Loi de conservation - Définition

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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...) (masse y compris) en relativité restreinte ;
  • conservation de la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de mouvement ;
  • conservation du moment angulaire ;
  • conservation de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) électrique ;
  • conservation de la charge de couleur ;
  • conservation du flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) magnétique ;
  • conservation du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) 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...) qu'elles sont légèrement violées par certaines interactions :

  • conservation du spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) isotopique (violée par l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) 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...)

qui fut à la base de la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) et de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) 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...), 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...) de l'énergie.

Le théorème (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une...) 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 est une fonction des variables dynamiques qui permet...). Il existe un théorème analogue pour la mécanique hamiltonienne (La mécanique hamiltonienne, inventée par Hamilton en 1833, est une reformulation de la...). Par exemple, l'invariance par translation dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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...) 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)...) 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...), 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...) 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.

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