Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de “Demandez à un astronaute” et “Radio spatiale“et auteur de”Comment mourir dans l’espace. “
Un nombre apparemment inoffensif, aléatoire, sans unités ni dimensions, est apparu dans tant d’endroits en physique et semble contrôler l’une des interactions les plus fondamentales de l’univers.
Son nom est le constante de structure fineet c’est une mesure de la force de l’interaction entre les particules chargées et le électromagnétique Obliger. L’estimation actuelle de la constante de structure fine est de 0,007 297 352 5693, avec une incertitude de 11 sur les deux derniers chiffres. Le nombre est plus facile à retenir par son inverse, environ 1/137.
S’il avait une autre valeur, la vie telle que nous la connaissons serait impossible. Et pourtant, nous n’avons aucune idée d’où cela vient.
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Une belle découverte
Les atomes ont une propriété curieuse : ils peuvent émettre ou absorber un rayonnement de longueurs d’onde très spécifiques, appelées raies spectrales. Ces longueurs d’onde sont si spécifiques à cause de la mécanique quantique. Un électron en orbite autour d’un noyau dans un atome ne peut pas avoir n’importe quelle énergie ; il est limité à des niveaux d’énergie spécifiques.
Lorsque les électrons changent de niveau, ils peuvent émettre ou absorber un rayonnement, mais ce rayonnement aura exactement la différence d’énergie entre ces deux niveaux, et rien d’autre – d’où les longueurs d’onde spécifiques et les raies spectrales.
Mais au début du 20e siècle, les physiciens ont commencé à remarquer que certaines raies spectrales étaient divisées ou avaient une “structure fine” (et maintenant vous pouvez voir où je veux en venir). Au lieu d’une seule ligne, il y avait parfois deux lignes très étroitement séparées.
L’explication complète de la “structure fine” de la raie spectrale repose sur la théorie quantique des champs, un mariage de la mécanique quantique et relativité restreinte. Et l’une des premières personnes à essayer de comprendre cela a été le physicien Arnold Sommerfeld. Il a découvert que pour développer la physique pour expliquer la division des raies spectrales, il devait introduire une nouvelle constante dans ses équations – une constante de structure fine.
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L’introduction d’une constante n’était pas si nouvelle ni excitante à l’époque. Après tout, les équations de la physique à travers l’histoire ont impliqué des constantes aléatoires qui expriment la force de diverses relations. Isaac Newtonformule de pour universel gravitation avait une constante, appelée G, qui représente la force fondamentale de l’interaction gravitationnelle. La vitesse de la lumière, c, nous renseigne sur la relation entre les champs électriques et magnétiques. La constante de ressort, k, nous indique comment raidir un ressort particulier. Etc.
Mais il y avait quelque chose de différent dans la petite constante de Sommerfeld : il n’y avait pas d’unités. Il n’y a pas de dimensions ou de système d’unités dont dépend la valeur du nombre. Les autres constantes de la physique ne sont pas comme ça. La valeur réelle de la vitesse de la lumière, par exemple, n’a pas vraiment d’importance, car ce nombre dépend d’autres nombres. Votre choix d’unités (mètres par seconde, miles par heure ou lieues par quinzaine ?) Et les définitions de ces unités (combien de temps exactement un “mètre” va-t-il être ?) Importance ; si vous modifiez l’un de ceux-ci, la valeur de la constante change avec elle.
Mais ce n’est pas vrai pour la constante de structure fine. Vous pouvez avoir n’importe quel système d’unités que vous voulez et n’importe quelle méthode d’organisation de l’univers comme vous le souhaitez, et ce nombre sera exactement le même.
Si vous deviez rencontrer un extraterrestre d’un système stellaire lointain, vous auriez du mal à communiquer la valeur de la vitesse de la lumière. Une fois que vous avez défini comment nous exprimons nos chiffres, vous devrez alors définir des choses comme les mètres et les secondes.
Mais la structure fine constante ? Vous pourriez simplement le cracher, et ils le comprendraient (tant qu’ils comptent les nombres de la même manière que nous).
La limite du savoir
À l’origine, Sommerfeld n’avait pas beaucoup réfléchi à la constante, mais comme notre compréhension de la monde quantique a grandi, la constante de structure fine a commencé à apparaître dans de plus en plus d’endroits. Il semblait surgir à chaque fois que des particules chargées interagissaient avec la lumière. Avec le temps, nous en sommes venus à le reconnaître comme la mesure fondamentale de la force de l’interaction des particules chargées avec le rayonnement électromagnétique.
Changez ce nombre, changez l’univers. Si la constante de structure fine avait une valeur différente, alors les atomes auraient des tailles différentes, la chimie changerait complètement et les réactions nucléaires seraient altérées. La vie telle que nous la connaissons serait carrément impossible si la constante de structure fine avait même une valeur légèrement différente.
Alors pourquoi a-t-il la valeur qu’il a? N’oubliez pas que cette valeur elle-même est importante et peut même avoir un sens, car elle existe en dehors de tout système d’unités que nous avons. C’est simplement… c’est.
Au début du XXe siècle, on pensait que la constante avait une valeur précise de 1/137. Qu’y avait-il de si important dans le 137 ? Pourquoi ce nombre ? Pourquoi pas littéralement n’importe quel autre numéro ? Certains physiciens sont même allés jusqu’à tenter la numérologie pour expliquer les origines de la constante ; par exemple, le célèbre astronome Sir Arthur Eddington “a calculé” que l’univers contenait 137 * 2 ^ 256 protons, donc “bien sûr” 1/137 était aussi spécial.
Aujourd’hui, nous n’avons aucune explication sur les origines de cette constante. En effet, nous n’avons aucune explication théorique à son existence. Nous le mesurons simplement dans des expériences, puis insérons la valeur mesurée dans nos équations pour faire d’autres prédictions.
Un jour, un théorie de tout – une théorie physique complète et unifiée – pourrait expliquer l’existence de la constante de structure fine et d’autres constantes similaires. Malheureusement, nous n’avons pas de théorie sur tout, alors nous sommes obligés de hausser les épaules.
Mais au moins, nous savons quoi écrire sur nos cartes de vœux aux extraterrestres.
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