CHAMP, physique

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Entité décrite par l'ensemble des valeurs d'une grandeur physique, en général à plusieurs composantes, en tous les points de l'espace. D'ordinaire, le champ dépend aussi du temps (évolution du champ). On appelle couramment « champ en un point et au temps t » la valeur de la grandeur prise en un point et un instant déterminés.

On peut classer les champs d'après leur nature physique : champ thermique (température), champ de densité, champ électromagnétique (ensemble des champs électrique et magnétique dans le cas où ils dépendent du temps), champ des déformations (tenseur des déformations), champ de la fonction d'onde en mécanique quantique (solution de l'équation de Schrödinger), champ de la fonction d'onde quantifiée en théorie de la seconde quantification (opérateur d'annihilation d'une particule en un point donné), etc.

On peut également classer les champs d'après la nature mathématique de la fonction représentative, à savoir d'après les propriétés de transformation de cette fonction dans une transformation du système de coordonnées :

champ scalaire ou tensoriel d'ordre zéro (potentiel, température, densité, etc.) ;

champ vectoriel ou tensoriel du premier ordre (champ électrique, champ des vitesses, champ de gravitation, etc.), transformation identique à celle d'un vecteur ;

champ tensoriel d'ordre ⊂ 2 (tenseur des déformations, constante diélectrique locale dans un milieu anisotrope et inhomogène, etc.), transformation identique à celle des produits de 2, 3, ..., n composantes d'un vecteur.

Cette classification n'est d'ailleurs pas exhaustive et, par exemple en mécanique quantique, on rencontre des champs encore plus généraux (spinoriels). Enfin, rien ne s'oppose à des extensions selon lesquelles le champ serait l'ensemble des valeurs de la fonction représentative en tout point et pour tout instant (point de vue de la version quadridimensionnelle de la théorie de la relativité). On peut aussi étendre la notion de champ à un espace à plus de trois dimensions (exemple : la fonction d'onde non quantifiée d'un système à plusieurs particules).

À l'échelle atomique, la physique classique ne connaît, au premier abord, que les champs de forces, les seuls à présenter l'indispensable propriété de la continuité. En fait, en physique classique, la matière apparaît comme constituée de particules et de champs en tant qu'objets distincts. Cette représentation a considérablement évolué au cours du temps dans le sens d'un rapprochement de plus en plus marqué de la notion de champ et de celle de particule, sans qu'on puisse parler toutefois, à l'heure actuelle, d'équivalence ou d'identification totale.

Première étape : champs statiques classiques (champ électrostatique, champ gravitationnel, etc.). Le champ n'est qu'une description possible, non obligatoire, de l'interaction des particules. Elle présente d'ailleurs certains désavantages de principe, puisqu'elle conduit à une énergie totale infinie dans le cas des particules ponctuelles en interaction coulombienne. De toute façon, le champ est une entité subordonnée aux particules qui l'engendrent.

Deuxième étape : champs dynamiques classiques (champ électromagnétique). Le champ acquiert une individualité propre, puisqu'il peut subsister après une hypothétique disparition des particules qui l'ont « émis ».

Troisième étape : champs quantiques. Les interactions des particules élémentaires étant de trois types (fortes, électromagnétiques et faibles), le concept de champ a été développé surtout pour les interactions électromagnétiques. C'est le domaine de l'électrodynamique quantique : le champ électromagnétique est un opérateur depuis Dirac (1927), le système des charges (électrons, positrons) étant décrit par un « opérateur de champ » dans le formalisme de la seconde quantification (Jordan-Wigner, 1928). Il y a pratiquement évanouissement du concept de particule. Le problème des quantités infinies est résolu par un procédé d'élimination obéissant au critère de covariance relativiste (Tomonaga, Schwinger, Feynman, 1946-1949).

Cependant, cette méthode (théorie quantique des champs), encore applicable aux interactions faibles, ne l'est plus aux interactions fortes. L'échec est particulièrement grave, étant donné la prolifération récente des particules élémentaires lourdes (hadrons), en interaction forte entre elles. Comme, d'autre part, la conception plus générale de H [...]

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Pour citer l’article

Viorel SERGIESCO, « CHAMP, physique », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 24 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/champ-physique/