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Loi de conservation

En physique, une loi de conservation (rien ne se perd, rien ne se crée) exprime qu'une propriété mesurable particulière d'un système physique isolé reste constante au cours de l'évolution de ce système. La liste suivante est une liste partielle des lois de conservation qui n'ont jamais été prises en défaut :

  • conservation de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (masse y compris) en relativité restreinte ;
  • conservation de la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) de mouvement ;
  • conservation du moment angulaire ;
  • conservation de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire...) électrique ;
  • conservation de la charge de couleur ;
  • conservation du flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus...) magnétique ;
  • conservation du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) baryonique ;
  • conservation du nombre leptonique ;
  • conservation du produit des symétries T, C, P.

Certaines lois de conservation ne sont qu'approximatives, en ce sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du vieillissement, suivi de son...) qu'elles sont légèrement violées par certaines interactions :

  • conservation du spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la...) isotopique (violée par l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) électromagnétique et l'interaction faible) ;
  • conservation de la parité d'espace P  (violée par l'interaction faible) ;
  • conservation de la conjugaison de charge C  (violée par l'interaction faible) ;
  • conservation de la saveur des leptons (violée par l'interaction faible) ;
  • conservation de la saveur des quarks (violée par l'interaction faible) ;
  • conservation du produit CP  (violation par l'interaction faible, mise en évidence sur un seul phénomène).

A titre historique, on peut rappeler la loi de

  • conservation de la masse (Avant de découvrir que la masse est une des formes de l'énergie, les lois de la physique et de la chimie avaient comme principe la conservation de la masse.)

qui fut à la base de la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) et de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) modernes, loi qui a été améliorée par la prise en compte des effets relativistes et de l'énergie de masse (En 1905, Albert Einstein postule que la masse est une des formes que peut prendre l'énergie. Tout système au repos, de masse m, possède ainsi une énergie de masse E donnée par la...), et à ce titre, incluse dans la loi de conservation (En physique, une loi de conservation (rien ne se perd, rien ne se crée) exprime qu'une propriété mesurable particulière d'un système physique isolé reste constante au cours de l'évolution de ce système. La...) de l'énergie.

Le théorème (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une assertion qui peut être établie comme vraie au travers d'un raisonnement...) de Noether exprime l'équivalence qui existe entre les lois de conservation et l'invariance des lois physiques en ce qui concerne certaines transformations (typiquement appelées symétries). Ce théorème ne s'applique qu'aux systèmes descriptibles par un lagrangien (Le lagrangien d'un système dynamique, dont le nom vient de Joseph Louis Lagrange, est une fonction des variables dynamiques qui décrit de manière concise les équations du mouvement du système. Ces dernières s'obtiennent par...). Il existe un théorème analogue pour la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui...) hamiltonienne. Par exemple, l'invariance par translation dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) implique que l'énergie est conservée, l'invariance par translation dans l'espace implique que la quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse d'un objet. La quantité de mouvement d'un système fait partie, avec l'énergie, des valeurs qui se conservent lors des...) est conservée, et l'invariance par rotation dans l'espace implique que le moment angulaire (En physique, le moment angulaire ou moment cinétique est la grandeur physique qui joue un rôle analogue à la quantité de mouvement dans le cas des rotations. Comme le moment angulaire dépend du choix de l'origine (ainsi que du référentiel...) est conservé.

Quelques remarques sur ces notions

On parle improprement de lois de conservation alors qu'il serait plus précis de dire " principe de conservation ". Une loi est une relation établie. Exemple : la relation d'Einstein entre masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) et énergie.

Un principe est un résultat supposé vrai tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) simplement parce qu'aucune expérience n'a jamais démontré que ce résultat est faux. Historiquement, plusieurs fois, la conservation de l'énergie a semblé être mise en défaut... et cela a conduit à la découverte de nouvelles formes d'énergies. C'est le non-respect de la conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie lors de la désintégration radioactive dite bêta qui a conduit à imaginer une particule appelée neutrino supposée emporter la quantité de mouvement manquante et il a fallut des décennies pour confirmer l'existence de cette particule qui n'avait a priori ni charge, ni masse, ni interaction suffisante pour permettre de la détecter. Son existence n'était justifiée que pour pérenniser les " lois de conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie ".

Inversement, certaines lois de conservation tenues pour acquises ont été successivement controuvées par l'expérience : conservation de P et de C simultanément, puis, des années après, conservation de leur produit.

La notion de conservation est relativement simple à comprendre : Si on met dans un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) quelque chose et que l'on ferme bien la boîte, on s'attend, lorsqu’on la rouvrira ultérieurement, à y retrouver ce qu'on y a mis. Ceci en physique s'appelle un principe de conservation. Si on ne retrouve pas exactement ce qu'on y a mis, c'est que une partie a pu entrer ou sortir sous une forme ou une autre ou alors que ce qui manque (ou est en plus) a changé de forme et qu’on ne s'en est pas rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant à la fois des objets et des...) compte : par exemple, l'énergie totale se conserve, mais aucune de ses composantes, énergies chimique, cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.), électrique, thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant...), etc. ne se conserve en général indépendamment des autres.

Ce principe est tellement fort en physique qu’à chaque fois qu'il a paru ne pas être vérifié, cela a conduit à des découvertes importantes : la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie...) a un temps été interprétée comme la réémission de quelque chose qui était reçu de l'extérieur, et l'explication finale est venue de l'équivalence masse-énergie.

L'énergie dans un volume est donc d'office conservée, par principe, et si elle diminue dans le volume, c'est qu'une partie en est sortie... ou qu'elle s'est transformée en une autre forme d'énergie.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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