Certaines quantités ne changent jamais, où que l'on soit dans l'Univers et quelle que soit l'époque : la vitesse de la lumière, la force de la gravité, la taille du « grain » d'énergie… Ce sont les constantes fondamentales. Elles sont, en quelque sorte, la règle du jeu de la physique.
Chiffres clés
- Vitesse de la lumière
- 299 792 458 m/s (exacte)
- Structure fine α
- ≈ 1/137
- Constantes fixant le SI
- 7 (depuis 2019)
- Variation mesurée de c
- aucune
Des nombres câblés dans l'Univers
Une constante fondamentale est un nombre qui apparaît dans les lois de la physique et que rien, dans la théorie, ne permet de calculer : on ne peut que le mesurer. La vitesse de la lumière c, par exemple, vaut la même chose ici, sur une lointaine galaxie, hier comme dans un milliard d'années.
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 | 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 | Nombre d'Avogadro | 6,022 × 1023 mol−1 |
| α | Constante de structure fine | ≈ 1/137 ≈ 0,00730 |
On y trouve des nombres colossaux (le nombre d'Avogadro compte les atomes dans une poignée de matière) et d'autres minuscules (la constante de Planck fixe la taille du plus petit « paquet » d'énergie). Toutes portent des unités… sauf une.
Le mystérieux « 1/137 »
La constante de structure fine α est à part : c'est un nombre pur, sans unité, environ égal à 1/137. 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 exactement le même 1/137. C'est pourquoi elle fascine tant les physiciens, de Feynman à Pauli.
Sa valeur détermine la solidité des atomes et la couleur de la lumière qu'ils émettent. Un poil plus grande ou plus petite, et la chimie — donc nous — n'existerait pas telle qu'on la connaît.
Un Univers réglé au millimètre
Ce qui trouble les physiciens, c'est que ces constantes semblent finement ajustées. Modifiez un peu la force de la gravité, et les étoiles ne s'allument plus ou s'éteignent trop vite. Changez légèrement α, et le carbone — l'atome de la vie — ne se forme plus dans le cœur des étoiles. Notre existence tient à des valeurs qui paraissent « juste ce qu'il faut ».
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.