Variation temporelle des constantes fondamentales - Time-variation of fundamental constants

Le terme constante physique exprime la notion de grandeur physique soumise à une mesure expérimentale qui est indépendante du moment ou du lieu de l'expérience. La constance (immutabilité) de toute "constante physique" est donc soumise à une vérification expérimentale.

Paul Dirac en 1937 a émis l'hypothèse que les constantes physiques telles que la constante gravitationnelle ou la constante de structure fine pourraient être sujettes à changement au fil du temps en proportion de l' âge de l'univers . Les expériences menées depuis lors ont fixé des limites supérieures à leur dépendance dans le temps. Il s'agit en particulier de la constante de structure fine , de la constante gravitationnelle et du rapport de masse proton/électron , pour lesquels des efforts sont en cours pour améliorer les tests sur leur dépendance temporelle.

L'immuabilité de ces constantes fondamentales est une pierre angulaire importante des lois de la physique telles qu'elles sont actuellement connues ; le postulat de l'indépendance temporelle des lois physiques est lié à celui de la conservation de l'énergie ( théorème de Noether ), de sorte que la découverte de toute variation impliquerait la découverte d'une loi de la force jusque-là inconnue.

Dans un contexte plus philosophique , la conclusion que ces quantités sont constantes soulève la question de savoir pourquoi elles ont la valeur spécifique qu'elles ont dans ce qui semble être un « univers affiné », alors que leur caractère variable signifierait que leurs valeurs connues sont simplement un accident de l' heure actuelle où il nous arrive de les mesurer.

Dimensionnalité

Il est problématique de discuter du taux de changement proposé (ou de son absence) d'une constante physique unidimensionnelle de manière isolée. La raison en est que le choix d'un système d'unités peut choisir arbitrairement n'importe quelle constante physique comme base, faisant de la question de savoir quelle constante subit un changement un artefact du choix des unités.

Par exemple, en unités SI , la vitesse de la lumière a reçu une valeur définie en 1983. Ainsi, il était significatif de mesurer expérimentalement la vitesse de la lumière en unités SI avant 1983, mais ce n'est plus le cas maintenant. Les tests sur l'immutabilité des constantes physiques examinent des quantités sans dimension , c'est-à-dire des rapports entre des quantités de dimensions similaires, afin d'échapper à ce problème. Les changements dans les constantes physiques ne sont pas significatifs s'ils aboutissent à un univers indiscernable d' un point de vue observationnel . Par exemple, un "changement" de la vitesse de la lumière c n'aurait aucun sens s'il s'accompagnait d'un "changement" correspondant de la charge élémentaire e de sorte que le rapport e ² : c (la constante de structure fine) restait inchangé.

Les unités naturelles sont des systèmes d'unités entièrement basés sur des constantes fondamentales. Dans de tels systèmes, il est utile de mesurer toute quantité spécifique qui n'est pas utilisée dans la définition des unités. Par exemple, dans les unités Stoney , la charge élémentaire est réglé sur e = 1 tandis que la constante de Planck réduite est soumis à la mesure, ħ ≈ 137,03 , et dans les unités de Planck , la réduction constante de Planck est réglé sur ħ = 1 , alors que la charge élémentaire est soumis à une mesure, e (137.03) ^1/2 . La redéfinition 2019 des unités de base SI exprime toutes les unités de base SI en termes de constantes physiques fondamentales, transformant efficacement le système SI en un système d'unités naturelles.

Constante de structure fine

En 1999, la preuve de la variabilité temporelle de la constante de structure fine basée sur l'observation des quasars a été annoncée, mais une étude beaucoup plus précise basée sur les molécules CH n'a trouvé aucune variation. Une limite supérieure de 10 ^-17 par an pour la variation temporelle, basée sur des mesures de laboratoire, a été publiée en 2008. Observations d'un quasar de l'univers à seulement 0,8 milliard d'années avec la méthode d'analyse AI employée sur le Very Large Telescope (VLT) ont trouvé une variation spatiale préférée à un modèle sans variation au niveau. ${\displaystyle 3.9\sigma }$

La variation temporelle de la constante de structure fine est équivalente à la variation temporelle d'un ou plusieurs des éléments suivants : vitesse de la lumière , constante de Planck , permittivité du vide et charge élémentaire , puisque . ${\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{2\epsilon _{0}ch}}}$

Vitesse de la lumière

Constante de gravitation

La constante gravitationnelle G est difficile à mesurer avec précision, et des mesures contradictoires dans les années 2000 ont inspiré les suggestions controversées d'une variation périodique de sa valeur dans un article de 2015. Cependant, bien que sa valeur ne soit pas connue avec une grande précision, la possibilité d'observer des supernovae de type Ia qui se sont produites dans le passé lointain de l'univers, associée à l'hypothèse que la physique impliquée dans ces événements est universelle, permet une limite supérieure de moins de 10 ⁻¹⁰ par an pour la constante gravitationnelle au cours des neuf derniers milliards d'années.

En tant que grandeur dimensionnelle, la valeur de la constante gravitationnelle et sa variation possible dépendront du choix des unités ; en unités de Planck , par exemple, sa valeur est fixée à G = 1 par définition. Un test significatif sur la variation temporelle de G nécessiterait une comparaison avec une force non gravitationnelle pour obtenir une quantité sans dimension, par exemple à travers le rapport de la force gravitationnelle à la force électrostatique entre deux électrons, qui à son tour est liée à l' amende sans dimension -constante de structure .

Rapport de masse proton-électron

Une borne supérieure de l'évolution du rapport de masse proton-électron a été placée à 10 ^-7 sur une période de 7 milliards d'années (ou 10 ^-16 par an) dans une étude de 2012 basée sur l'observation de méthanol dans un lointain galaxie.

Constante cosmologique

La constante cosmologique est une mesure de la densité énergétique du vide . Il a été mesuré pour la première fois et s'est avéré avoir une valeur positive dans les années 1990. Il est actuellement (à partir de 2015) estimé à 10 ^-122 dans les unités de Planck . Les variations possibles de la constante cosmologique au cours du temps ou de l'espace ne se prêtent pas à l'observation, mais il a été noté qu'en unités de Planck, sa valeur mesurée est suggestivement proche de l'inverse de l' âge de l'univers au carré, Λ ≈ T ⁻² . Barrow et Shaw ont proposé une théorie modifiée dans laquelle est un champ évoluant de telle manière que sa valeur reste Λ ~ T ⁻² tout au long de l'histoire de l'univers.

Voir également

• Hypothèse des grands nombres de Dirac

Les références

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