Les constantes fondamentales

samedi 28 avril 2012
par  Jacques

N°43- LES CONSTANTES FONDAMENTALES - J.P.Uzan - R.Lehoucq

Belin (Collection Sup histoire des sciences physiques) - 05/05 - 488 pages - Tout lecteur

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RÉSUMÉ : Accompagnés d’extraits essentiels des textes fondateurs en marge de chaque chapitre, les auteurs font une analyse conceptuelle sur le rôle, la nature, l’histoire et la mesure, des constantes physiques liées à des systèmes d’unités, en discutant de leur statut évolutif dans le cadre des théories associées.

MOTS CLÉ : Unités, paramètres, constantes fondamentales, mesures, précision.

LES AUTEURS : Jean Philippe Uzan : chercheur en physique théorique au CNRS et à l’IAP. Roland Lehoucq : astrophysicien au CEA (Saclay) spécialiste en topologie cosmique.

C’est pour s’affranchir de références locales que les constantes sont introduites dans les lois de la physique, et pour définir ces références, des systèmes d’unités ont été proposés, avec la volonté de clarifier et d’universaliser le débat scientifique. Une constante étant définie comme un paramètre non déterminé apparaissant dans la formulation d’une loi, d’une théorie physique, elles apparaissent donc liées à un cadre théorique spécifique avec un statut susceptible d’évoluer (classification de J.M.Lévy-Leblond). Le caractère fondamental de certaines semble mesurer notre ignorance et peuvent être comme « des reliquats d’une théorie plus générale encore non formulée ». Elles deviendraient alors des « quantités dynamiques » dont l’évolution serait définie dans le nouveau cadre théorique et se comporter telles des « synthétiseurs de concepts », espace/temps pour c, énergie discrète/fréquence continue pour h, espace/matière pour G. Portées par les 3 axes du cube des théories leur combinaison conduit aux domaines limites des grandes théories actuelles. Notons que G.Cohen-Tannoudji ajoute au trio (c, h, G) de l’espace-temps-matière), le quantum d’information k (Cte de Boltzmann), lui aussi lié à une limitation de principe, à un horizon de la connaissance. Quant aux théories unitaires en gestation (la corde fondamentale purement géométrique, dont toutes les particules sont des excitations) , elles n’en prévoient que 2 dans le cadre séduisant de la cosmologie.

Les auteurs traitent ensuite des unités intimement associées aux constantes puisqu’elles y trouvent une définition qui se veut la plus universelle, définitivement dégagée de tout anthropomorphisme. Tout commence à la révolution française avec la définition du mètre accroché à la forme de la Terre, et se prolonge à la vitesse de la lumière prise comme constante fondamentale, avec une certaine radiation du krypton (1983) où les seules perturbations (vide, gravitation) sont celles qui limitent la précision des mesures ici de fréquences. Les réflexions de Gauss avaient permis de montrer que 3 unités s’avéraient nécessaires (masse, longueur, temps) et qu’elles pouvaient se déduire de 3 constantes de dimensions différentes. Ces trois unités naturelles sont l’œuvre de Planck et de sa quête d’absolu (1899) même si leur signification profonde n’apparaît que plus tard, quand les effets quantiques et relativistes deviennent du même ordre de grandeur.
L’ouvrage présente ensuite le « trio fondamental » adopté par les auteurs où l’évolution des idées et des théories en modifie le statut. Propriété d’objet physique (classe A), la vitesse de la lumière estimée par Römer en 1676, devient caractéristique de phénomènes physique (classe B) avec Maxwell en 1865, puis constante universelle (Classe C) avec Einstein où elle devient vitesse limite signature des phénomènes relativistes avec l’émergence de l’espace-temps et de la causalité. La définition du mètre (1983) fixe sa valeur par décret et la fait rentrer dans le clan très fermé des constantes de référence (classe D) où elle n’est peut-être même pas la vitesse de la lumière ! Chacun des 3 chapitres évoque avec une étonnante précision dans la documentation, dans le choix des textes fondateurs souvent difficiles d’accès, ce lent cheminement propre à la démarche scientifique. Il nous offre une image d’un l’univers dynamique où les lois de la physique y gagnent en universalité dans le sens où elles embrassent de plus en plus de phénomènes avec de moins en moins d’hypothèses et où « l’étonnante efficacité des mathématiques » témoigne de la rigueur de l’édifice.
Avec l’histoire de la gravitation les auteurs reviennent sur le rôle joué par les constantes dans l’édification des théories. G unifie, dés sa naissance (1687), 2 autres constantes, celle de Kepler K et celle de Galilée g (classe C), même si les mesures de pesées de la Terre (Cavendish-1798) lui redonne un statut de classe B. Avec l’équivalence locale de la gravitation et de l’inertie (Principe d’équivalence et expériences d’Eötvös) elle relie la structure géométrique de l’espace-temps à son contenu matériel (Classe C). Les théories quantiques de la gravitation laissent à penser qu’elle pourrait être caractérisée à partir d’une masse ou d’une énergie (rétrogradation en classe B ?).

C’est en décembre 1900 que la constante de Planck fit irruption dans les lois de la physique décrivant le rayonnement, les échanges d’énergie dans le corps noir (classe A). Propriété fondamentale de tout rayonnement avec Einstein (1905-classe B), puis de toute matière avec L de Broglie (1924-classe C) elle devient valeur limite de l’action classique et limite incontournable dans la précision de description d’un système physique (1927-Heisenberg). « Faire rentrer l’acte de mesure dans le cadre de la théorie physique », restera à tout jamais limité par ce bruit de fond quantique. Si c et G sont liées à des propriétés de l’espace-temps-matière, h met en lumière ces limitations de principe quant à sa connaissance.

Gilles Cohen Tannoudji (Les constantes universelles 95), dans sa préface, affirme que cet ouvrage « est appelé à devenir une référence sur le sujet ». Que dire de plus sinon qu’on est bien d’accord sur ce point !

Confions à Edgar Morin de conclure sur ce magnifique travail où les « enjeux physiques et épistémologiques des débats en cours » contiennent à coup sûr les germes de nouveaux concepts associés à leurs nouveaux horizons d’universalité dont il est difficile par manque du recul indispensable mis en lumière dans ce ouvrage, d’en prévoir l’importance et les conséquences.

« L’idée que notre connaissance est illimitée est une idée bornée. L’idée que notre connaissance est bornée à des conséquences illimitées ».



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