Les lois de la physique font intervenir des constantes fondamentales, comme la vitesse de la lumière dans le vide c, la constante de gravitation G et la constante de Planck h. Elles relient des grandeurs mesurables. On teste expérimentalement leur stabilité dans l’espace et au cours du temps.
Chiffres clés
- Vitesse de la lumière
- 299 792 458 m/s (exacte)
- Structure fine α
- ≈ 1/137
- Constantes fixant le SI
- 7 (depuis 2019)
- Valeur de c dans le SI
- fixée par définition
Des nombres câblés dans l'Univers
Une constante fondamentale intervient dans une loi physique : G, par exemple, fixe l’intensité de l’attraction gravitationnelle pour des masses et une distance données. Sa valeur se mesure. Dans le Système international, certaines valeurs, dont c et h, sont fixées exactement afin de définir les unités.
Ces nombres sont si importants que, depuis 2019, le Système international d'unités (le kilogramme, le mètre, la seconde…) est défini à partir d'eux. On a inversé la logique : au lieu de mesurer c avec un mètre, on fixe c une fois pour toutes et c'est lui qui définit le mètre.
Un petit catalogue
Voici quelques-unes des constantes les plus célèbres, celles qu'on croise dès le lycée :
| Symbole | Nom | Valeur approchée |
|---|---|---|
| c | Vitesse de la lumière dans le vide | 299 792 458 m/s |
| G | Constante de gravitation | 6,674 × 10−11 N·m²/kg² |
| h | Constante de Planck | 6,626 × 10−34 J·s |
| e | Charge élémentaire | 1,602 × 10−19 C |
| kB | Constante de Boltzmann | 1,381 × 10−23 J/K |
| NA | Constante d’Avogadro | 6,022 × 1023 mol−1 |
| α | Constante de structure fine | ≈ 1/137 ≈ 0,00730 |
La constante d’Avogadro indique combien d’entités contient une mole. La constante de Planck relie l’énergie d’un photon à sa fréquence : E = hν. Elle ne fixe pas un « plus petit paquet d’énergie » universel : l’énergie du photon dépend de sa fréquence.
Le mystérieux « 1/137 »
La constante de structure fine α est à part : c'est un nombre pur, sans unité, proche de 1/137 à basse énergie. Elle mesure la force de l'interaction électromagnétique — en somme, à quel point les particules chargées « s'accrochent » à la lumière. Comme elle n'a pas d'unité, sa valeur ne dépend d'aucun choix humain de mètre ou de kilogramme : une civilisation extraterrestre trouverait la même valeur dans les mêmes conditions physiques. C'est pourquoi elle fascine tant les physiciens, de Feynman à Pauli.
Sa valeur intervient dans les propriétés des atomes et dans la lumière qu’ils absorbent ou émettent. La modifier changerait donc la chimie.
| Interaction | Exemple |
|---|---|
| Gravitation | Organisation des orbites et des grandes structures. |
| Électromagnétique | Lumière, électricité et liaisons chimiques. |
| Forte | Cohésion des quarks dans les protons et neutrons ; cohésion des noyaux par son effet résiduel. |
| Faible | Certaines transformations de particules, dont la radioactivité bêta. |
Comparer leurs intensités exige de préciser les particules, la distance et l’énergie considérées. Une seule échelle de nombres ne suffit pas à toutes les situations.
La question du réglage fin
Dans certains modèles, changer les constantes modifierait la formation des étoiles ou la stabilité des noyaux. C’est la question du réglage fin. Les conclusions dépendent toutefois des paramètres que l’on modifie ensemble et des formes de vie envisagées : il n’existe pas de seuil simple au-delà duquel toute vie serait démontrée impossible.
Est-ce un hasard, une nécessité encore incomprise, ou le signe qu'il existe une multitude d'univers aux règles différentes, dont seuls quelques-uns permettent la vie ? Personne ne le sait. C'est l'une des grandes questions ouvertes de la physique.