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Sciences · Physique

Les ordres de grandeur

Un ordre de grandeur est la puissance de dix la plus proche d’une valeur. Il permet de comparer des quantités très différentes, du noyau atomique (10⁻¹⁵ m) à l’Univers observable (10²⁷ m).

Mis à jour le 5 min de lecture

Dire que le Soleil est « plus gros » que la Terre ne dit pas grand-chose ; dire qu’il est environ cent fois plus large et trois cent mille fois plus massif donne une image juste. Les ordres de grandeur sont l’outil des physiciens pour raisonner vite, détecter les erreurs de calcul et se représenter des échelles qui dépassent l’intuition. Ils s’écrivent en notation scientifique.

Les longueurs, de l’infiniment petit à l’infiniment grand

Ordre de grandeurObjet
10⁻³⁵ mLongueur de Planck (limite théorique de la physique connue)
10⁻¹⁸ mLimite supérieure de la taille d’un électron ou d’un quark
10⁻¹⁵ mProton, noyau léger (1 femtomètre)
10⁻¹⁰ mAtome (0,1 nanomètre)
10⁻⁹ mPetite molécule ; diamètre de la double hélice d’ADN (2 nm)
10⁻⁷ mVirus (grippe : environ 100 nm)
10⁻⁶ mBactérie (1 à quelques µm) ; longueur d’onde de la lumière visible (0,4 à 0,75 µm)
10⁻⁵ mCellule humaine typique (10 à 30 µm)
10⁻⁴ mÉpaisseur d’un cheveu (≈ 70 µm), d’une feuille de papier
10⁻³ mGrain de sable, fourmi
10⁰ mÊtre humain
10² mGrand arbre (séquoia ≈ 115 m), terrain de football
10³ mPlus haute tour (Burj Khalifa, 828 m)
10⁴ mMont Everest (8 849 m) ; épaisseur de la troposphère
10⁷ mDiamètre de la Terre (12 742 km)
10⁸ mDistance Terre-Lune (3,84 × 10⁸ m)
10⁹ mDiamètre du Soleil (1,39 million de km)
10¹¹ mDistance Terre-Soleil (1,5 × 10¹¹ m)
10¹³ mTaille du système solaire planétaire (Neptune à 4,5 × 10¹² m)
10¹⁶ mAnnée-lumière (9,46 × 10¹⁵ m) ; étoile la plus proche (4 × 10¹⁶ m)
10²¹ mDiamètre de la Voie lactée (≈ 100 000 années-lumière)
10²² mDistance de la galaxie d’Andromède (2,5 millions d’années-lumière)
10²⁷ mDiamètre de l’Univers observable (≈ 93 milliards d’années-lumière)

Environ 62 ordres de grandeur séparent la longueur de Planck du diamètre de l’Univers observable ; l’être humain (10⁰ m) se situe à peu près au milieu de cette échelle.

Les masses

Ordre de grandeurObjet
10⁻³⁰ kgÉlectron (9,1 × 10⁻³¹ kg)
10⁻²⁷ kgProton, atome d’hydrogène (1,67 × 10⁻²⁷ kg)
10⁻¹⁵ kgBactérie
10⁻⁶ kgMoustique (quelques milligrammes)
10⁰ kgLitre d’eau
10² kgÊtre humain
10⁵ kgBaleine bleue (jusqu’à environ 150 tonnes)
10¹⁸ kgMasse de l’atmosphère terrestre (5 × 10¹⁸ kg)
10²² kgLune (7,3 × 10²² kg)
10²⁵ kgTerre (6 × 10²⁴ kg)
10³⁰ kgSoleil (2 × 10³⁰ kg)
10⁴² kgVoie lactée (environ 10¹² masses solaires, matière noire comprise)
10⁵³ kgMatière ordinaire de l’Univers observable (ordre de grandeur)

Les durées

Ordre de grandeurDurée
10⁻⁴⁴ sTemps de Planck
10⁻¹⁵ sPériode d’une onde lumineuse (femtoseconde)
10⁻⁹ sCycle d’horloge d’un processeur à 1 GHz
10⁻⁶ sDurée de vie d’un muon (2,2 µs)
10⁻³ sBattement d’aile d’une mouche
10⁰ sBattement de cœur
10³ sTrajet de la lumière du Soleil à la Terre (≈ 500 s)
10⁵ sUn jour (86 400 s)
10⁷ sUne année (3,16 × 10⁷ s)
10⁹ sVie humaine (80 ans ≈ 2,5 × 10⁹ s)
10¹¹ sHistoire écrite (≈ 5 000 ans)
10¹³ sExistence d'Homo sapiens (≈ 300 000 ans)
10¹⁷ sÂge de la Terre (4,54 milliards d’années) ; âge de l’Univers (13,8 milliards d’années ≈ 4,4 × 10¹⁷ s)

Les énergies

Ordre de grandeurPhénomène
10⁻¹⁹ JPhoton de lumière visible (≈ 2 eV)
10⁰ JSoulever une pomme de 1 m
10³ JUne seconde de fonctionnement d’un radiateur de 2 kW (2 × 10³ J)
10⁶ JUn kilowattheure (3,6 × 10⁶ J) ; une tablette de chocolat (≈ 2 × 10⁶ J)
10⁹ JUn plein d’essence (50 L ≈ 1,7 × 10⁹ J)
10¹⁴ JBombe d’Hiroshima (≈ 15 kilotonnes de TNT ≈ 6 × 10¹³ J)
10²¹ JConsommation mondiale annuelle d’énergie primaire (≈ 6 × 10²⁰ J)
10²⁶ JÉnergie émise par le Soleil chaque seconde (3,8 × 10²⁶ J)

Comment faire une estimation

La méthode, popularisée par le physicien Enrico Fermi, consiste à décomposer une question en facteurs que l’on sait estimer à un facteur 2 ou 3 près, puis à les multiplier. Les erreurs ont tendance à se compenser.

Règles pratiques :

  • multiplier deux puissances de 10, c’est additionner les exposants : 10³ × 10⁵ = 10⁸ ;
  • diviser, c’est les soustraire : 10⁹ / 10³ = 10⁶ ;
  • vérifier systématiquement les unités (voir le Système international) ;
  • un résultat qui s’écarte de plusieurs ordres de grandeur de l’intuition signale souvent une erreur de conversion.

Questions fréquentes

Comment trouver l’ordre de grandeur d’un nombre ?

On l’écrit en notation scientifique a × 10ⁿ. Si a est inférieur à 5 (ou à √10 selon la convention), l’ordre de grandeur est 10ⁿ ; sinon c’est 10ⁿ⁺¹. Par exemple, 7 200 = 7,2 × 10³, d’ordre de grandeur 10⁴.

Quelle est la taille d’un atome par rapport à un cheveu ?

Un cheveu mesure environ 70 µm et un atome environ 0,1 nm : on peut aligner à peu près 700 000 atomes dans l’épaisseur d’un cheveu.

Quelle est la plus petite distance mesurable ?

Les détecteurs d’ondes gravitationnelles mesurent des variations de longueur d’environ 10⁻¹⁸ à 10⁻¹⁹ m. En théorie, la longueur de Planck (1,6 × 10⁻³⁵ m) marque la limite en dessous de laquelle les notions d’espace classiques perdent leur sens.

Qu’est-ce qu’un facteur 10 ?

Une multiplication par 10, soit un ordre de grandeur. « Deux ordres de grandeur » signifie un rapport de 100, « trois » un rapport de 1 000.

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