Sciences · Physique
Les constantes physiques fondamentales
Les constantes physiques fondamentales ont partout et toujours la même valeur, comme la vitesse de la lumière c ou la constante de Planck h. Depuis 2019, sept d’entre elles définissent les unités du SI.
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Les lois de la physique contiennent des nombres qui ne dépendent ni du lieu, ni de l’époque, ni de l’expérience : la vitesse de la lumière, la charge de l’électron, l’intensité de la gravitation. Ces constantes fondamentales fixent l’échelle de tous les phénomènes naturels. Elles ont pris une importance nouvelle en 2019, lorsque le système international d’unités a été entièrement redéfini à partir d’elles.
Les constantes qui définissent le SI
Depuis le 20 mai 2019, les sept unités de base du système international (voir unités du système international) sont définies en fixant la valeur exacte de sept constantes.
| Constante | Symbole | Valeur exacte | Unité qu’elle définit |
|---|---|---|---|
| Fréquence de la transition hyperfine du césium 133 | ΔνCs | 9 192 631 770 Hz | la seconde |
| Vitesse de la lumière dans le vide | c | 299 792 458 m/s | le mètre |
| Constante de Planck | h | 6,626 070 15 × 10⁻³⁴ J·s | le kilogramme |
| Charge élémentaire | e | 1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ C | l’ampère |
| Constante de Boltzmann | k | 1,380 649 × 10⁻²³ J/K | le kelvin |
| Constante d’Avogadro | N_A | 6,022 140 76 × 10²³ mol⁻¹ | la mole |
| Efficacité lumineuse d’un rayonnement de 540 THz | K_cd | 683 lm/W | la candela |
Les grandes constantes une par une
La vitesse de la lumière, c
C’est la vitesse de toute onde électromagnétique dans le vide, et la vitesse limite de toute information. Elle relie l’espace et le temps en relativité et la masse à l’énergie dans E = mc². Sa valeur est exacte depuis 1983, lorsque le mètre a été défini comme la distance parcourue par la lumière en 1/299 792 458 de seconde (voir vitesse de la lumière).
La constante de Planck, h
Elle fixe l’échelle des phénomènes quantiques : l’énergie d’un photon vaut E = h f (voir effet photoélectrique). Introduite par Max Planck en 1900 pour expliquer le rayonnement du corps noir, elle apparaît dans le principe d’incertitude et la longueur d’onde de de Broglie. Sa petitesse explique pourquoi les effets quantiques sont invisibles à notre échelle. On utilise souvent la constante réduite ħ = h / 2π ≈ 1,055 × 10⁻³⁴ J·s.
La constante gravitationnelle, G
G ≈ 6,674 × 10⁻¹¹ N·m²/kg². Elle apparaît dans la loi de la gravitation universelle de Newton et dans les équations de la relativité générale. Mesurée pour la première fois par Henry Cavendish en 1798 avec une balance de torsion, elle reste paradoxalement la moins bien connue des grandes constantes : son incertitude relative est de l’ordre de 2 × 10⁻⁵, car la gravitation est extrêmement faible entre des masses de laboratoire.
La charge élémentaire, e
C’est la charge du proton, égale et opposée à celle de l’électron. Toute charge électrique libre observée est un multiple entier de e ; les quarks ont des charges fractionnaires (±1/3, ±2/3) mais n’existent pas isolés. Robert Millikan l’a mesurée en 1909-1913 par son expérience des gouttes d’huile.
La constante de Boltzmann, k
Elle relie la température à l’énergie d’agitation des particules : à la température T, l’énergie thermique typique par particule est de l’ordre de k T. Elle apparaît dans la formule de l'entropie, S = k ln Ω.
La constante d’Avogadro, N_A
C’est le nombre d’entités (atomes, molécules) dans une mole. Elle fait le lien entre l’échelle atomique et l’échelle humaine : 12 grammes de carbone 12 contiennent environ 6,022 × 10²³ atomes (voir mole).
D’autres constantes importantes
| Constante | Symbole | Valeur approximative | Rôle |
|---|---|---|---|
| Masse de l’électron | m_e | 9,109 × 10⁻³¹ kg | chimie, électronique |
| Masse du proton | m_p | 1,673 × 10⁻²⁷ kg | environ 1 836 fois celle de l’électron |
| Constante des gaz parfaits | R | 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹ | égale à N_A × k |
| Constante de Stefan-Boltzmann | σ | 5,670 × 10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴ | rayonnement thermique |
| Perméabilité du vide | μ₀ | environ 1,257 × 10⁻⁶ N/A² | magnétisme |
| Permittivité du vide | ε₀ | environ 8,854 × 10⁻¹² F/m | électrostatique |
| Constante de structure fine | α | environ 1/137,036 | intensité de l’interaction électromagnétique, sans unité |
La constante de structure fine, un nombre pur
La constante de structure fine α = e² / (4π ε₀ ħ c) est sans dimension : sa valeur, environ 1/137, ne dépend d’aucun système d’unités. Elle mesure l’intensité de l’interaction électromagnétique (voir interactions fondamentales). Pourquoi vaut-elle précisément ce nombre ? Personne ne le sait. Richard Feynman la qualifiait de l’un des plus grands mystères de la physique.
Les physiciens considèrent que les constantes sans dimension sont les véritables constantes fondamentales : les valeurs des constantes dimensionnées, comme c, dépendent du choix des unités.
Les constantes sont-elles vraiment constantes ?
Des expériences cherchent d’éventuelles variations, par exemple de α, en comparant des horloges atomiques de types différents sur plusieurs années ou en analysant la lumière de quasars lointains, émise il y a des milliards d’années. Aucune variation n’a été établie de manière convaincante : les variations éventuelles de α mesurées en laboratoire sont inférieures à 10⁻¹⁷ par an.
L’ajustement fin
Si certaines constantes avaient des valeurs légèrement différentes, les étoiles, les atomes stables ou la chimie du carbone pourraient ne pas exister. Ce constat de l'ajustement fin (fine-tuning) fait l’objet de débats en cosmologie et en philosophie des sciences : simple coïncidence, conséquence d’une théorie plus profonde encore inconnue, ou effet de sélection dans un hypothétique ensemble d’univers.
Questions fréquentes
Quelles sont les constantes fondamentales de la physique ?
Les principales sont la vitesse de la lumière c, la constante de Planck h, la constante gravitationnelle G, la charge élémentaire e, la constante de Boltzmann k et la constante d’Avogadro N_A, auxquelles s’ajoutent les masses des particules et la constante de structure fine.
Pourquoi la vitesse de la lumière a-t-elle une valeur exacte ?
Parce que, depuis 1983, le mètre est défini à partir d’elle : on a fixé sa valeur à exactement 299 792 458 m/s, et c’est la longueur du mètre qui en découle.
Quelle est la constante la moins bien connue ?
La constante gravitationnelle G, connue avec seulement quatre à cinq chiffres significatifs, car la gravitation entre objets de laboratoire est extrêmement faible et difficile à isoler.
Que s’est-il passé en 2019 pour les unités ?
Le système international a été redéfini : les sept unités de base reposent désormais sur des valeurs exactes de sept constantes. Le kilogramme, en particulier, ne dépend plus d’un objet matériel mais de la constante de Planck.