« Si vous êtes un fan de la série Netflix « Stranger Things », vous avez vu la scène climatique de la troisième saison, dans laquelle Dustin tente de cajoler sa petite amie intelligente Suzie sur une connexion radio pour lui dire la valeur précise de quelque chose appelé la constante de Planck, qui se trouve également être le code pour ouvrir un coffre-fort contenant les clés nécessaires pour fermer la porte à un univers alternatif malveillant.
Mais avant que Suzie ne récite le nombre magique, elle exige un prix élevé: Dustin doit chanter la chanson thème du film « The NeverEnding Story. »
Tout cela vous a peut-être amené à vous demander : Quelle est exactement la constante de Planck, de toute façon?
La constante — imaginée en 1900 par un physicien allemand du nom de Max Planck, qui remportera le prix Nobel en 1918 pour ses travaux — est un élément crucial de la mécanique quantique, la branche de la physique qui traite des minuscules particules qui composent la matière et des forces impliquées dans leurs interactions. Des puces informatiques aux panneaux solaires en passant par les lasers, » c’est la physique qui explique comment tout fonctionne. »
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Le Monde invisible de l’Ultrasmall
Planck et d’autres physiciens à la fin des années 1800 et au début des années 1900 essayaient de comprendre la différence entre la mécanique classique — c’est—à-dire le mouvement des corps dans le monde observable qui nous entoure, décrit par Sir Isaac Newton à la fin des années 1600 – et un monde invisible de l’ultrasmall, où l’énergie se comporte à certains égards comme une onde et à certains égards comme une particule, également connue sous le nom de photon.
« En mécanique quantique, la physique fonctionne différemment de nos expériences dans le monde macroscopique », explique Stephan Schlamminger, physicien à l’Institut National des normes et de la Technologie, par courriel. En guise d’explication, il cite l’exemple d’un oscillateur harmonique familier, un enfant sur un jeu de balançoire.
« En mécanique classique, l’enfant peut être à n’importe quelle amplitude (hauteur) sur le chemin de la balançoire », explique Schlamminger. « L’énergie dont dispose le système est proportionnelle au carré de l’amplitude. Par conséquent, l’enfant peut se balancer à n’importe quelle gamme continue d’énergies de zéro à un certain point. »
Mais quand on arrive au niveau de la mécanique quantique, les choses se comportent différemment. « La quantité d’énergie qu’un oscillateur pourrait avoir est discrète, comme des échelons sur une échelle », explique Schlamminger. « Les niveaux d’énergie sont séparés par h fois f, où f est la fréquence du photon – une particule de lumière – qu’un électron libérerait ou absorberait pour passer d’un niveau d’énergie à un autre. »
Dans cette vidéo de 2016, une autre physicienne du NIST, Darine El Haddad, explique la constante de Planck en utilisant la métaphore de la mise de sucre dans le café. « En mécanique classique, l’énergie est continue, ce qui signifie que si je prends mon distributeur de sucre, je peux verser n’importe quelle quantité de sucre dans mon café », dit-elle. « Toute quantité d’énergie est CORRECTE. »
» Mais Max Planck a trouvé quelque chose de très différent quand il a regardé plus profondément, explique-t-elle dans la vidéo. « L’énergie est quantifiée, ou elle est discrète, ce qui signifie que je ne peux ajouter qu’un cube de sucre ou deux ou trois. Seule une certaine quantité d’énergie est autorisée. »
La constante de Planck définit la quantité d’énergie qu’un photon peut transporter, en fonction de la fréquence de l’onde dans laquelle il se déplace.
Le rayonnement électromagnétique et les particules élémentaires « affichent intrinsèquement à la fois les propriétés des particules et des ondes », explique Fred Cooper, professeur externe à l’Institut Santa Fe, un centre de recherche indépendant au Nouveau-Mexique, par courriel. » La constante fondamentale qui relie ces deux aspects de ces entités est la constante de Planck. L’énergie électromagnétique ne peut pas être transférée en continu mais est transférée par des photons discrets de lumière dont l’énergie E est donnée par E = hf, où h est la constante de Planck et f est la fréquence de la lumière. »
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Une constante légèrement changeante
Une des choses déroutantes pour les non-scientifiques à propos de la constante de Planck est que la valeur qui lui est attribuée a changé de très petites quantités au fil du temps. En 1985, la valeur acceptée était h = 6,626176 x 10-34 Joule-secondes. Le calcul actuel, effectué en 2018, est h = 6,62607015 x 10-34 Joule-secondes.
« Bien que ces constantes fondamentales soient fixées dans le tissu de l’univers, nous, les humains, ne connaissons pas leurs valeurs exactes », explique Schlamminger. « Nous devons construire des expériences pour mesurer ces constantes fondamentales au mieux des capacités de l’humanité. Nos connaissances proviennent de quelques expériences qui ont été moyennées pour produire une valeur moyenne pour la constante de Planck. »
Pour mesurer la constante de Planck, les scientifiques ont utilisé deux expériences différentes — la balance des croquettes et la méthode de densité des cristaux de rayons X (XRCD), et au fil du temps, ils ont développé une meilleure compréhension de la façon d’obtenir un nombre plus précis. « Lorsqu’un nouveau nombre est publié, les expérimentateurs mettent en avant leur meilleur nombre ainsi que leur meilleur calcul de l’incertitude de leur mesure », explique Schlamminger. « La valeur vraie, mais inconnue de la constante, devrait, espérons-le, se situer dans l’intervalle de plus / moins l’incertitude autour du nombre publié, avec une certaine probabilité statistique. »À ce stade, »nous sommes convaincus que la vraie valeur n’est pas loin. La balance des croquettes et la méthode XRCD sont si différentes que ce serait une coïncidence majeure que les deux façons s’accordent si bien par hasard. »
Cette petite imprécision dans les calculs des scientifiques n’est pas une grosse affaire dans le schéma des choses. Mais si la constante de Planck était un nombre significativement plus grand ou plus petit, « tout le monde autour de nous serait complètement différent », explique Martin Fraas, professeur adjoint en mathématiques à Virginia Tech, par e-mail. Si la valeur de la constante était augmentée, par exemple, les atomes stables pourraient être plusieurs fois plus gros que les étoiles.
La taille du kilogramme, entrée en vigueur le 20 mai 2019, comme convenu par le Bureau International des Poids et mesures (dont l’acronyme français est BIPM) est désormais basée sur la constante de Planck.
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