Le 4 constantes de l’Univers

G c h k

Paul Guerrini (février 2005)

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G = Constante de Gravitation = 6 , 67 . 10-11 m3.kg-1.s-2

C = Vitesse de la Lumière dans le vide = 299.792.458 m.s-1

h = Constante de Planck = 6,62 . 10-34 j . s

k = Constante de Boltzmann = 1,38 . 10-6 Erg . K-1

  • Ces valeurs ne sont connues que par la mesure expérimentale.
  • Ces constantes sont dites “fondamentales
    Traduisent – elles des propriétés fondamentales de l’Univers ?

Le statut fondamental, ou non, d’une constante est relatif et dépend du contexte historique et épistémologique.

Elles apparaissent comme des éléments étrangers à nos théories, dans l’attente d’une théorie, plus fondamentale, susceptible de les expliquer.

Ces constantes sont dites “dimensionnées” : leurs valeurs dépend du choix d’un système d’unité particulier.

Elles représentent des valeurs limites signalant de nouveaux phénomènes ; elles ont, de ce fait, un rôle de fabrication de concepts nouveaux !

 

QU’EST-CE QU’UNE DIMENSION?

 
Une loi exprime une relation entre quantités qui ont le même “contenu dimensionnel“.

L’homogénéité dimensionnelle des équations de la Physique est impérative.

Une équation mal dimensionnée est immédiatement reconnue comme fausse!

En Mécanique , il existe 3 quantités fondamentales , dont dérivent toutes les autres quantités mesurables :

La Longueur, la Masse, le Temps.

Ex : Une vitesse a le contenu dimensionnel d’une longueur divisée par un temps.

  • La notion de “dimension” ne fut comprise qu’au XIXème siècle. Galilée et Newton mettaient en relation des quantités sans tenir compte de leur contenu dimensionnel!
  • Cette notion constitue une des raisons de l’introduction des constantes dans les équations.
Peut-on faire moins que les 3 dimensions fondamentales?

Oui! Grâce à l’introduction des constantes. Ex : la vitesse de la lumière permet la conversion d’une longueur en un temps et inversement! 

 

LA CONSTANTE G

 
Loi de la Gravitation énoncée par Newton : F = m . m’ / r2

→ Il a fallu attendre 1873 pour qu’Alfred Cornu et Jean-Baptiste Baille utilisent et mesurent la quantité G , dans le sens ou on la comprend aujourd’hui .

F, peut s’écrire : m . γ ou M . L / T2 

Et m . m’ / r2 -> M2 / L2 

Pour annuler ce déséquilibre , on va introduire sans l’expliquer un paramètre de contenu dimensionnel étrange : 

L3 / M . T2

La Loi de la Gravitation peut alors s’écrire :

M . L / T2 = L3 / M .T2 x M2 / L2 => M . L / T2 = M . L / T2
 

LA VITESSE DE LA LUMIERE : C

 
Mesurée pour la première fois par Ole Römer en 1676. Mais nul ne songe à la considérer comme une constante de la Nature.

C’est en 1887 qu’il est enfin établi, notamment par l’expérience de Michelson et Morley, qu’elle reste toujours constante, quelque soit la vitesse du référentiel ou elle est mesurée!

Il en résulte une crise profonde => La lumière (de vitesse invariante) et la matière (dont les vitesses se composent en s’additionnant) semblent obéir à deux cinématiques différentes!

Une première solution est proposée par H.A. Lorentz.
Le problème est complètement résolu par H. Poincaré et A. Einstein en 1905 , puis formalisé en terme d’espace – temps par Minkowski.

⇒ La constance de C est posée comme postulat, que rien n’a démenti jusqu’à ce jour!

A partir de cette date, C est comprise comme une constante fondamentale de la Nature n’ayant plus de rapport direct avec la lumière, mais caractérisant la nature de l’Espace-Temps.

C est une constante dimensionnée : son expression numérique change si l’on change d’unité.

⇒ Une longueur peut-être représentée, non par sa valeur habituelle d, mais par d / c ; le mètre devenant une unité dérivée définie comme 1 / 299.792.458 seconde (depuis 1983)

 

LA CONSTANTE DE PLANCK : h

 
A la fin du XIX ème siècle , 3 problèmes restaient mystérieux :

La loi de rayonnement du corps noir :

Le 14 Déc. 1900 , Max Planck fait la supposition ad hoc : le rayonnement doit s’effectuer par “quanta” :

h = λ max / c . K T°
La taille et la stabilité des atomes :

On ne peut trouver une explication de la taille et de la stabilité des atomes que si l’on admet que h y joue un rôle !

a° = h² / (2π)² m.e² = 0,56 . 10-8 cm
L’effet photoélectrique :
Einstein 1905 => E = h ν

Si l’on accroît l’intensité du faisceau lumineux on accroît simplement le nombre d’électrons arrachés mais pas leur énergie cinétique ! 

  • h fait apparaître du discontinu dans les interactions ! Et dans toute interaction il existe un échange minimum, un quantum, au dessous duquel il n’y a plus d’interaction.
  • Une fréquence étant l’inverse d’un temps, h a un contenu dimensionnel égal à E.T
  • Le principe de Maupertuis défini l’Action comme E.T ; h a donc le même contenu dimensionnel qu’une action!
  • On donnera à h le nom de quantum d’action : il est contenu dans la première inégalité de Heisenberg :
ΔA = ΔE . ΔT ≥ h / 2π
 

LA CONSTANTE DE BOLTZMANN : k

Avec k apparaît une nouvelle quantité physique essentielle : l’Entropie, non réductible en M , L et T .

k a le contenu dimensionnel d’une énergie divisée par une température : E / T° .

k intervient dans la théorie du mouvement brownien ; par l’observation de ce mouvement, il est possible de mesurer k Ce qui a permis à J. Perrin de prouver la réalité des atomes.

k apparaît comme coefficient de proportionnalité entre l’Entropie et le nombre de configurations microscopiques conduisant au même état macroscopique d’un système (complexions)

S = k log W

Remarques : 
⇒ comme log 1 = 0 , il n’existe pas d’entropie < à k log 2 ; k log 2 est une sorte de quantum élémentaire d’entropie !
⇒ k log 2 est aussi un quantum d’information ; l’entropie équivalant à l’information qui est perdue lorsqu’on décrit un système complexe à l’aide de moyens statistiques.

k est donc une constante universelle fondamentale qui a la dimension d’une Entropie et d’une Information.

 

G + C

La R.G. interprète la gravitation comme la courbure géométrique de l’espace – temps, décrite par un tenseur.

Equation fondamentale de la théorie: Eμν = ( 8πG / c4 ) . Tμν

⇒ On peut poser G et C égales à 1 ; l’équation deviendra :

Eμν = 8 π . Tμν

⇒ Avec le Principe d’Equivalence nous savons que l’accélération de la pesanteur est indépendante de la masse.

⇒ G prend, alors, une signification physique !

⇒ C reste invariante, lorsqu’un champs de gravitation courbe les rayons lumineux ; c’est la métrique de l’espace – temps qui change !

DONC : 
⇒ G n’est pas nulle et C n’est pas infinie : R.G.
⇒ Si on néglige C : R.R.
⇒ Si C tend vers l’infini : Théorie de Newton.

G et C marquent une limite absolue : On ne peut jamais définir un même maintenant partout !

 

h + C

 

La prise en compte simultanée de ces 2 constantes mène au modèle standard des interactions : association de la R.R. et des Quanta : →

Int. EMG : photon
Int. Faible : W+ W- Z°
Int. Forte : 8 gluons
 

h + k

Le quantum d’action h apparaît comme le coût du quantum d’information k, car Entropie et Information ont le même contenu dimensionnel!

h + k témoignent d’une nouvelle limitation de la connaissance car toute connaissance a un coût.

Le temps pendant lequel il est possible de prédire l’évolution d’un système est nécessairement limité. 

Les deux constantes limitent un horizon temporel !

 
 

G + C + h + k

⇒ Le rapprochement de la Physique des hautes énergies et de la Cosmologie va permettre la détermination de “constantes de couplage” : paramètres qui déterminent l’intensité relative de chaque interaction.

Cte de couplage forte αs = 15 
Cte de structure fine α = 7,3 . 10-3
Cte de couplage faible αw = 3 . 10-12
Cte de gravitation αg = 5,9 . 10-39

⇒ Le cadre de cette Physique est également statistique ! Il doit donc prendre en compte k : c’est celui de la théorie quantique des champs à T° (ou densité) finie. Elle met en évidence une succession de brisures de symétries , entraînant le découplage successif des interactions. 

 
 

G + C + h + k

⇒ Dans la Physique qui prend en compte les 4 constantes , l’unité fondamentale de l’énergie est le GEV. C et h valent 1, car les vitesses sont proche de la vitesse de la lumière et les actions en jeu de l’ordre du quantum d’action ! ⇒ De plus L , M et T deviennent des quantités dérivées.

— M a le C.D. d’une énergie : E = mc² = m . 1 → m = EGev
— T a le C.D. de l’inverse de E : ΔE . ΔT ≥ h → T = 1 / E
— L a le C.D. de l’inverse de E : Δp . Δq ≥ h → L = 1 / E

La prise en compte des 4 constantes mène à la Gravitation Quantique !

On pourra définir :

— M fondamentale : M de Planck = 10-19Gev = 2.10-5gr
— L fondamentale : L de Planck = 4 . 10-33 cm
— T° fondamentale : E de Planck = 1019Gev = 1032 Kel 
— T fondamental : T de Planck = 10-43 sec

La prise en compte des 4 constantes suggère une structure quantique de l’espace – temps lui-même !! Toutes ces considérations vont donner naissance à la Théorie “M” , théorie supersymétrique !

 
 

CONCLUSION

Lorsqu’on adjoint au cadre de la Statistique quantique les cadres de la Théorie quantique des champs et de la Relativité générale , nous obtenons un Modèle Standard généralisé, capable d’englober l’ensemble des phénomènes physiques ; à l’exception de ceux qui attendent une Théorie quantique de la Gravitation .

Les Constantes relient les mesures à la modélisation théorique .

Elles sont des ” garde-fous ” qui nous empêchent de divaguer tout en nous ouvrant de nouveaux horizons .

⇒ C , Limite supérieure de toute vitesse : traduit l’impossibilité d’interaction instantanée à distance !
⇒ G , associée à C et k , pose une limite à la divisibilité de l’espace et du temps !
⇒ h et k traduisent le fait que toute connaissance à un coût ! Le mouvement perpétuel est impossible ; on ne peut influencer le passé ! 

P.G. Février 2005

Pour en savoir plus :
“Constantes universelle” de Gilles Cohen-Tannoundji chez Hachette
Le Hors série de Sciences & Avenir de janvier 2005 “Les 3 constantes de l’Univers”