Système d'unités naturelles

En physique, un système d'unités naturelles, noté SUN, est un système d'unités fondé 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 :

• $c$ : la vitesse de la lumière, pour la valeur de la vitesse ;
• $\hbar$ : la constante de Planck réduite, pour l'action ;
• $m_{e}$ : la masse de l'électron, pour la masse.

Règle de Wheeler

La règle de Wheeler énonce que dans un système d'unités convenablement choisi, les constantes sans dimension valent 1 (ou sont proches de l'unité en ordre de grandeur ; notamment, il peut s'agit d'un multiple de $2\pi$).

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.

Précautions

Insistons sur le fait qu'il faut d'abord connaitre 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 (6 août 1945), Taylor constata que le rayon de la boule ne croissait pas linéairement avec le temps, mais plutôt comme $t^{2/5}$. Soit $E_{0}$ l'énergie de la boule de feu et $\rho$ 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 :
  • $E_{0}\simeq {\dfrac {1}{2}}mv^{2}\sim (\rho r^{3})\left({\dfrac {r}{t}}\right)^{2}$, soit : $r\sim t^{2/5}\left({\dfrac {E_{0}}{\rho }}\right)^{1/5}$
  • À partir des photographies Taylor obtint la valeur de $E_{0}$, 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 utiles 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 : $\omega ^{2}=gk$. Raisonner par analyse dimensionnelle indique alors que la densité spectrale de puissance sera telle que $S_{grav}\sim \rho ^{-1/3}g\epsilon ^{1/3}\omega ^{-4}$, ce qui est mesurable expérimentalement. En revanche, si les ondes de surface considérées sont des ondes de capillarité, alors la relation de dispersion devient $\omega ^{2}={\dfrac {\gamma }{\rho }}k^{3}$. La densité spectrale de puissance devient alors $S_{cap}\sim \rho ^{-2/3}\gamma ^{1/6}\epsilon ^{1/2}\omega ^{-17/6}$, 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).

Voir aussi

Articles connexes

• Système d'unités atomiques
• Unités de Planck
• Grandeur sans dimension

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)
• Stéphan Fauve (ENS-Paris) Cours analyse dimensionnelle