Les Constantes Physiques et Cosmologiques : des chiffres universels à l’origine de tout
Pourquoi la physique a des constantes ?
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.
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.
N. B. : Les constantes utilisent 3 unités fondamentales de la physique, qui sont le kilogramme (symbole kg), le mètre (symbole m) et la seconde (symbole s). Bien que, la valeur d'une constante est intimement liée à la valeur arbitraire du mètre, du kilogramme et de la seconde, on définit plutôt des rapports (rapports de masse, rapports de force, etc.) pour éviter les erreurs de calcul.
Quelles sont les constantes de la physique ?
(G) Constante de gravitation universelle : G = ≈ 6.674 × 10^-11 m^3/kg/s^2. Cette constante définit la force de gravitation entre deux masses quelconques. Elle a été définie par le physicien anglais Isaac Newton (1643-1727) dans sa publication majeure "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" simplement appelée "Principia", publiée en 1687.
(e) Charge élémentaire : e ≈ 1.602 × 10^-19 C. Cette constante est la plus petite unité de charge électrique portée par un électron ou un proton. Elle a été définie entre 1777 et 1785 par le physicien français Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806) lors d'expériences sur les interactions électriques entre des charges électriques.
(kₑ) Constante électrique : kₑ ≈ 8.988 × 10^9 N·m²/C². Cette constante définit la force électrique entre charges dans le vide. Elle a été définie en 1785 par le physicien français Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806).
(ε₀) Constante de permittivité du vide : ε₀ ≈ 8.854 × 10^-12 F/m. Cette constante décrit l'intensité de l'interaction électrique entre charges dans un vide, c'est-à-dire la capacité du vide à permettre la propagation des champs électriques. Elle a été définie par le physicien britannique James Clerk Maxwell (1831-1879).
(c) Vitesse de la lumière dans le vide : c ≈ 299 792 458 m/s. Cette constante est la vitesse maximale à laquelle l’information ou l’énergie peut se propager dans l’univers. Elle a été définie entre 1881 et 1887 avec une grande précision par Albert Abraham Michelson (1852-1931) dans ses expériences de mesure de la vitesse de la lumière en utilisant des interféromètres.
(h) Constante de Planck : h ≈ 6.626 × 10^-34 J·s. Cette constante relie l'énergie d'une particule à sa fréquence. Elle a été définie en 1900 par le physicien allemand Max Planck (1858-1947) dans le cadre de ses travaux sur le rayonnement du corps noir.
(α) Constante de structure fine : α ≈ 1/137. Cette constante caractérise la force électromagnétique et mesure l'intensité des interactions électromagnétiques entre charges. Elle a été introduite pour la première fois en 1916 par le physicien anglais Arnold Sommerfeld (1868-1951) et calculée avec précision par des physiciens tels que Richard Feynman (1918-1988) et d'autres.
(mₑ) Masse de repos de l'électron : mₑ ≈ 9.109 × 10^-31 kg. Cette constante est la masse intrinsèque de l'électron au repos. Elle a été introduite par Albert Abraham Michelson (1852-1931) et Edward Williams Morley (1838-1923), qui ont réalisé des expériences d'interférométrie pour mesurer avec une grande précision la constante de Planck (h) et la vitesse de la lumière (c), ce qui a permis de calculer plus précisément la masse de repos de l'électron (mₑ).
(Nₐ) Constante d'Avogadro : Nₐ ≈ 6.022 × 10^23 mol^-1. Cette constante lie la quantité de matière au nombre de particules. Elle a été proposée et introduite en 1865 par le scientifique italien Amedeo Avogadro (1776-1856).
(σ) Constante de Stefan-Boltzmann : σ ≈ 5.67 × 10^-8 W/m²K^4. Cette constante décrit le flux d'énergie rayonnée par un corps noir en fonction de sa température. Elle a été définie en 1879 et en 1884 grâce aux travaux conjoints du physicien autrichien Josef Stefan (1835-1893) et du physicien allemand Ludwig Boltzmann (1844-1906).
(k) Constante de Boltzmann : k ≈ 1.381 × 10^-23 J/K. Cette constante relie l'énergie thermique à la température. Elle a été établie par physicien allemand Ludwig Boltzmann (1844-1906) dans le contexte de son travail sur l'entropie.
(mₚ) Masse de Planck : mₚ ≈ 2.176 × 10^-8 kg. Cette constante détermine la manière dont la physique fonctionne à des énergies et des échelles spatiales extrêmement élevées et petites. Elle a été introduite en 1900 par le physicien allemand Max Planck (1858-1947) dans ses recherches sur la thermodynamique des corps noirs.
(Λ) Constante cosmologique : Λ ≈ 2.3 x 10^-18 s^-2. Cette constante est liée à l'énergie sombre et à l'expansion accélérée de l'univers. Elle a été introduite en 1917 dans les équations de la relativité générale par Albert Einstein (1879-1955).
(mₚ) Masse du proton : mₚ ≈ 1.672 × 10^-27 kg. Cette constante définit la masse d'un proton, constituant des noyaux atomiques. La mesure précise de la masse du proton a été rendue possible grâce à des expériences réalisées dans des laboratoires de physique des particules et de physique nucléaire à travers le monde.
(mₙ) Masse du neutron : mₙ ≈ 1.675 × 10^-27 kg. Cette constante définit la masse d'un neutron, également constituant des noyaux atomiques. L'une des mesures les plus précises et influentes a été réalisée en 1969 par une équipe de physiciens dirigée par Richard Edward Taylor (1929-2018) à l'Université de Toronto.
(αₛ) Constante de couplage forte : αₛ ≈ 1. C'est la constante d'interaction forte qui maintient les protons et les neutrons ensemble (interaction forte entre les quarks et les gluons). Elle a été définie au début des années 1970 lorsque la chromodynamique quantique a été développée par un certain nombre de scientifiques.
(mᵧ) Masse du neutrino : (mᵧ) ≈ 1 eV/c² (très petite). Cette constante définit la masse des neutrinos dans la physique des particules. La recherche de la masse du neutrino s'est déroulée sur plusieurs décennies et a impliqué plusieurs expériences à travers le monde.
(GF) Constante de Fermi : GF ≈ 1.166 × 10^-5 GeV^-2. Cette constante est utilisée pour décrire les interactions faibles entre particules subatomiques. Elle a été introduite par le physicien italien Enrico Fermi (1901-1954) lors de sa théorie de l'interaction faible.
(a₀) Rayon de Bohr : a₀ ≈ 5.292 × 10^-11 m. Cette constante définit la taille moyenne de l'orbite d'un électron autour d'un noyau dans l'hydrogène. Elle a été définie en 1913 par le physicien danois Niels Bohr (1885-1962) dans son modèle atomique.
(u) Constante de la masse atomique : u ≈ 1.660 × 10^-27 kg. Cette constante est utilisée pour exprimer les masses atomiques en unités de masse atomique (un douzième de la masse d'un atome de carbone-12). Elle a été définie par l'Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) en 1961.
(λₑ) Longueur de Compton : λₑ ≈ 2.43 × 10^-12 m. Cette constante (lambda e) décrit l'effet de diffusion des particules à cause des forces électromagnétiques. La longueur de Compton est une distance caractéristique associée à la déviation d'une particule, comme un électron, par une particule incidente, comme un photon. Elle a été définie par le physicien américain Arthur Holly Compton (1892-1962) lors de recherches dans le domaine de la diffusion des rayons X et de la lumière par les particules chargées.
Qu'est-ce que les constantes ont permis de vérifier ?
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.
La vitesse de la lumière dans le vide (c) et la constante de Planck (h) ont été essentielles pour valider les prédictions de la relativité restreinte d'Einstein, notamment les effets de dilatation temporelle et de contraction spatiale à des vitesses proches de celle de la lumière.
La constante de gravitation universelle (G) a été utilisée pour tester les prédictions de la relativité générale d'Einstein, en observant la déviation de la lumière autour d'objets massifs et les propriétés des trous noirs.
Les constantes telles que la charge élémentaire (e), la masse de l'électron (me), et la constante de Planck (h) ont permis de valider les prédictions de la mécanique quantique concernant le comportement des particules subatomiques.
La constante électrique (ke) et la constante de structure fine (α) ont été utilisées pour vérifier les prédictions de l'électromagnétisme quantique, notamment les spectres atomiques et les interactions entre particules chargées.
Les constantes de couplage forte (αs) et faible (GF) ont été cruciales pour confirmer les prédictions des interactions fortes (force nucléaire) et faibles (responsables de la désintégration bêta).
Les constantes de masse des particules, telles que celles de l'électron, du proton et du neutron, ont permis de vérifier les modèles de la physique des particules, notamment le modèle standard.
En résumé, 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.
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