2024-03-31 21:00:00
Il ne fait aucun doute que la symétrie est une caractéristique omniprésente dans le monde, visible aussi bien dans la disposition des pétales d’une fleur que dans la structure cristalline d’une roche. Cependant, même si cela peut paraître purement esthétique ou géométriquejoue un rôle bien plus important dans la physique et la compréhension de la nature.
Et tout au long de l’histoire, les scientifiques ont découvert certaines symétries qui, au-delà d’être simplement agréables à l’œil, sont révélatrices de lois qui gouverner le comportement de l’univers.
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Pourquoi cet effort pour décrire le monde de cette manière ? Eh bien, parce que cela représente une façon de prédire, comprendre et décrire différents phénomènes qui se produisent à toutes les échelles. Si vous le considérez comme une sphère, vous avez devant vous l’exemple ultime de symétrie, ce qui rend extrêmement facile sa description comme un objet.
En physique, les scientifiques tentent trouver des symétries cachées au sein d’effets, de phénomènes, de forces, d’énergies… pour que la description de ceux-ci et la connaissance de leurs propriétés et comportements futurs soient quelque chose de simple et possible.
SYMÉTRIES DANS L’HISTOIRE DES SCIENCES
Le concept de symétrie est né dans la Grèce antique pour désigner une relation de « proportion harmonieuse ». En fait, déjà Aristote a raconté les arguments d’Anaximandre sur l’immobilité de la Terre et, des années plus tard, Archimède Il a utilisé les principes de symétrie dans ses démonstrations d’équilibre corporel.
Dans ces théories, la symétrie a été incorporée comme concept clé pour expliquer les événements observables. Déjà au XVIIe siècle, l’idée d’éléments interchangeables, c’est-à-dire d’éléments qui pouvaient être « tournés » ou « tournés » sans subir de changements dans le système auquel ils appartenaient, a conduit à l’introduction des concepts de symétries axiales et centrales.
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Peinture à l’huile de Miquel March illustrant le physicien et mathématicien grec Archimède de Syracuse, qui a utilisé les principes de symétrie dans ses démonstrations sur l’équilibre du corps.
Avec le XVIIIe siècle, de nombreuses nouvelles techniques d’étude sont arrivées qui nous ont permis d’approfondir certains domaines de recherche, comme cristallographiequi proposait une utilisation mathématisée des symétries, grâce à l’observation détaillée de la distribution des cristaux.
Et ce fut finalement Pierre Curie en 1894 qui propose l’extension des arguments de symétrie à l’étude des phénomènes physiques, introduisant ainsi la notion de groupe et établissant les principes de Curie, qui mettent en évidence la relation entre symétrie et phénomènes physiquessoulignant que la symétrie des effets n’implique pas toujours la symétrie des causes.
SYMÉTRIES EN PHYSIQUE
Cependant,où Les symétries se manifestent-elles en physique ? Eh bien, les exemples les plus clairs se trouvent dans la physique fondamentale, plus particulièrement dans la conservation de l’énergie, dans les lois de Newton et dans les lois de l’électromagnétisme de Maxwell.
D’un côté, La conservation de l’énergie est directement liée à la symétrie temporelle. Selon la loi de conservation, l’énergie totale d’un système reste toujours constante : elle n’est ni créée ni détruite. Cela signifie que les lois de la physique sont les mêmes dans le passé, le présent et le futur.
En d’autres termes, si l’on échangeait les conditions initiales et finales de cet environnement, le résultat de l’expérience ne changerait pas : une symétrie temporelle se produit. Cela reflète une très profonde régularité dans le comportement de l’Univers et est en réalité essentiel pour comprendre l’évolution de tous les systèmes physiques.
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Portrait d’Isaac Newton, créateur des lois du mouvement, directement liées à la symétrie spatiale.
Les lois de Newton, fondamentales pour décrire le mouvement des objets sous l’influence de forces, présentent un autre type de symétrie : spatiale. Cette symétrie implique que les lois de la physique sont invariantes sous les mouvements et les rotations dans l’espace.
Autrement dit, si nous observons une expérience depuis une plate-forme en mouvement, les lois de Newton resteront cohérentes par rapport à s’il n’y avait pas de déplacement. Cette invariance est très importante pour observer, comprendre et prévoir les conséquences de certains mouvements dans l’espace.
Les lois de Maxwell et l’unification de l’électromagnétisme
Enfin, Les équations de Maxwell, qui décrivent le comportement des champs électriques et magnétiques, présentent également certaines symétries fondamentales. Ces équations sont invariantes sous des transformations qui impliquent des changements dans l’échelle des courants électriques ou des rotations dans l’espace.
Autrement dit, le comportement et la propagation des ondes dans l’espace ne varieront pas s’il y a une rotation dans l’espace dans lequel elles se déplacent ou s’il y a des variations dans l’échelle des courants.
FONDAMENTAL ET INDISPENSABLE
Les symétries se positionnent ainsi comme des éléments indispensables en physique, tout comme elles sont des principes directeurs qui donnent structure, ordre et beauté aux théories.
Emmy Noether, la mathématicienne qui a révolutionné l’algèbre
Un lien très intéressant entre les symétries et les lois de la physique est très évident dans le Théorème de Noether, qui établit qu’à chaque symétrie d’un système correspond une loi de conservation : la symétrie temporelle est liée à la conservation de l’énergie et la symétrie spatiale à la conservation de la quantité de mouvement linéaire. C’est une relation qui souligne l’importance des symétries dans la compréhension des régularités de l’Univers.
D’un autre côté, ces symétries ont également des applications pratiques très importantes dans technologie et ingénierie: Comprendre les symétries des équations de Maxwell a aidé à comprendre correctement le comportement des courants et des champs électriques et magnétiques, contribuant ainsi au développement de technologies avancées dans les communications et l’électronique.
De même, l’étude des symétries en physique des particules a été cruciale pour le progrès des technologies médicalescomme l’imagerie par résonance magnétique, qui utilise des principes quantiques pour obtenir des images détaillées de l’intérieur du corps humain.
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