Sciences & Techniques: Le subtil mystère des constantes

« Une des conséquences de la relativité restreinte a été d'élever c au rang de vitesse maximale indépassablepar tout " objet " matériel.

Particules , ondes ou champs (électriques, magnétiques ou gravitationnels), rien ne peut aller plus vite que la lumière.

Les conséquences de cette limitation universelle sont innombrablesmais de nombreuses expériences ont vérifié les affirmations de la relativité d'Einstein et la constance de c. G nous parle d'évolution de l' Univers , c de vitesse indépassable.

Ces deux constantes s'expriment volontiers dans des phénomènes à grande échelle.

En revanche, h et k, ont un goût prononcé pour l'" infiniment petit ". Au tournant du siècle dernier, un physicien allemand, Max Planck, qui s'affairait autour d'une sorte de four sophistiqué, était aux prisesavec un drôle de dilemme : ses mesures de rayonnement ne collaient pas du tout avec ce que prévoyait la thermodynamiqueclassique.

En particulier, si un objet faiblement chauffé placé dans cette enceinte émettait bien des ondes de différentes fréquences,celles-ci ne se répartissaient pas comme le prévoyait la théorie.

Les fréquences élevées dispersaient de cette manière une trop faibleénergie calorifique… Jusque-là, les physiciens considéraient que le rayonnement thermique (ou lumineux) d'un objet – comme le filament d'une lampe "chauffé à blanc " – avait la nature d'un fluide, s'écoulant de l'objet, comme s'écoule l'eau d'un réservoir trop rempli.

Le débit d'eaupouvait représenter l'énergie dispersée, et les vitesses mesurées dans le liquide, les fréquences du rayonnement.

Ces dernièresdevaient donc, pensaient-ils, prendre toutes les valeurs possibles.

En d'autres termes, l'énergie véhiculée de cette manière devait êtredivisible à l'infini.

Hélas, cette théorie " continue " menait à une conclusion absurde : à toute température, le spectre du rayonnementthermique devait, lui aussi, être d'une densité infinie.

La façon dont les physiciens étaient arrivés à cette conclusion semblait pourtantirréfutable car basée sur des théories qui semblaient avoir fait leurs preuves : thermodynamique et électromagnétisme. L'erreur venait donc d'ailleurs.

Sans trop y croire, Max Planck fit une hypothèse audacieuse : le rayonnement électromagnétique étaitdiscontinu.

Il existait des " grains " qui, indivisibles, constituaient l'énergie minimale transportée par rayonnement.

Max Planck calculala valeur de ces grains d'énergie : 6,6.10 –34 Joules. Cinq ans plus tard, en 1905, Einstein avait si bien " intégré " cette étrange et nouvelle constante universelle, qu'il bâtit autour d'elle une conception de la réalité pour le moins révolutionnaire : toutes les grandeurs physiques – énergie, force, matière, lumière etc.

– étaient constituées de grains indivisibles, les quanta.

Il déduisit la relation qui liait l'énergie E à la fréquence n : E = h.

n dans laquelle hdevenait la " constante de Planck ". A peine âgée de cinq ans, celle-ci avait engendré une nouvelle théorie : la physique quantique.

Einstein, lui, reçut le prix Nobel de physique en 1921.

La constante de Planck désignait donc aussi une limite, inférieure cette fois, : celle de " l'infiniment petit ".Aujourd'hui, les arrière-petits-fils (spirituels) de Planck et d'Einstein se demandent si le temps et l'espace, eux-mêmes, ne seraient pas de nature granulaire. Un rôle de synthèse Nous en arrivons à " k ", la plus étonnante de la bande des quatre, objet d'âpres controverses encoreaujourd'hui, cent ans après sa " découverte ".

Cette constante-là a surgi des efforts du physicien autrichienLudwig Boltzmann (1844-1906), pour établir un lien formel entre deux théories répondant à des logiquesdifférentes : la thermodynamique – de nature statistique – et la mécanique newtonienne - de naturedéterministe.

La thermodynamique, élaborée au cours du XIXe siècle, permettait d'expliquer avec simplicitéet élégance les phénomènes d'échanges de chaleur qui apparaissaient dans différents dispositifs :machine à vapeur , pompe à chaleur, moteur à explosion, etc.

Quelles étaient les modalités de la transformation d'une énergie de combustion en une énergie de mouvement? Comment, à l'inverse, le mouvement d'une pompe àchaleur pouvait-il refroidir une enceinte frigorifique? Sadi Carnot (1796-1832) avait notamment énoncé le " second principe de lathermodynamique ", la seule loi de toute la physique qui donne un sens au temps.

Cette " flèche du temps " provient du conceptd'irréversibilité des phénomènes : la majorité des processus mécaniques dégradent définitivement sous la forme de chaleur, une partiede l'énergie mise en jeu.

Si, comme le dit Lavoisier dans son " rien ne se crée, rien ne se perd, tout se transforme ", l'énergie totale de l'Univers est constante, sa qualité se dégrade constamment.

Pour rendre compte de cette dégradation, la thermodynamique introduitune grandeur physique, " l'entropie ".

Elle donne la mesure du taux de dégradation énergétique pour une transformation donnée.

Lesecond principe, formulé en ces termes, nous dit que l'entropie d'un système isolé (l'Univers en est un) ne peut que croître. En se servant du concept de quantité de chaleur Q, Boltzmann établit que cette dernière est proportionnelle à la température T del'objet, multipliée par une fonction dépendant statistiquement de toutes les particules de l'objet : W.

Celle-ci donne pour chaque particule du système une probabilité d'être dans un état d'énergie donné.

La constante k exprime alors un lien de proportionnalité.Cette équation fonde la mécanique statistique qui unit concrètement la notion de température d'un système à celle d'énergie d'uneparticule. Toutes les constantes, G, c, h et k, sont issues d'unions semblables.

Elles conduisent souvent à une généralisation.

Ainsi c lie lamasse à l'énergie dans la relation célèbre E = Mc 2.

Ces deux concepts peuvent s'exprimer dans les mêmes unités et, à la longue, se confondre.

Les constantes universelles jouent donc un rôle de synthèse et seraient, par là, vouées à disparaître.

De disparitions en. »