Leçons de niveau 14

Outils mathématiques pour la physique - bis (PCSI)/Théorème d'Emmy Nœther

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Outils mathématiques pour la physique - bis (PCSI)/Théorème d'Emmy Nœther
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     Après une introduction rapide de la notion de « groupe de symétrie », on développera le théorème de Nœther [1] liant l'invariance de lois physiques par transformation d'un groupe de symétrie à la conservation d'une grandeur physique [2].

Notion de groupe et de morphisme[modifier | modifier le wikicode]

Structure de groupe[modifier | modifier le wikicode]

     Un groupe est un ensemble c.-à-d. non vide, muni d'une loi de composition interne que nous noterons ,

  • associative c.-à-d. telle que permettant de définir sans ambiguïté ,
  • possédant un élément neutre c.-à-d. telle que et
  • telle qu'elle associe un élément symétrique à tout élément c.-à-d. telle que .

     Propriétés : l'élément neutre est unique et il existe un unique symétrique pour chaque élément de  ;

     Propriétés : tout élément de est « régulier » ou « simplifiable » c.-à-d. que si alors  ;

     Propriétés : un groupe n'est pas nécessairement commutatif c.-à-d. qu'il est possible que .

Morphisme de groupes[modifier | modifier le wikicode]

     Une fonction entre deux groupes et munis respectivement de la loi de composition interne et est un morphisme de groupes si

l'égalité «» est valable ;

     cette définition a pour conséquence que le résultat reste le même si on utilise la loi de composition interne adaptée avant ou après avoir appliqué le morphisme de groupes,

  • avant d'appliquer le morphisme de groupes cela donnant et
  • après avoir appliqué le morphisme de groupes cela donnant c.-à-d. le même résultat.

     Propriétés : l'image de l'élément neutre du groupe est l'élément neutre du groupe c.-à-d. «» [3] et

     Propriétés : l'image du symétrique d'un élément quelconque du groupe est le symétrique de l'image de cet élément quelconque, laquelle est un élément décrivant le groupe , c.-à-d. « » [4].

Groupes isomorphes, isomorphisme entre groupes[modifier | modifier le wikicode]

     Deux groupes et sont dits isomorphes s'il existe deux morphismes de groupes tels que leur composé donne l'identité quel que soit l'ordre d'application

c.-à-d. si «» ou si «»,
« et étant respectivement les identités des groupes et ».

     Les deux morphismes de groupes sont alors inverses l'un de l'autre à gauche et à droite,
        Les deux morphismes de groupes réalisant chacun une bijection entre les deux groupes et définissant un isomorphisme de groupes entre ces derniers.

Endomorphisme d'un groupe[modifier | modifier le wikicode]

     Un morphisme du groupe sur lui-même constitue un endomorphisme du groupe , c.-à-d. que

« l'égalité » est valable ;

     cette définition a pour conséquence que le résultat reste le même si on utilise la loi de composition interne avant ou après avoir appliqué l'endomorphisme,

  • avant d'appliquer l'endomorphisme cela donnant et
  • après avoir appliqué l'endomorphisme cela donnant c.-à-d. le même résultat.

     Propriétés : l'image de l'élément neutre du groupe est l'élément neutre de ce dernier c.-à-d. «» [5] et

     Propriétés : l'image du symétrique d'un élément quelconque du groupe est le symétrique de l'image de cet élément quelconque, c.-à-d. «» [6].

Automorphisme d'un groupe[modifier | modifier le wikicode]

     Deux endomorphismes du groupe sur lui-même, inverses l'un de l'autre à gauche et à droite,
       Deux endomorphismes réalisent, pour chacun d'entre eux, une bijection sur ce groupe et définit un automorphisme de groupe sur ce dernier ;

     on peut également dire qu'un automorphisme sur un groupe est un endomorphisme de ce groupe qui est aussi un isomorphisme de groupes sur ce dernier

c.-à-d. « si est un automorphisme de »,
« automorphisme inverse à gauche et à droite de »
tel que «».

Groupes de symétries en physique[modifier | modifier le wikicode]

1ers exemples de symétries en physique classique[modifier | modifier le wikicode]

     On se propose de chercher quelle est l'influence de certaines transformations de l'espace temps dans certains contextes par exemple :

  • quelle est l'influence d'une translation d'espace ? Dans le cas où on étudie une grandeur physique homogène, celle-ci n'est pas modifiée par translation de l'espace
  • quelle est l'influence d'une translation de temps ? Dans le cas où on étudie une grandeur physique stationnaire, celle-ci n'est pas modifiée par translation du temps
  • quelle est l'influence d'une rotation d'espace ? Dans le cas où on étudie une grandeur physique isotrope, celle-ci n'est pas modifiée par rotation dans l'espace

     Toutes ces transformations de l'espace temps sont des exemples de symétries en physique classique, ces exemples étant caractérisés par un ou des paramètres pouvant varier continûment [7] constituent des symétries continues de l'espace temps ;

     tous ces exemples de symétries en physique classique correspondant à une même transformation en tous les points de l'espace temps constituent des symétries globales de ce dernier.

Dans ce qui suit nous nous limiterons aux symétries continues et globales de l'espace temps.

Groupes de symétries de l'espace temps[modifier | modifier le wikicode]

Angles d'Euler [8] ; le système fixe est indiqué en noir , le système mobile en rouge et la ligne des nœuds en bleu

     « Si un ensemble de symétries continues et globales correspondant à des transformations particulières de l'espace temps ensemble muni de la loi de composition de ces transformations particulières est un groupe », celui-ci définit un « groupe de symétries de l'espace temps ».

     Exemples de groupes de symétries de l'espace temps :

  • « groupe de translations d'espace » l'élément neutre étant la translation de vecteur nul, l'élément symétrique de la translation de vecteur étant la translation de vecteur ,
  • « groupe de translations de temps » l'élément neutre étant la translation de décalage horaire nul, l'élément symétrique de la translation d'avance étant la translation de retard et
  • « groupe de rotations d'espace » l'élément neutre étant la rotation de précession, nutation et rotation propre tous nuls, l'élément symétrique de la rotation d'angles d'Euler étant la rotation d'angles d'Euler , voir la définition des angles d'Euler sur le schéma ci-contre et dans la note « 8 » de ce chapitre.

     Remarque : dans le cas où les symétries envisagées sont appliquées à un groupe muni de la loi de composition interne , on peut encore « définir un groupe de symétries de comme un groupe d'automorphismes du groupe ».

Énoncé du théorème d'Emmy Nœther[modifier | modifier le wikicode]

Début d’un théorème
Fin du théorème

     Remarques : il est important de préciser le contexte d'utilisation de ce théorème car il existe évidemment des cas où l'invariance d'une loi physique réalisée en absence d'un objet particulier
     Remarques : il est important de préciser le contexte d'utilisation de ce théorème car il existe évidemment des cas où l'invariance d'une loi physique n'est plus valable si cet objet est présent :
     Remarques : en un lieu vide de matière on peut considérer que l'espace temps est invariant par translation d'espace mais
     Remarques : s'il y a un corps céleste, la loi de gravitation de Newton en restant hors relativité générale implique que l'espace temps n'est plus invariant par translation d'espace.

     Remarques : Les exemples de validité de ce théorème seront donnés dans les leçons « Mécanique 1 (PCSI) » et « Mécanique 2 (PCSI) ».

Notes et références[modifier | modifier le wikicode]

  1. Emmy Nœther (1882 – 1935) mathématicienne allemande, spécialiste d'algèbre abstraite et de physique théorique à qui on doit, dans le domaine algébrique, de nombreuses contributions fondamentales comme celles sur la théorie des algèbres et, dans le domaine physique, le théorème portant son nom, théorème démontré en et publié en dont l'importance est considérée comme aussi grande que celle de la théorie de la relativité ;
       Albert Einstein (1879 - 1955) physicien théoricien d'origine allemande, devenu apatride en puis suisse en  ; on lui doit la théorie de la relativité restreinte publiée en , la relativité générale en ainsi que bien d'autres avancées dans le domaine de la mécanique quantique et la cosmologie ; il a reçu le prix Nobel de physique en pour son explication de l'effet photoélectrique disait qu'elle était « le génie mathématique créatif le plus considérable produit depuis que les femmes ont eu accès aux études supérieures ».
  2. Ce théorème étant une notion de mathématiques applicable à la physique et n'étant pas du programme de physique de P.C.S.I. est traité dans la leçon « Outils mathématiques pour la physique - bis (PCSI) » et est à considérer comme complément.
  3. En effet on a «, » «» d'une part avec «» d'autre part «» dont nous déduisons, par unicité de l'élément neutre de , «».
  4. En effet on a «, tel que » «» d'une part avec «» d'autre part dont nous déduisons «» ou, avec , «» soit, par unicité du symétrique de tout élément de , «».
  5. En effet on a «, » «» d'une part avec «» d'autre part «» dont nous déduisons, par unicité de l'élément neutre de , «».
  6. En effet on a «, tel que » «» d'une part avec «» d'autre part dont nous déduisons «» ou, avec , «» soit, par unicité du symétrique de tout élément de , «».
  7. Pour une translation d'espace, il y a trois paramètres qui sont les composantes du vecteur définissant la translation d'espace,
       pour une translation de temps, il y a un paramètre qui est le décalage temporel définissant la translation de temps et
       pour la rotation d'espace, il y a trois paramètres qui sont les angles d'Euler définissant la rotation d'espace ;
       Leonhard Euler (1707 - 1783) mathématicien et physicien suisse qui passa la plus grande partie de sa vie dans l'Empire russe et en Allemagne ; en mathématiques il fit d'importantes découvertes dans des domaines aussi variés que le calcul infinitésimal et la théorie des graphes, il introduisit également une grande partie de la terminologie et de la notation des mathématiques modernes, en particulier pour l'analyse mathématique, comme la notion de fonction mathématique ; il est aussi connu pour ses travaux en mécanique, en dynamique des fluides, en optique et en astronomie.
  8. L'angle correspondant à une rotation autour de définit la précession,
       l'angle correspondant à une rotation autour de définit la nutation et
       l'angle correspondant à une rotation autour de définit la rotation propre.
  9. On rappelle que ce théorème est un complément du programme de physique de P.C.S.I.