Système d'unités naturelles

Un système d'unités naturelles, noté SUN, est un système d'unités basé uniquement sur des constantes physiques universelles. Par exemple, la charge élémentaire e est une unité naturelle de charge électrique, et la vitesse de la lumière c est une unité naturelle de vitesse. Un système d'unités purement naturel a toutes ses unités définies de cette façon, ce qui implique que la valeur numérique des constantes physiques sélectionnées, exprimées dans ces unités, vaut exactement 1. Ces constantes sont par conséquent omises des expressions mathématiques des lois physiques, et si cela semble simplifier les choses, cela entraîne une perte de clarté due à la perte d'information nécessaire à l'analyse dimensionnelle. Il y a apparition de grandeurs sans dimension (nombre de Reynolds par exemple en hydrodynamique).

Les trois unités de base d'un système naturel sont : la vitesse de la lumière[1], pour la valeur de la vitesse ; la constante de Planck réduite[2], pour l'action ; et la masse de l'électron, pour la masse[3].

Règle de Wheeler

La règle de Wheeler énonce que dans un système d'unités convenablement choisi, les constantes sans dimension valent 1.

Toute cette attitude, familière au physicien, est attribuable au fait que très rarement, en physique, interviennent de grands nombres (on a malgré tout des qui peuvent arriver) ; ou alors il faut les justifier :

  • par exemple une étoile comme le Soleil contient beaucoup de protons, mais pas tant que cela à « l'échelle » justifiée de N* = 1057 =  ;
  • par exemple aussi, l'indiscernabilité fait intervenir en physique statistique N! qui avec N = 1024 est assez considérable.

Néanmoins, il existe en physique quelques cas où une variation exponentielle intervient : le franchissement d'une barrière de potentiel par effet tunnel (les temps de demi-vie parcourent trente ordres de grandeur) ou par diffusion thermique (les résistivités parcourent aussi quinze ordres de grandeur).
Ou encore le théorème de Nekhoroshev dans la diffusion d'Arnold.

Système d'unités atomiques

Il est le plus familier au physicien-chimiste ; dans l'article système d'unités atomiques a été développée la notion de système de Bohr, et elle a été distinguée du système de Schrödinger ; cela donne une bonne idée de ce que l'analyse dimensionnelle (le scaling ou dimensional units en anglais) peut apporter en physique.

Précaution

Insistons sur le fait qu'il faut d'abord avoir les équations physiques du problème.

  • L'exemple classique est celui de Taylor sur la bombe atomique. L'armée américaine ayant déclassé en 1950 les photographies de la boule de feu d'Hiroshima (), Taylor constata que le rayon de la boule ne croissait pas linéairement avec le temps, mais plutôt comme t2/5[4]. Soit E0 l'énergie de la boule de feu et la masse volumique de l'air. Puisque l'énergie de la boule de feu provient essentiellement du mouvement des gaz chauds déplacés, cette énergie peut être écrite comme suit :
    , soit :
    À partir des photographies Taylor obtint la valeur de E0, avec la règle de Wheeler. Les raisonnements par analyse dimensionnelle nécessitent donc d'isoler au préalable les grandeurs et relations physiques décrivant le système étudié.
  • Les raisonnements par analyse dimensionnelle sont également très utile dans l'étude de la turbulence. À nouveau il faut prendre soin d'isoler les bonnes équations et quantités décrivant le système physique étudié. Ainsi, considérons la relation de dispersion pour des ondes de surface dans le régime de gravité : . Raisonner par analyse dimensionnelle indique alors que la densité spectrale de puissance sera telle que [5] ce qui est mesurable expérimentalement. En revanche, si les ondes de surface considérées sont des ondes de capillarité, alors la relation de dispersion devient . La densité spectrale de puissance devient alors [5], à nouveau vérifié expérimentalement. Cet exemple met en exergue qu'un raisonnement par analyse dimensionnelle ne dispense pas d'isoler la physique du problème considéré, sous peine d'obtenir des résultats incohérents.

Notes et références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Natural units » (voir la liste des auteurs).
  1. https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?c
  2. https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/CCValue?hbar
  3. https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?me
  4. (en) Taylor, Geoffrey Ingram., The formation of a blast wave by a very intense explosion I. Theoretical discussion., Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, i. theoretical discussion. (lire en ligne), pages 159-174.
  5. a et b (en) Eric Falcon, « Laboratory experiments on wave turbulence. », arXiv preprint arXiv:1001.0754,‎ , p. 4-6 (lire en ligne)

Voir aussi

Articles connexes

Bibliographie

  • Barenblatt, Dimensional analysis,
  • Sedov, Analyse dimensionnelle, ed Mir
  • Ibragimov, Symmetries in differential equations, ed CRC
  • Migdal, analyse physique qualitative(ed israel translations)
  • Gitterman & Halpern, qualitative analysis of physical problems, 1981,ed Ac Press
  • Weisskopf : physics is simple (rapport interne du CERN, 1950)
  • Stephan Fauve (ENS-Paris) Cours analyse dimensionnelle