Comprendre le vide grâce à la constante de Max Planck

Quand on pense à l’Univers, notre esprit a tendance à aller vers l’inimaginablement, un espace sans frontières connues où tout existe.

Cependant, c’est cette dimension de l’inimaginablement qui constitue les pierres angulaires de cette immensité et offre la possibilité de comprendre comment elle fonctionne.

En observant comment ses composants se comportent à la plus petite échelle possible, nous pouvons comprendre comment ils se réunissent pour créer ce monde et plus encore.

C’est l’une des principales raisons pour lesquelles nous voulions savoir quelle est la plus petite chose au monde.

Et la réponse à cette question a évolué avec l’humanité.

On pensait autrefois que c’était les grains de sable.

Un saut dans le temps plus tard, l’atome a été découvert, et est considéré comme indivisible, jusqu’à ce que des protons, des neutrons et des électrons soient révélés à l’intérieur.

S’agissait-il des particules fondamentales ? Non, les protons et les neutrons sont constitués de trois quarks chacun.

Cela semble n’avoir pas de fin, alors si nous coupons les sains : l’une des plus petites longueurs qui a été « mesurée » est la limite supérieure du rayon de l’électron est de 10 ̄²² mètres.

Mais cela ne signifie pas que c’est la plus petite chose qui soit.

Avez-vous remarqué que la question n’était pas de savoir quelle est la plus petite chose au monde ?

Il s’avère que la plus petite chose au monde que nous connaissons est un espace.

C’est-ce que nous a dit le mathématicien et auteur Steven Strogatz, vers qui nous nous sommes tournés après l’avoir entendu expliquer dans une émission de RadioLab quelque chose de fondamental pour comprendre sa théorie : "que rien n’est vide..."

Le vide n’est rien

Pour illustrer l’idée, il a évoqué quelque chose que nous avons tous fait : applaudir.

« L’espace que vous avez entre vos mains quand elles sont séparées avant de taper dans vos mains, ce vide lui-même a un tissu. »

C’est comme quand vous nagez sous l’eau, tout est continuellement autour de vous.

Nous savons qu’il est composé de molécules, comme de petits grains tous liés.

Il en va de même pour l’espace qui nous entoure.

Nous avons donc demandé à Strogatz, quel est le plus petit espace possible dans l’Univers ?

« Intuitivement, vous pourriez penser qu’il n’existe pas, parce que vous pouvez prendre n’importe quel espace et le diviser en deux, et continuer à le faire à l’infini. C’est ce que l’on a souvent supposé tout au long de l’histoire.

« Maintenant, à cause de la théorie quantique, on croit qu’il y a une unité d’espace qui est la plus petite. »

Presque à la limite

Pour l’atteindre, les trois seules constantes physiques fondamentales – c’est-à-dire celles qui s’appliquent à l’Univers entier – connues ont été prises :

C - La vitesse de la lumière, dans le vide.

G - la constante gravitationnelle newtonienne qui est également utilisée en relativité générale.

ħ - la constante fondamentale qui établit l’échelle des phénomènes quantiques.

Ce dernier est la constante de Planck, le nombre qui a lancé le domaine de la physique quantique.

En 1899, le scientifique allemand Max Planck l’a proposé comme mesure de la taille des « paquets » ou quanta d’énergie en lesquels la lumière est divisée.

Il a introduit cette hypothèse « quantique » de la lumière comme une astuce mathématique pour faire fonctionner ses équations. Mais Albert Einstein a soutenu cinq ans plus tard que l’astuce devait être prise au pied de la lettre : que la lumière était vraiment divisée en ces paquets d’énergie discrets.

La constante de Plank est un nombre extrêmement petit:

6,626070150 × 10 ̄³⁵ kg⋅m2/s

Ou, dans sa version étendue, 0,0000000000000000000000000000000006626070150

Ne vous inquiétez pas si de telles valeurs semblent un peu abstraites et dénuées de sens : elles sont presque à la limite de la physique et, pour paraphraser le physicien Niels Bohr, si la théorie quantique ne vous déconcerte pas, c’est parce que vous ne l’avez pas compris.

Juste sur le bord

Dans l’article dans lequel Planck a introduit la constante qui porte son nom, il a noté:

"... Il est possible d’établir des unités de longueur, de masse, de temps et de température, qui sont indépendantes des corps ou substances spéciaux, conservant nécessairement leur signification pour tous les temps et pour toutes les civilisations, y compris extraterrestres et non humaines, qui peuvent être appelées « unités naturelles de mesure ».

Et il l’a fait.

« Il s’est rendu compte qu’il n’y a qu’une seule façon possible de combiner ces 3 nombres fondamentaux (c, G et ħ) pour obtenir une distance: la longueur de Planck (notée lP). »

Strogatz a expliqué que la raison pour laquelle les physiciens s’y intéressent autant est qu’ils croient que ce serait la longueur unitaire de la théorie maîtresse qui unifie la gravité, la relativité et les effets quantiques.

« Nous n’avons pas encore cette théorie: c’est l’un des grands mystères de la physique moderne », a-t-il déclaré.

« Mais les physiciens insistent sur le fait qu’il doit exister. Ce n’est pas un point de vue scientifique, c’est une croyance, mais l’histoire de la science a montré que la recherche de l’unification nous rapproche de la vérité.

La beauté de lP est que peu importe les unités choisies pour effectuer les mesures, qu’elles soient métriques ou martiennes, elles détermineront toutes la même longueur de Planck.

« Ce qui est fou, c’est que lorsque vous combinez ces 3 constantes connues, cela vous donne une longueur incroyablement petite, beaucoup plus petite même que la taille estimée des électrons et des quarks. »

Quelle est sa taille?

Il mesure environ 10 ̄³⁵ mètres, soit 0,000000000000000000000000000000000016

Maintenant, un photon voyageant à la vitesse de la lumière prendrait environ 10 ̄⁴³ secondes pour parcourir cette distance. C’est le temps de Planck, le « quantum du temps », la plus petite mesure du temps.

C’est parce que ces unités marquent la limite de nos connaissances, pour l’instant.

C’est aussi loin que nous allons.

C’est un peu comme « Voici des dragons », cette phrase qui est apparue sur les globes médiévaux dans des territoires inconnus ou dangereux.

La longueur de Planck est la ligne de démarcation après laquelle la physique que nous connaissons ne peut plus être appliquée.

Leurs lois sont brisées, les idées classiques sur la gravité et l’espace-temps cessent d’être valides et les effets quantiques dominent.

En franchissant cette frontière, les équations ne produisent que des résultats absurdes.

« Notre intuition fonctionne bien jusqu’à ce que nous atteignions la longueur de Planck », explique Strogatz.

Ensuite, « le concept que nous avons de l’espace perd son sens.

« Nous ne savons pas ce qui se passe à cette échelle... l’univers sera-t-il comme un damier ordonné fait de pixels, ou complètement fou, vibrant et fluctuant comme la surface de l’océan? »

C’est une échelle dans laquelle, peut-être, les choses deviennent très mouvementées et aléatoires; une échelle dans laquelle, soudainement, les particules entrent et sortent de l’existence et de la non-existence; Une échelle sur laquelle, peut-être, la gravité, la force la plus faible de toutes, devient dominante.

Nous ne savons pas non plus s’il y a des longueurs plus petites.

Mais alors que la prochaine révolution scientifique arrive, nous avons la constante Planck, un petit morceau de cet Univers inconnu.

« Elle nous parle d’espace vide ; cet espace vide, plein de matière qui devient planètes, personnes et ainsi de suite », explique Strogatz.

« C’est une propriété de l’arrière-plan, de la scène où la physique, la vie et tout se passe.

« La chose la plus fondamentale est le vide. »