Quelle est la longueur de la planche et pourquoi marque-t-elle une limite à notre compréhension de l’univers ?

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

Une fois pensé pour être les grains de sable.

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

Étaient-ce les particules fondamentales? Non, les protons et les neutrons sont composés de trois quarks chacun.

Cela semble sans fin alors allons droit au but : l’une des plus petites longueurs qui ait été “mesurée” est la limite supérieure du rayon de l’électron qui est de 10¯²² mètres.

Mais cela ne veut pas dire que c’est la plus petite chose qui existe.

Avez-vous remarqué que la question ce n’était pas ce qu’il y a de plus petit au monde mais ce qu’il y a de plus petit?

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 cela : que rien n’est vide…

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 d’applaudir, ce vide même a un mouchoir.”

C’est comme lorsque vous nagez sous l’eau, tout cela vous entoure en permanence.

On sait qu’il est constitué de molécules, comme de petits grains attachés les uns aux autres.

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

Alors, nous avons demandé à Strogatz, Quel est le plus petit espace possible dans l’Univers ?

“Intuitivement, vous pourriez penser que cela n’existe pas, car vous pouvez prendre n’importe quel espace et le diviser en deux, et continuer à le faire à l’infini. C’est ce qui a souvent été supposé tout au long de l’histoire.

“Maintenant, en raison de la théorie quantique, on pense qu’il existe une unité d’espace qui est la plus petite.”

Pour y parvenir, les trois seules constantes physiques fondamentales connues -c’est-à-dire qu’elles s’appliquent à l’ensemble de l’Univers- ont été prises :

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 dans lesquels la lumière est divisée.

Il a présenté cette hypothèse “quantique” de la lumière comme une astuce mathématique pour faire fonctionner ses équations. Mais Albert Einstein a fait valoir cinq ans plus tard que l’astuce devait être prise au pied de la lettre : que la lumière était réellement 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, 0,00000000000000000000000000000006626070150 joules-secondes (tel que défini par le CERN en 2019).

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

Mais ce n’est pas parce que cela nous déconcerte que nous comprenons, alors revenons à Strogatz.

Dans l’article où Planck introduisait la constante qui porte son nom, il notait :

“… il est possible d’établir des unités de longueur, de masse, de temps et de température, qui sont indépendantes de corps ou de substances spéciaux, en préservant nécessairement leur sens pour tous les temps et pour toutes les civilisations, y compris les extraterrestres et les non-humainsqui peuvent être appelées “unités de mesure naturelles””.

“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 (noté ℓP)”.

Strogatz a expliqué que la raison pour laquelle les physiciens s’y intéressent tant est qu’ils pensent que ce serait l’unité de longueur théorique maîtresse qui unifie la gravité, la relativité et les effets quantiques.

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

“Mais les physiciens insistent sur le fait que cela 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, quelles que soient 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 petitebeaucoup plus petit même que la taille estimée des électrons et des quarks.”

Estomac quelques 10¯³⁵ métrosc’est 0,000000000000000000000000000000016 mètres ou environ un milliardième de milliardième de milliardième de mètre.

Or, un photon voyageant à la vitesse de la lumière prendrait environ 10¯⁴³ secondes parcourir cette distance. Voilà l’heure de Planckle “quantum de temps”, la plus petite mesure de temps qui ait un sens.

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

C’est un peu comme “Voici les dragons” ou ” Il y a des dragons ici “, cette phrase qui figurait sur les globes du Moyen Âge dans des territoires inconnus ou dangereux.

La longueur de Planck est la ligne de démarcation après laquelle la physique que nous connaissons ne s’applique plus ; ses lois sont brisées, les idées classiques sur la gravité et l’espace-temps cessent d’être valables et les effets quantiques dominent.

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

“Notre intuition fonctionne bien jusqu’à ce que nous arrivions à la longueur de Planck”, explique Strogatz.

Après, “eLe 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 échiquier ordonné fait de pixels, ou complètement fou et vibrant et fluctuant comme la surface de l’océan ?”

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

Peut-être tout ou rien de ce qui précède.

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

Mais tandis que la prochaine révolution scientifique arrive, nous avons celle de Planck, un petit morceau de cet univers inconnu.

“La longueur de Planck nous parle d’espace vide ; cet espace vide, rempli de matière qui devient des planètes, des personnes, etc.”, explique Strogatz.

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

“La chose la plus fondamentale est le vide”.

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