Constantes cosmologiques : le réglage fin de l’univers

Les constantes cosmologiques et physiques — Constantes physiques et cosmologiques : Gravitation G, vitesse de la lumière c, constante de Planck réduite ℏ, constante cosmologique Λ, permittivité du vide ε₀, constante de Boltzmann k, constante de structure fine α et masse de l’électron mₑ : ces valeurs fondamentales régissent l’équilibre et l’évolution de l’univers depuis le Big Bang.
Source image : astronoo.com (nouvelle fenêtre), image générée par IA, domaine public.

Résumé scientifique

L'article d'Astronoo présente les constantes physiques et cosmologiques, ces valeurs numériques qui fixent les propriétés fondamentales de l'Univers, de l'infiniment petit à l'infiniment grand. Il montre que des grandeurs comme la constante de gravitation G, la vitesse de la lumière c, la constante de Planck h ou la constante de structure fine α permettent de décrire et de prédire le comportement de la matière et de l'énergie. Le texte souligne que ces constantes, peut-être héritées des conditions initiales du Big Bang, servent surtout à tester les limites des grandes théories physiques et à vérifier la stabilité des lois de la nature sur des milliards d'années.

Pourquoi les constantes physiques et cosmologiques sont-elles si importantes en science ?

Cet article est consacré aux constantes physiques et cosmologiques, ces valeurs numériques qui définissent les propriétés fondamentales de l'Univers et qui reviennent dans presque toutes les équations de la physique. Mais pourquoi la physique a-t-elle besoin de constantes, et que nous apprennent-elles ? La réponse tient d'abord à la cohérence : sans valeurs fixes, il serait impossible de répéter une expérience, ici et ailleurs, aujourd'hui et demain, ni de comparer des observations faites à des échelles très différentes. La constante de gravitation G, la vitesse de la lumière c, la constante de Planck h ou la constante de structure fine α servent ainsi d'outils pour tester les limites de nos théories, de la mécanique quantique à la relativité générale. Leur origine reste énigmatique : elles pourraient découler des conditions initiales du Big Bang ou d'un réglage fin propre à notre univers, ce qui conduit certains théoriciens à envisager un multivers où chaque univers posséderait ses propres valeurs. Les constantes sont donc à la fois le socle et la frontière de la physique contemporaine.

À découvrir aussi

Poursuivez votre exploration de l'Univers avec ces sujets :

Pourquoi la physique a des constantes ?

Des valeurs héritées du Big Bang

Leurs existences pourraient être dues aux conditions initiales de l'univers lors du Big Bang ou à des propriétés profondes de la réalité fondamentale que nous ne comprenons pas encore. En effet, les conditions initiales de l'univers ont pu fixer les valeurs des constantes qui ont ensuite influencé l'évolution et la structure de l'univers tel que nous le connaissons. Certains théoriciens évoquent l'idée d'un multivers, où notre univers ne serait qu'une parmi de nombreuses réalités possibles. Dans ce contexte, les constantes pourraient varier d'un univers à l'autre, et notre univers possèderait les valeurs qui permettent l'émergence de la vie et d'observateurs conscients.

Un cadre cohérent pour les théories physiques

En ce qui concerne notre monde matériel, les constantes de la physique sont des valeurs "fixes" qui déterminent les propriétés fondamentales de l’univers dans son entier, de l'infiniment petit à l'infiniment grand. Ces constantes sont nécessaires pour décrire et prédire le comportement des phénomènes physiques ainsi que les propriétés de la matière et de l'énergie à différentes échelles. Ces constantes permettent de maintenir la cohérence des lois physiques et de rendre compte de la diversité des phénomènes observés à différentes échelles. Ce sont aussi des outils qui permettent d'étudier et de tester les limites de nos théories scientifiques (Gravitation Newtonienne, Relativité Restreinte, Mécanique Quantique, Électrodynamique Quantique, Relativité générale…). Pour que la physique moderne puisse se développer, il lui faut des lois universelles. Ces lois permettent de répéter les expériences, ici et ailleurs, aujourd'hui et demain, dans un cadre qui est l'Univers. Les constantes jouent donc un rôle central dans les théories physiques. Paradoxalement les constantes peuvent varier sur de très grandes périodes de temps. Mais cela n'empêche pas de structurer les domaines de validité des différentes théories physiques et astrophysiques.

Quelles sont les constantes de la physique fondamentales ?

Un inventaire des grandeurs fondamentales

Les constantes physiques sont des grandeurs dont la valeur numérique est considérée comme fixe dans le cadre des théories actuelles. Elles apparaissent dans les équations qui décrivent les lois de la nature, de l’infiniment petit à l’infiniment grand, et conditionnent aussi bien la structure des atomes que l’expansion de l’Univers.

Des domaines d’application variés

Les plus connues concernent la gravitation et l’électromagnétisme, mais la liste s’étend à la mécanique quantique, à la thermodynamique, à la physique des particules et à la cosmologie. Chaque constante possède une unité qui lui est propre et une signification physique précise : la constante de gravitation G mesure l’intensité de l’attraction entre masses, la vitesse de la lumière c fixe la limite de propagation de l’information et de l’énergie, la constante de Planck h quantifie les échanges d’énergie à l’échelle microscopique, la constante de structure fine α caractérise la force électromagnétique, etc.

Des valeurs mesurées et ajustées

Ces grandeurs ne sont pas déduites de principes mathématiques abstraits : elles sont mesurées expérimentalement avec une précision croissante, et leurs valeurs sont régulièrement ajustées par des organismes internationaux comme le CODATA.

Une constance testée sur des milliards d’années

Leur constance apparente, testée sur des milliards d’années grâce à l’observation des spectres d’absorption lointains, constitue l’un des piliers de la physique moderne et permet de comparer des expériences réalisées dans des contextes radicalement différents.

Tableau récapitulatif des constantes physiques fondamentales

Le tableau ci-dessous récapitule les principales constantes physiques et cosmologiques, leur symbole, leur valeur approximative, leur rôle et leur origine historique.

Principales constantes physiques et cosmologiques
Constante	Symbole	Valeur approximative	Rôle principal	Savant / origine
Gravitation universelle	G	6,674 × 10^-11 m^3·kg^-1·s^-2	Force attractive entre masses	Isaac Newton, 1687
Charge élémentaire	e	1,602 × 10^-19 C	Plus petite charge électrique	Charles-Augustin de Coulomb, 1777-1785
Constante électrique	kₑ	8,988 × 10^9 N·m²/C²	Force électrique entre charges dans le vide	Charles-Augustin de Coulomb, 1785
Permittivité du vide	ε₀	8,854 × 10^-12 F/m	Propagation des champs électriques dans le vide	James Clerk Maxwell, XIXᵉ siècle
Vitesse de la lumière dans le vide	c	299 792 458 m/s	Vitesse maximale de l’information et de l’énergie	Albert A. Michelson, 1881-1887
Constante de Planck	h	6,626 × 10^-34 J·s	Relie l’énergie d’une particule à sa fréquence	Max Planck, 1900
Structure fine	α	≈ 1/137	Intensité des interactions électromagnétiques	Arnold Sommerfeld, 1916
Masse de repos de l’électron	mₑ	9,109 × 10^-31 kg	Masse intrinsèque de l’électron au repos	Michelson et Morley, fin XIXᵉ siècle
Constante d’Avogadro	Nₐ	6,022 × 10^23 mol^-1	Lie la quantité de matière au nombre de particules	Amedeo Avogadro, 1865
Stefan-Boltzmann	σ	5,67 × 10^-8 W/m²K^4	Flux d’énergie rayonnée par un corps noir	Josef Stefan et Ludwig Boltzmann, 1879-1884
Constante de Boltzmann	k	1,381 × 10^-23 J/K	Relie l’énergie thermique à la température	Ludwig Boltzmann, XIXᵉ siècle
Masse de Planck	m_P	2,176 × 10^-8 kg	Échelle extrême de la physique quantique et gravitationnelle	Max Planck, 1900
Constante cosmologique	Λ	2,3 × 10^-18 s^-2	Énergie sombre et expansion accélérée de l’Univers	Albert Einstein, 1917
Masse du proton	mₚ	1,672 × 10^-27 kg	Masse d’un proton, constituant des noyaux atomiques	Physique nucléaire et des particules, XXᵉ siècle
Masse du neutron	mₙ	1,675 × 10^-27 kg	Masse d’un neutron, constituant des noyaux atomiques	Richard E. Taylor et al., 1969
Couplage fort	αₛ	≈ 1	Interaction forte entre quarks et gluons	Chromodynamique quantique, années 1970
Masse du neutrino	m_ν	≈ 1 eV/c² (très petite)	Masse des neutrinos dans la physique des particules	Expériences internationales, fin XXᵉ-XXIᵉ siècle
Constante de Fermi	G_F	1,166 × 10^-5 GeV^-2	Interactions faibles entre particules subatomiques	Enrico Fermi, années 1930
Rayon de Bohr	a₀	5,292 × 10^-11 m	Taille moyenne de l’orbite de l’électron dans l’hydrogène	Niels Bohr, 1913
Masse atomique	u	1,660 × 10^-27 kg	Unité de masse atomique, un douzième du carbone-12	IUPAC, 1961
Longueur de Compton	λₑ	2,43 × 10^-12 m	Diffusion des particules par les forces électromagnétiques	Arthur Holly Compton, années 1920

Quelles sont les paramètres cosmologiques ?

Paramètres cosmologiques du modèle ΛCDM

Contrairement aux constantes physiques fondamentales, qui fixent les lois locales de la nature, les paramètres cosmologiques décrivent l’état global de l’Univers : son âge, son taux d’expansion, sa composition et sa géométrie. Ces grandeurs ne sont pas nécessairement des constantes au sens strict : certaines varient avec le temps cosmique, comme la densité d’énergie sombre ou le taux d’expansion. Elles sont au cœur du modèle ΛCDM (Lambda-CDM), qui constitue aujourd’hui le modèle standard de la cosmologie. Les valeurs les plus précises proviennent des mesures du fond diffus cosmologique réalisées par le satellite Planck (2018), complétées par les relevés de supernovas et les oscillations acoustiques des baryons (BAO).

Tableau des paramètres cosmologiques du modèle ΛCDM

Le tableau ci-dessous récapitule les paramètres cosmologiques essentiels, leur symbole, leur valeur issue des données Planck 2018 et leur rôle dans la description de l’Univers.

Paramètres cosmologiques du modèle ΛCDM
Paramètre	Symbole	Valeur (Planck 2018)	Rôle principal
Constante de Hubble	H₀	67,36 ± 0,54 km·s⁻¹·Mpc⁻¹	Taux d’expansion actuel de l’Univers
Âge de l’Univers	t₀	13,797 ± 0,023 milliards d’années	Temps écoulé depuis le Big Bang
Densité de matière totale	Ω_m	0,315 ± 0,007	Fraction de l’Univers constituée de matière (noire et baryonique)
Densité de matière baryonique	Ω_b	0,0493 ± 0,0006	Fraction de l’Univers constituée de matière ordinaire
Densité de matière noire froide	Ω_c	0,265 ± 0,007	Fraction de l’Univers constituée de matière noire froide
Densité d’énergie sombre	Ω_Λ	0,685 ± 0,007	Fraction de l’Univers constituée d’énergie sombre
Constante cosmologique	Λ	1,088 ± 0,030 × 10⁻⁵⁶ cm⁻²	Énergie du vide responsable de l’expansion accélérée
Densité d’énergie sombre	ρ_Λ	5,83 ± 0,16 × 10⁻³⁰ g·cm⁻³	Densité d’énergie associée à la constante cosmologique
Indice spectral primordial	n_s	0,965 ± 0,004	Pente du spectre des fluctuations primordiales
Amplitude des fluctuations	ln(10¹⁰A_s)	3,044 ± 0,014	Amplitude des fluctuations quantiques à l’origine des structures
Profondeur optique de réionisation	τ	0,054 ± 0,007	Époque de la réionisation de l’Univers
Redshift d’égalité matière-rayonnement	z_eq	3402 ± 26	Transition entre l’ère radiative et l’ère de matière
Redshift de découplage	z_*	1089,92 ± 0,25	Émission du fond diffus cosmologique
Fluctuation à 8 h⁻¹ Mpc	σ₈	0,811 ± 0,006	Amplitude des fluctuations de densité à l’échelle des amas
Redshift d’accélération nulle	z_q	0,636 ± 0,018	Transition entre décélération et accélération de l’expansion
Nombre effectif de neutrinos	N_eff	2,99 ± 0,17	Nombre de familles de neutrinos légers
Somme des masses des neutrinos	Σm_ν	< 0,12 eV (95 % CL)	Contrainte sur la masse totale des neutrinos

Qu'est-ce que les constantes ont permis de vérifier ?

Des tests décisifs pour les grandes théories

Les constantes fondamentales ont joué un rôle crucial dans la vérification des théories scientifiques et des modèles physiques. Elles ont permis de confirmer que le spectre d'absorption des différents éléments est resté inchangé depuis environ 10 milliards d'années.

Constantes et vérifications des grandes théories physiques
Théorie ou domaine	Constantes impliquées	Vérifications permises
Relativité restreinte	c, h	Validation des prédictions d’Einstein : dilatation temporelle et contraction spatiale à des vitesses proches de celle de la lumière.
Relativité générale	G	Test des prédictions d’Einstein : déviation de la lumière autour d’objets massifs et propriétés des trous noirs.
Mécanique quantique	e, m_e, h	Validation des prédictions sur le comportement des particules subatomiques.
Électromagnétisme quantique	k_e, α	Vérification des spectres atomiques et des interactions entre particules chargées.
Interactions fortes et faibles	α_s, G_F	Confirmation des prédictions de la force nucléaire et de la désintégration bêta.
Physique des particules	Masses de l’électron, du proton et du neutron	Vérification des modèles de la physique des particules, notamment le modèle standard.

La tension de Hubble

Deux familles de mesures qui ne s’accordent pas

Une des difficultés majeures de la cosmologie contemporaine réside dans la divergence entre les mesures de la constante de Hubble selon la méthode utilisée. Les mesures fondées sur l’Univers primitif et le modèle ΛCDM donnent H₀ ≈ 67,4 km·s⁻¹·Mpc⁻¹ pour Planck seul, et des valeurs très proches, H₀ ≈ 67,2 ± 0,4, lorsque Planck, ACT et SPT-3G sont combinés. Les mesures locales, fondées sur les céphéides et les supernovas de type Ia, donnent H₀ ≈ 73 km·s⁻¹·Mpc⁻¹. Cet écart, d’abord d’environ 5 σ, est appelé tension de Hubble.

Principales mesures récentes de la constante de Hubble
Méthode	H₀ (km·s⁻¹·Mpc⁻¹)	Référence
Fond diffus cosmologique (Planck, ΛCDM)	67,36 ± 0,54	Planck Collaboration, 2020
BAO de DESI DR2 + nucléosynthèse primordiale (ΛCDM)	68,51 ± 0,58	DESI DR2, cité par H0DN, 2026
Branche des géantes rouges (TRGB), Hubble + JWST	70,39 ± 1,22 (stat) ± 1,33 (syst) ± 0,70 (σ_SN)	Freedman et al., 2025 (CCHP)
Céphéides et supernovas Ia (SH0ES, Hubble)	73,04 ± 1,04	Riess et al., 2022
Consensus local du réseau de distances (H0DN)	73,50 ± 0,81	H0DN Collaboration, 2026

La constante cosmologique est-elle vraiment constante ?

Λ, une énergie du vide constante

Dans le modèle ΛCDM, l'énergie sombre est une véritable constante Λ : sa densité ne change pas au cours du temps, et son équation d'état vaut \( w = p/(\rho c^2) = -1 \). C'est l'hypothèse la plus simple, et celle qui s'accorde jusqu'ici avec la plupart des observations.

Ce que DESI a mesuré

L'instrument spectroscopique DESI a publié en 2025 les résultats de sa deuxième livraison de données (DR2, trois ans d'observation) : des mesures d'oscillations acoustiques des baryons portant sur plus de 14 millions de galaxies et de quasars. Elles sont bien décrites par un modèle ΛCDM plat, mais les paramètres qu'elles préfèrent sont en tension modérée (2,3 σ) avec ceux du fond diffus cosmologique.

Lorsque DESI est combiné au fond diffus et à des catalogues de supernovas, une énergie sombre évolutive, décrite par les paramètres \( (w_0, w_a) \), est préférée au modèle ΛCDM avec une significativité de 2,8 à 4,2 σ selon l'échantillon de supernovas. Une réanalyse du catalogue DES-SN5YR (« DES-Dovekie ») a depuis ramené le maximum de 4,2 σ à 3,2 σ.

Une piste à confirmer, pas une découverte

Ces valeurs restent inférieures au seuil de 5 σ généralement exigé pour une découverte. Les auteurs de DESI soulignent que, sauf erreur systématique inconnue dans l'un des jeux de données, le modèle ΛCDM est mis à l'épreuve et qu'une énergie sombre dynamique pourrait être une solution. Si elle était confirmée, Λ ne serait plus une constante, mais un champ évoluant au cours du temps cosmique.

Le lien avec la masse des neutrinos

En laboratoire, l'expérience KATRIN mesure directement la masse du neutrino électronique par la désintégration du tritium. Ses 259 jours de données (Science, 2025) donnent \( m_\nu < 0{,}45 \) eV à 90 % de niveau de confiance, soit moins d'un millionième de la masse de l'électron. La cosmologie est bien plus contraignante : DESI et le fond diffus limitent la somme des masses des trois neutrinos à \( \sum m_\nu < 0{,}064 \) eV (ΛCDM, 95 % CL). Cette limite frôle le minimum d'environ 0,06 eV imposé par les oscillations de neutrinos, et elle se relâche à 0,16 eV si l'énergie sombre est évolutive : les deux questions sont donc liées.

Ce qu'il faut retenir

Un socle pour la physique moderne

Les constantes physiques ont servi de fondement pour la validation des théories scientifiques. Elles ont permis de construire un cadre cohérent pour expliquer et prévoir un large éventail de phénomènes observés dans l'univers, de l'infiniment petit à l'infiniment grand. Depuis 2019, plusieurs d'entre elles définissent même les unités de mesure elles-mêmes.

Trois questions encore ouvertes

Aucune théorie n'explique aujourd'hui pourquoi les constantes ont ces valeurs. La tension de Hubble n'est pas résolue, et la nature de l'énergie sombre reste ouverte : constante de l'espace-temps ou champ évolutif. Les données de DESI, du télescope spatial Euclid, de JWST et des futurs relevés apporteront des éléments de réponse.

Références

FAQ : Tout savoir sur les constantes physiques et cosmologiques

Qu'est-ce qu'une constante physique ?

Une constante physique est une grandeur dont la valeur numérique est considérée comme fixe dans le cadre d'une théorie donnée. Elle intervient dans les équations qui décrivent les lois de la nature, comme la constante de gravitation G ou la vitesse de la lumière c. Sa valeur ne dépend ni du lieu, ni du moment de la mesure, ce qui permet de comparer des expériences réalisées dans des contextes très différents.

Quelles constantes sont exactes depuis 2019 ?

Depuis le 20 mai 2019, la constante de Planck h, la charge élémentaire e, la constante de Boltzmann k et la constante d'Avogadro N_A ont des valeurs exactes par définition, au même titre que la vitesse de la lumière c (fixée depuis 1983), la fréquence de transition du césium et l'efficacité lumineuse K_cd. Ces sept constantes définissent toutes les unités du Système international. En revanche, G, α, ε₀ et les masses des particules restent mesurées.

Les constantes physiques peuvent-elles varier ?

Dans le modèle standard de la physique, ces constantes sont rigoureusement invariables. Toutefois, certaines théories spéculatives, comme celles qui font intervenir un multivers ou des champs scalaires cosmologiques, envisagent une variation très lente sur des durées cosmiques. Les observations actuelles n'ont pas mis en évidence de variation : les horloges optiques limitent la dérive de α à environ 10⁻¹⁸ par an, et le spectre du quasar HE 0515-4414 (ESPRESSO) est compatible avec une constante de structure fine inchangée à quelques millionièmes près sur plus de 8 milliards d'années.

Qu'est-ce que le réglage fin des constantes ?

Le réglage fin désigne le fait que de légères modifications des constantes fondamentales rendraient l'Univers incompatible avec l'existence de la vie et des observateurs. Par exemple, une constante de structure fine α trop différente empêcherait la formation d'atomes stables. Ce constat alimente des débats philosophiques et cosmologiques sur l'origine de ces valeurs, sans qu'aucune explication définitive ne soit aujourd'hui admise.

Pourquoi la constante cosmologique Λ pose-t-elle problème ?

La constante cosmologique Λ représente l'énergie du vide responsable de l'expansion accélérée de l'Univers. Or, les estimations issues de la physique quantique dépassent la valeur observée de plusieurs dizaines d'ordres de grandeur (jusqu'à 120 avec une coupure à l'échelle de Planck), ce qui constitue le célèbre problème de la constante cosmologique. Les résultats de DESI suggèrent en outre que cette énergie pourrait évoluer avec le temps, sans que ce soit encore établi.

Qu'est-ce que la tension de Hubble ?

C'est le désaccord entre la valeur du taux d'expansion H₀ déduite du fond diffus cosmologique (environ 67 km·s⁻¹·Mpc⁻¹) et celle mesurée localement avec des supernovas et des indicateurs de distance (environ 73 km·s⁻¹·Mpc⁻¹). Il atteint plus de 5 σ selon les analyses. Il pourrait révéler une erreur systématique non identifiée ou une physique au-delà du modèle ΛCDM.

Les constantes sont-elles vraiment universelles ?

L'universalité des constantes repose sur le principe cosmologique, selon lequel les lois de la physique sont les mêmes partout dans l'Univers. Les observations astronomiques, notamment l'étude des spectres d'absorption d'objets très lointains, confirment cette hypothèse à un niveau de précision remarquable. Aucune preuve convaincante d'une variation spatiale n'a été établie à ce jour.

Comment mesure-t-on la valeur des constantes fondamentales ?

Les valeurs des constantes sont déterminées par des expériences de haute précision : balances de torsion et interféromètres atomiques pour G, spectroscopie de l'hydrogène et pièges à ions pour α et les masses de particules. La vitesse de la lumière n'est plus mesurée depuis 1983 : elle est fixée par définition, et c'est le mètre qui en découle. Le CODATA compile régulièrement les mesures pour publier une valeur d'ensemble ajustée. Chaque nouvelle génération d'instruments améliore l'incertitude associée à ces grandeurs essentielles.