "5 secondes" par exemple en termes relativistes, on peut l'exprimer comme étant 5 "unités de longueur à quatre dimensions". C'est équivalent à 15x10⁸ mètres et le facteur de conversion c n'a pas plus de signification que celui que nous utilisons pour convertir les miles en kilomètres (en multipliant les miles par 1.609). On se débarrasse ainsi de c.

Peut-on décrire les autres constantes et paramètres de manière similaire ? Qu'en est-il par exemple de la constante de la gravitation G, qui vaut 6.673x10^-11 m³/kg.s² (plus connue sous la forme CGS : 6.673 x 10^-8 cm³/g.sec²) ? On peut parvenir au même résultat, mais c'est un peu plus compliqué. 

La loi de l'attraction universelle de Newton fait intervenir la constante G telle que la force d'attraction F entre deux masses sphériques m₁ et m₂ est G = Gm₁m₂/d².  Donc un objet de masse m₁ présente une accélération a = F/m₁ = Gm₂/d². Nous percevons la masse comme étant différente de l'espace et du temps et elle est quantifiée dans les dimensions de [M]. Ainsi, avec trois concepts différents dans notre équation (l'accélération impliquant la longueur et le temps), nous avons besoin d'une constante plus complexe. En termes d'analyse dimensionnelle, G présente les dimensions [L³]/[M][T²]. 

Un concept ayant les mêmes dimensions, mais comprenant c, est devenue la théorie de la relativité générale d'Einstein, qui est une théorie de la gravitation dont la théorie de Newton est un cas limite.

Peut-on se débarrasser de G ? Si nous remplaçons [L³]/[M][T²] par ses valeurs invariantes ([h] = [M]*[T] = 1 et [c] = [L]/[T] = 1), par substitution on obtient [G] = [L²]. Bien qu'il ne soit pas invariant, on découvre que la quantité GM/d² comprend les mêmes dimensions de longueur que ct.

Notons que si au lieu d'utiliser des masses ponctuelles, on raisonne en terme de milieu continu, de champ, on peut introduire la notion de potentiel de la gravitation j = - GM/r. Il s'agit d'un invariant dont la dérivée n'est autre que sa force. Mais revenons à la formule standard.

En posant G = 1, l'unité de masse est fixe. Mais contrairement à c, ou longueur et durée (temps) sont synonymes, il n'y a pas de définition correspondant à la masse en terme de longueur. Pourquoi ? Parce que Newton ne connaissait pas la relativité générale ni les trous noirs !

En effet, aujourd'hui nous savons que le rayon de Schwarzschild d'un trou noir décrit une relation bien précise entre sa masse, le rayon de l'horizon et la vitesse de la lumière :

Dans cette approche, en considérant que G = 1 et c = 1, pour une masse M, R_s = 2M ce qui nous permet de relier la masse à la longueur. C'est ainsi qu'on peut dire que si le Soleil devenait un trou noir, il présenterait un rayon de Schwarzschild de 3 km. Si nous sommes cohérents, cela signifie également que nous pouvons traiter les masses en termes de longueurs et donc que l'expression suivante est exacte : le Soleil-trou noir présente une masse de 3 km.

On peut dès lors en conclure que la seule raison d'utiliser G dans n'importe quelle formule est dans le but de convertir une unité dans une autre du fait que jusqu'à l'époque d'Einstein, on ignorait la relation fondamentale existant entre la distance et la masse. Pour nous débarrasser de G, il nous a simplement suffit de définir des unités arbitraires telle que R_s = 2M, une des nombreuses substitutions qu'affectionnent les mathématiciens.

Mais il n'est pas possible de choisir un ensemble cohérent d'unités dans lesquelles toutes les constantes valent 1. Par exemple, il est impossible de définir simultanément G = 1 et h = 1. C'est un exemple de la partie émergée de l'iceberg de l'incompatibilité entre la physique quantique et la relativité générale. Comment résoudre ce problème ?

L'échelle de Planck

Avec c et G hors du chemin, nous avons considérablement simplifié la théorie de la relativité. Et on peut faire de même avec l'autre grande théorie cadre du XX^eme siècle, la physique quantique. Commençons par l'une des plus petites expressions, l'équation de la courbe de Planck du corps noir.

La physique quantique utilise la fameuse constante de Planck, h, qui vaut 6.626 x 10^-34 J.sec (4.135x10^-15 eV.sec ou 1.0546x10^-27 g.cm².sec dans le système CGS). La constante de Planck intervient chaque fois qu'il faut mettre en relation l'énergie E des paquets d'ondes (les photons) avec leur fréquence n : E = hn. 

A partir de la relation d'équivalence d'Einstein E = mc², nous savons que l'énergie est également reliée à la masse. La fréquence est bien entendu reliée au temps (il s'agit d'une mesure de la période exprimée en unités "par seconde"). Si on met toutes les dimensions ensembles, on découvre que h a pour dimension [M][L²]/[T]. A l'image de c qui est construite à partir de [L] et [T], h est construite à partir de [M], [L] et [T]. Il est possible d'assigner une valeur unitaire à la masse et au temps comme nous l'avons fait précédemment pour obtenir une expression que l'on écrit E = n.

Si nous voulons une solution plus générale pour démêler des expressions parfois compliquées, nous devons utiliser une autre méthode.

Au début du XX^eme siècle, Max Planck nota qu'au lieu d'utiliser nos systèmes d'unités familiers (système CGS de son temps) pour définir les valeurs des constantes, nous pouvions utiliser h, c et G et définir ainsi un ensemble "absolu" ou naturel d'unités.

Jusqu'à présent nous nous sommes débarrassés des constantes en les convertissant dans des quantités fondamentales qui ne peuvent pas être subdivisées, comme la masse ou le temps et en convertissant la masse (et n'importe quoi d'autre) en longueur. Mais nous conservons les valeurs numériques des constantes comme des facteurs de conversion. Planck parmi d'autres, a suggéré de supprimer l'importance numérique des constantes en choisissant des unités de mesure dans lesquelles la valeur de chaque constante égale 1. On obtient ce résultat en combinant h, c et G de différentes manières afin de produire des quantités que nous appelons la "longueur de Planck", le "temps de Planck" et la "masse de Planck", dont les dimensions sont une longueur, un temps et une masse "pures".

Par exemple, si nous voulons déterminer l'échelle de longueur naturelle du monde physique, la longueur de Planck, nous pouvons écrire Ö(hG/c³), de dimension [L]. La valeur numérique de la longueur de Planck est d'environ 10^-35 m, soit 20 ordres de grandeur plus petite que la taille du proton. Le temps de Planck équivalent, Ö(hG/c⁵), est d'environ 10^-43 secondes et la masse de Planck, Ö(hc/G), vaut environ 10^-8 kg. (On en déduit que le rayon gravitationnel d'un trou noir ayant la masse de Planck vaut la longueur de Planck).

Dans ces unités, h, c et G ont pour valeur numérique 1. Par exemple, la vitesse de la lumière vaut 1 car il faut 1 temps de Planck pour qu'elle parcourt 1 longueur de Planck. Et il n'y a aucune raison qui nous empêche d'appliquer notre méthode précédente pour convertir toute autre unité en longueur. Il ne s'agit pas simplement d'une supposition gratuite; les relativistes en particulier, utilisent très souvent des équations dans lesquelles c, G, h et les autres constantes sont ignorées pour simplifier les calculs. Toutes ces constantes fondamentales "encombrent" les équations, affectant la manière de réaliser les calculs. Toute quantité physique doit avoir une valeur et des dimensions significatives. Mais c, G et h ne doivent pas nécessairement en avoir et nous pouvons prédire que les physiciens peuvent travailler sans elles s'ils le désirent.

Mais attention, à trop simplifier, le néophyte finit par faire des erreurs ou des abus de langage. Dans l'exemple précité de la conversion des keV en Hertz, le rayonnement gamma à 511 keV qui se manifeste lors de l'annihilation d'une paire d'électron-positron n'a rien à voir avec une énergie de masse (énergie cinétique convertie en matière) de 511 keV/c². Il existe évidemment une relation entre les deux phénomènes, mais dans ce cas d'espèce, beaucoup d'écrivains expriment l'énergie de masse de repos en eV, sous-entendant que c=1, d'où les risques de confusion chez le lecteur non averti.

Tout ceci semble un peu ésotérique, intéressant uniquement les relativistes et les théoriciens quantiques. Mais si tout peut être exprimé en termes de longueurs, quelles sont ces longueurs ? Vous pouvez prendre un stylo en main et apprécier son poids comme étant quelque chose de différent de sa longueur que vous appréciez avec vos yeux. La masse du stylo ne constitue pas une simple longueur "additionnelle"de notre monde familier à trois dimensions. Comme nous avons besoin de la 4^eme dimension du temps quand on parle d'évolution d'un système, on se dit qu'on a peut-être besoin de dimensions spatiales supplémentaires pour évaluer ces autres "longueurs" ou dimensions qui sont invisibles à nos yeux.

Chaque dimension devrait correspondre à une quantité physique telle que la masse ou le temps. Ce n'est pas une idée nouvelle, mais elle sous-tend quelque chose qui a récemment été ravivé. Elle offre différentes méthodes pour aborder la question de trouver une description satisfaisante, cohérente et complète du monde physique. Si vous me suivez toujours, je vous invite à présent à une brève excursion dans un univers à 11 dimensions.

Les nouvelles dimensions du monde

Pour essayer de concilier la relativité générale et la physique quantique, une approche très prometteuse est la théorie de Kaluza-Klein, nom donné par les deux pionniers des années 1920 qui ont étendu la théorie de la gravitation de Newton à quatre dimensions dans des dimensions supérieures. Nous en avons parlé à propos de la théorie des supercordes et autre théorie M à 11 dimensions.

Ici, le terme "dimension" a son sens familier qui décrit les directions perpendiculaires les unes aux autres, trois pour l'espace, une pour le temps et ainsi de suite. Cela n'a rien à voir avec les dimensions qui décrivent les qualités physiques d'une propriété telle que la masse ou la longueur.

La théorie de la relativité générale nous explique ce que nous percevons comme étant la force de la gravité en terme de courbure d'un espace-temps à quatre dimensions. Le triomphe initial de la théorie de Kaluza-Klein en 1921 fut le fait qu'elle expliquait l'électromagnétisme en appliquant exactement les mêmes équations que celles de la relativité générale d'Einstein mais dans un référentiel à 5 dimensions d'espace-temps, produit d’un cercle de très petite extension spatiale et des quatre dimensions spatio-temporelles ordinaires.

& La suite de cette passionnante aventure est décrite dans mon livre :

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