PHYSIQUE Les fondements et les méthodes
Les fondements de la physique contemporaine
Le cadre dans lequel se situe la physique contemporaine est celui d'un espace et d'un temps qui sont bien définis pour un observateur déterminé. Si l'on veut s'affranchir de cette référence à l'observation, il est nécessaire de tenir compte de la manière dont les mesures de distance et de temps sont affectées par le mouvement des appareils de mesure, ce qui se fait naturellement dans le cadre plus large de l' espace-temps.
Pour des distances et des temps de l'ordre de ceux que l'on rencontre dans les laboratoires (y compris jusqu'ici dans les expériences de physique microscopique), l'espace-temps est celui que décrit la théorie de la relativité restreinte. Cela signifie, en particulier, que l'espace est celui que l'on se représente naturellement et qui est appelé l'espace euclidien.
Il est nécessaire de faire entrer en jeu la courbure de l'espace-temps lorsque l'on s'intéresse à des régions étendues de l'Univers, c'est-à-dire à des distances de l'ordre du milliard d'années de lumière ou à des temps de l'ordre du milliard d'années. Il faut également faire intervenir cette description, donnée par la relativité générale, lorsque l'on considère des champs de gravitation très intenses ou certains raffinements de mesure. La relativité générale constitue donc actuellement le cadre ultime de la description spatio-temporelle, alors que la relativité restreinte, ou bien encore l'espace et le temps « ordinaires », en sont des formes limites valables dans une approximation bien déterminée (c'est-à-dire, respectivement, lorsque les effets de gravitation sont faibles et lorsque toutes les vitesses considérées sont petites par rapport à celle de la lumière).
Dans ce cadre de l'espace-temps, on observe et on décrit des objets physiques qui apparaissent, selon les cas, comme des assemblages de particules ou, ce qui revient essentiellement au même, comme des champs tels que les champs électrique et magnétique.
La description de l'état de ces systèmes se fait grâce à la mécanique quantique. Celle-ci constitue un cadre logique et un ensemble de formes mathématiques qui représentent correctement les systèmes de particules. La mécanique quantique traite des probabilités de l'observation et de la mesure, et elle comporte intrinsèquement, comme on l'a vu, des conditions d'incertitude. Cela n'implique pas pour autant la moindre liberté dans le formalisme, qui contient tout ce qui peut être connu en principe d'un système (cependant, la mécanique quantique définit une forme des lois physiques et non pas la totalité du contenu de ces lois). Par analogie avec la mécanique newtonienne, on pourrait dire que la relation F = mγ, entre la force et l'accélération, est une forme des lois de la dynamique, mais que, pour en préciser le contenu, il faut donner en plus la valeur de la force. Si, par exemple, F est la force gravitationnelle qui s'exerce entre deux corps célestes, on dira que c'est une force d'interaction. De même, il est nécessaire, pour donner un contenu à la mécanique quantique, de connaître l'interaction des particules, ce sur quoi on reviendra.
Auparavant, il est bon de mentionner une conséquence importante du cadre ainsi posé. La description de l'espace-temps par la relativité restreinte et la mécanique quantique entraîne nécessairement qu'un certain nombre de quantités demeurent inchangées au cours du temps, dans un système de référence donné, quels que soient les phénomènes qui affectent le système physique. Ces lois de conservation sont celles de l'énergie, de l'impulsion et du moment cinétique. La raison essentielle de leur existence se trouve dans l'homogénéité du temps (toutes les horloges dans le système marquent le même temps), l'homogénéité[...]
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Écrit par
- Roland OMNÈS : professeur à l'université de Paris-Sud, Orsay, doyen de la faculté d'Orsay
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