SYMÉTRIES, physique
Les symétries du monde physique sont un aspect remarquable de l'harmonie de l'Univers. Elles offrent aussi une des clés de l'intelligibilité de la matière. D'une variété extrême, elles sont discrètes ou continues et agissent sur des paramètres aussi concrets que la position d'un corps ou aussi abstraits que la phase (au sens des nombres complexes) d'une amplitude quantique. Elles sous-tendent non seulement les propriétés statiques des édifices composites, mais aussi la dynamique des interactions entre les composantes les plus fondamentales. Les variations entre différents degrés de symétrie expliquent les changements d'état de la matière. L'étude des subtiles ruptures de symétrie dues à diverses contraintes affine la compréhension de phénomènes fondamentaux. La description quantitative de ces systèmes physiques nécessite l'emploi d'outils mathématiques particuliers, issus en particulier de la théorie des groupes.
De l'observation des symétries à la théorie des groupes
Dans un article titré « Sur la symétrie des phénomènes physiques » et publié par le Journal de physique en 1894, Pierre Curie affirme que « lorsque certaines causes produisent certains effets, les éléments de symétries des causes doivent se retrouver dans les effets produits ». Si cette hypothèse raisonnable est avérée, il appartient au chercheur de mettre au jour ces éléments de symétries que l'on pourrait qualifier de fondamentales à partir de l'observation de phénomènes naturels et de l'analyse d'expériences soigneusement contrôlées. La cristallographie a certainement été le premier domaine où, bien avant la remarque de Pierre Curie, les observations macroscopiques ont conduit les physiciens à comprendre quelles symétries régnaient à l'échelle microscopique. Les travaux des précurseurs que furent par exemple Robert Hooke et Christiaan Huygens au xviie siècle amenèrent les premières classifications scientifiques des réseaux cristallins réalisés par la nature, par René Just Haüy en 1781 et Auguste Bravais en 1843.
Les relations fécondes entre les mathématiques et la physique ont permis de mieux tirer parti de ces observations. Dans un premier temps, la compréhension du concept de symétrie en géométrie a permis d'être plus précis sur la notion d'état symétrique d'un système physique. Une figure (par exemple un certain nombre de points) est dite symétrique par rapport à une transformation (par exemple une rotation de 90 degrés autour d'un point) si elle est inchangée lorsque cette transformation a été appliquée à chacun de ses éléments. On dit alors que cette transformation est une symétrie de la figure géométrique. On remarquera que cette définition est un peu différente de l'usage courant du mot symétrique : « on voit notre symétrique dans un miroir » se traduit par « on voit le transformé de notre corps par une réflexion sur un plan » ; de plus, comme notre corps n'est pas inchangé dans cette transformation puisque ce qui est à gauche apparaît à droite dans l'image et réciproquement, cette opération sur notre corps n'est pas en fait une opération de symétrie.
Il existe deux grands types de symétrie : les symétries discrètes et les symétries continues. Dans chacun de ces types, les transformations peuvent agir sur des quantités géométriques (la position, l'orientation, la date...) ou sur des quantités abstraites liées à une description théorique (l'isospin d'un quark, la phase d'une fonction d'onde...). Dans tous les cas, l'outil mathématique essentiel à la compréhension du concept de symétrie est la théorie des groupes. Ce domaine des mathématiques a été développé au xixe siècle par de nombreux travaux dont les plus novateurs sont ceux d'Évariste Galois (1830) et[...]
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Écrit par
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
Classification
Pour citer cet article
Bernard PIRE. SYMÉTRIES, physique [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )
Autres références
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SYMÉTRIE CP VIOLATION DE LA
- Écrit par Bernard PIRE
- 398 mots
L' observation d'un mode de désintégration particulier d'un méson K neutre montre en 1964 qu'une symétrie liant matière et antimatière n'est pas respectée par la nature. Les années 1950 et 1960 étaient riches en découvertes de nouvelles particules élémentaires ; après...
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ANTIMATIÈRE
- Écrit par Bernard PIRE, Jean-Marc RICHARD
- 6 931 mots
- 4 médias
On a longtemps cru qu'il y avait une parfaite symétrie entre matière et antimatière. En termes plus formels, si C est l'opérateur, dit « conjugaison de charge », qui transforme une particule p en son antiparticule p̄, soit C | p > = | p̄ >, ou qui transforme un système composé de matière... -
AXIONS
- Écrit par Bernard PIRE
- 2 118 mots
- 2 médias
L’étude des transformations qui laissent invariant un système physique – ce qu’on appelle ses symétries – est primordiale dans la construction d’une théorie physique. L’analyse des propriétés de symétrie des interactions fortes décrites par une version quelconque de la QCD révèle rapidement une difficulté... -
BELL JOHN STEWART (1928-1990)
- Écrit par Maurice JACOB
- 810 mots
Le physicien théoricien britannique John Stewart Bell a marqué par ses travaux le domaine de la mécanique quantique.
Né à Belfast le 28 juillet 1928, John Stewart Bell, d'origine modeste, doit travailler dès l'âge de seize ans comme assistant de laboratoire. Il gravit cependant assez vite tous les...
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BOSONS ET FERMIONS
- Écrit par Bernard PIRE
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...adéquat d’unités qui conduit à h/2π = 1, on écrit souvent qu’ils sont de spin 1). Les bosons de Higgs, particules comprises comme les traces d’une symétrie spontanément brisée ont quant à eux un spin nul. S’ils existent, les gravitons – messagers quantiques de la gravitation – seraient des bosons... - Afficher les 37 références
Voir aussi
- CONSERVATION LOIS DE, physique
- SUPERSYMÉTRIE
- PHASE TRANSITIONS DE
- NOETHER THÉORÈME DE
- JAUGE INVARIANCE DE
- REPRÉSENTATION D'UN GROUPE
- CURIE PIERRE (1859-1906)
- CRISTALLOGRAPHIE
- ÉNERGIE CONSERVATION DE L'
- FERMIONS
- INVARIANCE, physique
- CPT INVARIANCE
- BOSONS
- CHARGE ÉLECTRIQUE
- NUCLÉONS
- FONCTION D'ONDE
- ANTIPARTICULES
- CRISTALLISATION
- GROUPES D'ESPACE ou GROUPES DE SCHÖNFLIES-FEDOROV
- GRANDE UNIFICATION THÉORIE DE LA
- POINCARÉ GROUPE DE
- ISOSPIN FAIBLE
- PERMUTATION INVARIANCE PAR
- COULEUR, physique des particules
- INTERACTIONS FONDAMENTALES
- CONJUGAISON DE CHARGE, physique
- RENVERSEMENT DU TEMPS
- BRISURE DE SYMÉTRIE
- INTERACTION NUCLÉAIRE FAIBLE
- APPROXIMATION
- UNIFICATION DES FORCES OU DES INTERACTIONS FONDAMENTALES
- INTERACTION NUCLÉAIRE FORTE
- SAVEUR, physique des particules
- PHYSIQUE DES PARTICULES
- ÉLECTROFAIBLE THÉORIE
