physique (suite)

À l’heure actuelle, les phénomènes de la physique peuvent être expliqués en considérant quatre types d’interactions entre les particules : la gravitation, extrêmement faible, qui ne se fait sentir à notre échelle, où elle est prépondérante, que parce que sa portée est infinie ; les interactions électromagnétiques ; les interactions nucléaires, responsables des liaisons entre les nucléons ; des interactions faibles, à courte portée, responsables de la radioactivité β, de la désintégration des mésons... À chacune de ces interactions correspond un champ.

Les principes de conservation et la symétrie

Les principes de conservation dominent la physique contemporaine. Certaines grandeurs ne changent pas dans les multiples transformations que l’univers peut subir.

En physique classique, chaque corpuscule possède une masse qui lui est propre, indépendante de la vitesse. La masse d’un système donné est donc constante. En outre, dans un système isolé, il y a conservation de la charge (on ne peut créer une charge positive sans créer en même temps une charge négative équivalente), de la quantité de mouvement, ou impulsion (cela résulte du principe de l’action et de la réaction), du moment cinétique total, de l’énergie totale sous toutes ses formes (gravitationnelle, cinétique, thermique, électrique, chimique, rayonnante...).

En physique moderne, si chaque particule a une masse au repos m₀ qui lui est propre, sa masse instantanée m varie avec la vitesse ; mais, en vertu de l’équivalence de la masse et de l’énergie (E = mc²), on admet encore que la quantité de mouvement, le moment cinétique, la charge et l’énergie totale (dans laquelle intervient la masse) d’un système de particules en interaction entre elles, mais sans interaction avec le reste de l’univers sont constants au cours du temps, quel que soit le référentiel dans lequel on les mesure.

Il existe d’autres grandeurs qui se conservent. C’est ainsi que le nombre de leptons (particules de faible masse telles que les électrons, les neutrinos) et le nombre de baryons (particules lourdes telles que les protons et les neutrons) restent constants dans l’univers, à condition de compter comme négatif le nombre d’antiparticules correspondantes. Par contre, certaines particules sont caractérisées par une grandeur, l’étrangeté, qui se conserve dans les interactions nucléaires ou électromagnétiques, mais qui ne se conserve pas dans les interactions faibles.

Ces postulats de conservation ont leur origine dans les principes de symétrie. Si un système ou phénomène physique présente une certaine symétrie, il doit exister des transformations qui respectent cette symétrie (la rotation d’une sphère autour de son centre conserve sa symétrie) ; les grandeurs physiques qui interviennent dans de telles transformations doivent se conserver. C’est ainsi que la symétrie dans une rotation entraîne la conservation du moment cinétique ; la conservation de la quantité de mouvement linéaire est due à une symétrie de position dans une translation : les résultats d’une expérience ne dépendent pas de l’endroit où celle-ci est faite. La conservation de l’énergie résulte du fait que les phénomènes ne dépendent pas du temps absolu : une expérience faite à des instants différents conduit au même résultat. Enfin, la conservation de la charge correspond à une symétrie conservant le spin isotopique. Cependant, de nombreuses symétries ne sont pas parfaites et ne sont observées que d’une manière approximative.

Les méthodes de la physique

Comme toute science, la physique ne vise pas tant à l’accumulation des connaissances qu’à la coordination de ces connaissances avec le minimum d’idées.

Elle s’est d’abord constituée à l’échelle macroscopique, et les premiers phénomènes étudiés sont ceux que nos sens peuvent révéler sans trop grande extension de leurs possibilités. À ce stade, la physique est avant tout une science d’observation. Observer correctement un phénomène, c’est noter avec exactitude les circonstances qui l’accompagnent, distinguer ce qui, dans ces circonstances, est fondamental et ce qui est accessoire ; pour ce faire, de nombreuses observations sont nécessaires : le fait isolé n’a pas de valeur.

La simple observation est insuffisante ; le physicien interroge la nature, il expérimente, c’est-à-dire crée lui-même le phénomène en simplifiant les conditions dans lesquelles il se produit, en ne faisant varier qu’un paramètre de manière à trouver l’influence de ce facteur. Voici un exemple : ayant accroché une grenouille à son balcon de fer, L. Galvani nota que l’animal présentait des convulsions dès que le crochet qui traversait la moelle épinière venait en contact avec le balcon ; il pensa que le cerveau était générateur d’« électricité animale ». Son élève A. Volta modifia la nature du crochet, constata que l’expérience échouait chaque fois que le crochet et le balcon étaient formés de même métal, et comprit que la source des convulsions était non pas la grenouille, mais le contact de deux métaux différents.

Les lois

La mesure, qui est à la base de toute science, conduit à la loi physique. Les résultats qu’elle apporte sont d’abord traduits en une courbe, qui est l’outil fondamental du physicien. Souvent on est obligé de s’arrêter à ce stade : il ne saurait être question de représenter par une équation simple le cycle d’hystérésis d’un acier quelconque. Pourtant, on cherche à traduire analytiquement la courbe en totalité ou en partie. Remarquons l’arbitraire du choix : les mesures sont toujours entachées d’erreur, et à chacune d’elles correspond non pas un point de la courbe, mais une petite surface représentant le domaine d’incertitude. Les courbes qui traversent ces domaines sont également valables ; celle qui sera adoptée devra satisfaire à la fois aux exigences des mesures et à notre souci de simplicité. C’est en améliorant nos techniques que nous pourrons réduire l’arbitraire et diminuer le domaine d’incertitude. C’est ainsi que l’on peut vérifier la loi de la chute des corps.