Dans le domaine de la physique théorique, un débat vieux de plusieurs décennies sur le nombre de constantes fondamentales nécessaires pour décrire l’Univers a récemment été remis en question par un groupe de chercheurs brésiliens. Leur proposition pourrait bien bouleverser certaines idées reçues : ils affirment en effet que le nombre de constantes fondamentales dépend de l’espace-temps dans lequel les théories sont formulées. Plus surprenant encore : ils soutiennent qu’une seule constante suffirait pour décrire l’Univers observable, du moins dans un espace-temps relativiste. Cette étude ouvre la voie à une nouvelle manière de penser la physique et réduit le nombre de constantes nécessaires pour mesurer notre monde.
Le débat scientifique autour des constantes fondamentales
Les constantes fondamentales peuvent prêter à confusion, car ce terme est souvent utilisé pour désigner des valeurs physiques spécifiques, comme la constante de Planck (h), la charge élémentaire (e) ou la constante gravitationnelle (G). Ce sont des chiffres qui décrivent des phénomènes naturels constants, présents dans les lois physiques de l’Univers.
Dans cet article, le terme constantes fondamentales fait toutefois référence à des unités de mesure de base nécessaires pour quantifier les grandeurs physiques. Par exemple, le mètre est l’unité de base pour mesurer la longueur, la seconde pour mesurer le temps et le kilogramme pour mesurer la masse. Ces unités fondamentales servent à établir tout système de mesure et permettent de décrire les phénomènes physiques de manière cohérente.
Une question centrale se pose parmi les physiciens : combien de ces unités de base sont réellement nécessaires pour décrire l’Univers observable ? Ce débat n’est pas récent. En 2002, Michael Duff, Lev Okun et Gabriele Veneziano, trois physiciens de renom, avaient publié un article dans lequel ils exprimaient des opinions divergentes sur le sujet. Okun soutenait qu’il fallait trois constantes : une pour la longueur, une pour la masse et une pour le temps. Veneziano estimait quant à lui que deux constantes suffisaient : une pour la longueur et une pour le temps. Enfin, Duff restait plus ambigu et affirmait que le nombre de constantes pouvait varier selon les théories.
Cette question a néanmoins des implications profondes pour notre compréhension des lois de la physique, car elle touche au cœur de la manière dont nous mesurons et comprenons l’Univers. Récemment, des chercheurs brésiliens ont proposé une nouvelle réponse qui pourrait simplifier cette question complexe.
L’approche brésilienne : le rôle crucial de l’espace-temps
Les chercheurs brésiliens, menés par George Matsas et Vicente Pleitez, affirment que le nombre de constantes fondamentales nécessaires pour décrire l’Univers dépend du type d’espace-temps utilisé dans les théories physiques. Selon eux, il existe deux types principaux d’espace-temps à considérer :
- L’espace-temps galiléen : celui qui est utilisé dans la mécanique classique de Newton qui ne prend pas en compte les effets de la relativité.
- L’espace-temps relativiste : celui utilisé dans la théorie de la relativité d’Albert Einstein qui décrit l’Univers à des échelles très grandes ou proches de la vitesse de la lumière.
Dans l’espace-temps galiléen, plusieurs constantes sont nécessaires pour décrire les différentes grandeurs physiques. Cependant, dans l’espace-temps relativiste, la situation change. Les chercheurs expliquent que dans un cadre relativiste, une seule constante suffirait à décrire toutes les quantités physiques : l’unité de temps, c’est-à-dire la seconde. Cette simplification est possible, car dans l’espace-temps relativiste, le temps et l’espace sont tellement liés qu’une seule unité de mesure pourrait suffire.
L’espace-temps relativiste : un nouvel éclairage sur la seconde
Pour comprendre pourquoi la seconde suffirait dans l’espace-temps relativiste, il est essentiel de connaître un peu plus l’espace-temps dans lequel cette théorie s’applique. Le modèle le plus simple de l’espace-temps relativiste est celui de Minkowski, du nom du mathématicien Hermann Minkowski. Cet espace-temps est homogène et isotrope, ce qui signifie que ses propriétés sont les mêmes en tous points et dans toutes les directions. Dans un tel cadre, le temps et l’espace sont indissociables et peuvent être mesurés à l’aide de la même unité de mesure : la seconde.
Les horloges, comme les horloges atomiques modernes qui mesurent les oscillations du rayonnement émis par un atome de césium, peuvent être utilisées pour définir cette unité de temps avec une grande précision. Une seconde est aujourd’hui définie comme étant le temps nécessaire pour que le rayonnement du césium effectue 9 192 631 770 oscillations. De cette manière, la mesure du temps pourrait suffire à déterminer toutes les autres grandeurs physiques dans un cadre relativiste.
Les implications de cette simplification
Cette idée pourrait avoir de nombreuses conséquences sur la manière dont nous comprenons et mesurons l’Univers. L’idée d’une constante unique pour mesurer toutes les grandeurs physiques pourrait en effet simplifier les modèles et théories existants. Cela pourrait aussi avoir un impact sur la façon dont nous construisons des systèmes de mesure. Par exemple, dans le Système international d’unités (SI), nous utilisons actuellement sept unités de base (mètre, seconde, kilogramme, kelvin, ampère, candela et mole). Ces unités sont pratiques, mais elles ne sont pas toutes nécessairement fondamentales d’un point de vue théorique.
Si la théorie des chercheurs brésiliens se confirme, il pourrait être possible de réduire le nombre d’unités nécessaires à une seule, ce qui simplifierait considérablement la physique théorique et les calculs associés. Cela permettrait peut-être de mieux comprendre les phénomènes à l’échelle cosmologique ou subatomique où la relativité générale et la mécanique quantique se rencontrent.
