Système d'unités de Planck
Les unités de Planck sont des unités de mesure physiques. Le système de ces unités a d'abord été développé par Max Planck. La définition des cinq unités de base de Planck est basée uniquement sur cinq constantes physiques trouvées dans la nature. Lorsque les unités de Planck sont utilisées pour exprimer l'une de ces cinq constantes physiques, la valeur est 1, ce qui permet aux physiciens de simplifier de nombreuses équations relatives à la loi physique. Planck a proposé ces unités en 1899. Elles sont également connues sous le nom d'unités naturelles car l'origine de leur définition provient uniquement des propriétés de la nature et non d'une quelconque construction humaine. Les unités de Planck ne sont qu'un système d'unités naturelles parmi d'autres systèmes. Elles sont considérées comme uniques, car ces unités ne sont pas basées sur les propriétés d'un prototype d'objet ou de particule (qui serait choisi arbitrairement), mais uniquement sur les propriétés de l'espace libre. Les constantes que les unités de Planck, par définition, normalisent à 1 sont les :
Chacune de ces constantes peut être associée à au moins une théorie physique fondamentale : c avec la relativité spéciale, G avec la relativité générale et la loi de Newton sur la gravitation universelle, ħ avec la mécanique quantique, ε0 avec l'électrostatique, et kB avec la mécanique statistique et la thermodynamique. Les unités de Planck sont très importantes pour la physique théorique, car elles simplifient plusieurs expressions algébriques récurrentes de la loi physique. Elles sont particulièrement utiles dans la recherche sur les théories unifiées telles que la gravité quantique.
Les unités de Planck peuvent parfois être qualifiées de façon semi-humaine par les physiciens d'"unités de Dieu". Ils éliminent l'arbitraire centré sur l'homme du système d'unités : certains physiciens soutiennent que la communication avec l'intelligence extraterrestre devrait utiliser un tel système d'unités pour faire une référence commune à l'échelle. Contrairement au mètre et à la seconde, qui existent comme unités fondamentales dans le système SI pour des raisons historiques (dans l'histoire de l'humanité), la longueur de Planck et le temps de Planck sont conceptuellement liés à un niveau physique fondamental.
Les unités naturelles aident les physiciens à recadrer les questions. Frank Wilczek l'explique de manière succincte :
...Nous voyons que la question [posée] n'est pas "Pourquoi la gravité est-elle si faible" mais plutôt "Pourquoi la masse du proton est-elle si petite ? Car en unités naturelles (Planck), la force de gravité est simplement ce qu'elle est, une quantité primaire, tandis que la masse du proton est le nombre minuscule [1/(13 quintillion)]...
La force de la gravité est simplement ce qu'elle est et la force de la force électromagnétique est simplement ce qu'elle est. La force électromagnétique fonctionne sur une quantité physique (charge électrique) différente de la gravité (masse), elle ne peut donc pas être comparée directement à la gravité. Noter que la gravité est une force extrêmement faible est, du point de vue des unités de Planck, comme comparer des pommes et des oranges. Il est vrai que la force de répulsion électrostatique entre deux protons (seuls dans l'espace libre) dépasse largement la force d'attraction gravitationnelle entre les deux mêmes protons, et ce parce que la charge des protons est approximativement l'unité de charge de Planck, mais la masse des protons est bien, bien inférieure à la masse de Planck.
Questions et réponses
Q : Que sont les unités de Planck ?
R : Les unités de Planck sont des unités de mesure physiques développées pour la première fois par Max Planck, sur la base de quatre constantes physiques présentes dans la nature. Lorsqu'elles sont utilisées pour exprimer l'une de ces quatre constantes physiques, leur valeur est de 1.
Q : Sur quoi sont basées les quatre unités de base de Planck ?
R : Les quatre unités de base de Planck sont basées uniquement sur quatre constantes physiques présentes dans la nature, à savoir la vitesse de la lumière dans le vide (c), la constante gravitationnelle (G), la constante de Planck réduite (ħ) et la constante de Boltzmann (kB).
Q : Pourquoi les appelle-t-on unités naturelles ?
R : Elles sont appelées unités naturelles parce qu'elles proviennent uniquement de propriétés de la nature et non d'une construction humaine.
Q : En quoi les unités naturelles aident-elles les physiciens ?
R : Les unités naturelles aident les physiciens à simplifier plusieurs expressions algébriques récurrentes des lois physiques et à recadrer les questions. Elles éliminent également l'arbitraire humain du système d'unités.
Q : Quelles sont les théories associées à chacune de ces constantes ?
R : La relativité restreinte est associée à c, la relativité générale et la loi de Newton sur la gravitation universelle sont associées à G, la mécanique quantique est associée à ħ, l'électrostatique est associée à ε0 et la mécanique statistique et la thermodynamique sont associées à kB.
Q : Pourquoi les unités de Planck sont-elles parfois appelées de façon semi-humoristique "unités de Dieu" ?
R : On les appelle "unités de Dieu" parce qu'elles éliminent l'arbitraire humain du système d'unités et que certains physiciens soutiennent que la communication avec des intelligences extraterrestres devrait utiliser un tel système d'unités pour faire une référence commune à l'échelle.
