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 (masse y compris) en relativité restreinte ;
  • conservation de la quantité de mouvement ;
  • conservation du moment angulaire ;
  • conservation de la charge électrique ;
  • conservation de la charge de couleur ;
  • conservation du flux magnétique ;
  • conservation du 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 qu'elles sont légèrement violées par certaines interactions :

  • conservation du spin isotopique (violée par l'interaction 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

qui fut à la base de la chimie et de la physique modernes, loi qui a été améliorée par la prise en compte des effets relativistes et de l'énergie de masse, et à ce titre, incluse dans la loi de conservation de l'énergie.

Le théorème 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. Il existe un théorème analogue pour la mécanique hamiltonienne. Par exemple, l'invariance par translation dans le temps implique que l'énergie est conservée, l'invariance par translation dans l'espace implique que la quantité de mouvement est conservée, et l'invariance par rotation dans l'espace implique que le moment angulaire 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 et énergie.

Un principe est un résultat supposé vrai tout 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 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 compte : par exemple, l'énergie totale se conserve, mais aucune de ses composantes, énergies chimique, cinétique, électrique, thermique, 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 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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