Lois de conservation
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lettre i
Les recherches en physique sont menées par quelques grandes idées directrices. Parmi celles-ci les lois de conservation en sont des plus fécondes. Il s'agit de déterminer quelles sont les grandeurs qui peuvent se conserver lors d'une réaction donnée : ce seront des guides précieux pour tirer des conclusions à partir de conditions initiales données.
Contraintes d'espace-temps
Les réactions de tout type concernant un système fermé (plusieurs particules lors d'un choc, une fusée et les gaz éjectés) vérifient quelques lois fondamentales aussi bien en mécanique classique qu'en relativité restreinte, qui sont la conservation de l'énergie, celle de l'impulsion et celle du moment cinétique.
Ces lois sont des conséquences de symétries qui paraissent naturelles tant les scientifiques ont l'habitude de les côtoyer :
- la conservation de l'énergie est liée à la symétrie par translation de l'origine du temps du référentiel dans lequel on décrit le phénomène,
- la conservation de l'impulsion est liée à la symétrie par translation d'espace (position de l'origine arbitraire du référentiel),
- la conservation du moment cinétique est liée à la symétrie par rotation des axes. Il faut noter que dans le cadre de la mécanique quantique, c'est le moment cinétique total qui intervient, compte tenu du moment de spin.
Conservations et interactions
Outre ces lois générales, on note des conservations plus spécifiques aux diverses interactions que sont l'interaction électromagnétique, l'interaction forte, et l'interaction faible. En pratique ces lois de conservation portent sur des grandeurs qui vont dépendre de l'étape de description de l'univers à laquelle on s'attache : grande unification, interaction électrofaible ou à l'étape actuelle de la matière ordinaire.
En pratique, pour notre univers actuel où les interactions apparaissent bien découplées, sont conservées avec une très grande précision :
- la charge électrique, le nombre baryonique et les nombres leptoniques,
- le spin isotopique, pour l'interaction forte,
- la parité, pour les interactions électromagnétique et forte,
- le nombre quantique de conjugaison de charge, pour les interactions électromagnétiques et fortes,
- le nombre de quarks, pour les trois interactions,
- la saveur des quarks, pour les interactions électromagnétiques et fortes.
A ces interactions, la théorie physique associe des symétries analysées dans les théories de jauge.
Le théorème CPT
La physique théorique a mis en évidence le théorème CPT (conjugaison de charge, parité, renversement du temps) : une réaction mettant en œuvre des particules de parités données étant observée dans l'univers, la réaction transformée par l'ensemble des opérations C (travail sur les antiparticules correspondantes), P (travail sur les particules de parités opposées), T (réaction inversant les particules entrantes et particules finales) peut être obervée dans l'univers.
La violation du produit CP par certaines réactions d'interaction faible implique alors que certaines réactions ne sont pas T invariantes. Ce qui a de grandes conséquences sur le contenu de l'univers, quant à la balance des nombres respectifs des particules et des antiparticules.