Les charges électriques - Fondation La main à la pâte

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Les charges électriques
Auteurs
:
Equipe La main à la pâte (plus d'infos)
Résumé
:
Ce document est tiré de l'ouvrage "Le Trésor, dictionnaire des
sciences, Flammarion 1997
Publication
:
1 Avril 1998
.
La charge électrique
Dans le langage courant, le mot charge est synonyme de poids, de fardeau, d'obligation ou
encore de fonction. La physique le prend dans un sens légèrement différent, par exemple
lorsqu'elle parle de charge électrique. La charge électrique est l'attribut de certaines particules
; d'autres, dites électriquement neutres ou de charge électrique nulle, ne portent pas de
charge électrique. L'expression charge électrique proprement dite fut inventée par Benjamin
Franklin au milieu du XIXème siècle après qu'il eut remarqué qu'il existait deux sortes d
'électricité : positive et négative.
Placées dans un champ électrique, les particules dotées d'une charge électrique sont
soumises à une force proportionnelle à cette charge. La charge électrique nous est familière à
cause de ses nombreuses implications dans la vie quotidienne, notamment l'électricité. Cette
célébrité n'est pas usurpée, car la charge électrique est un concept essentiel de la physique :
lors d'une interaction entre particules, les particules finales sont souvent différentes des
particules initiales (et pas nécessairement en même nombre), mais la somme des charges
électriques des particules sortantes est exactement égale à la somme des charges
électriques des particules entrantes. On dit que la charge électrique est conservée, ce qui lui
vaut tous les honneurs. Cette règle fournit un indicateur précieux pour déterminer si telle ou
telle réaction entre particules est a priori possible ou non. Par exemple, un électron, de
charge électrique négative, ne peut pas se désintégrer en deux neutrinos, de charge
électrique nulle, car une telle désintégration ne respecterait pas la conservation de la charge
électrique.
La généralisation du concept de charge
Les particules possèdent d'autres charges, qui se traduisent de façon plus subtile. Ces
charges sont des généralisations du concept de charge électrique. Elles sont des sortes
d'étiquettes, qui déterminent la façon dont les particules peuvent se comporter, par exemple
lors de leur désintégration.
Certaines désintégrations se produisent, tandis que d'autres ne sont jamais observées, alors
même que les lois de la physique (conservation de l'énergie, de la quantité de mouvement, de
Addons
la charge électrique) ne les excluent pas d'emblée. Les physiciens des particules ont de
bonnes raisons de considérer que tout ce qui n'est pas interdit (par les règles habituelles) est
obligatoire. Cela implique que, si une désintégration a priori possible pour une particule ne se
produit pas, c'est que quelque chose l'en empêche. Il est tentant de postuler que ce "quelque
chose" vient de ce qu'une nouvelle règle, mettant en jeu une nouvelle charge, interdirait à la
désintégration d'avoir lieu. Reste à vérifier qu'une telle hypothèse permet de rendre compte
de toutes les observations expérimentales. Si aucune contradiction n'apparaît, c'est que cette
nouvelle charge est sans doute un concept pertinent.
Tout se passe en définitive comme si chaque particule se voyait attribuer un portefeuille
contenant des sommes en devises différentes. Lors de leurs interactions mutuelles, les
particules font des échanges ; de nouvelles particules sont créées, chacune avec son propre
portefeuille. Lorsqu'on fait le bilan, on constate que les sommes dans chaque devise des
particules sortantes sont exactement les mêmes que les sommes des particules entrantes.
L'analyse minutieuse de ce qui est permis ou interdit lors des interactions entre particules a
conduit les physiciens à attribuer aux particules un ensemble de charges qui se ramènent en
fait à des nombres, positifs ou négatifs, affublés de qualificatifs souvent bizarres : nombre
leptonique, nombre baryonique, étrangeté, couleur... Ces nombres s'additionnent
algébriquement. Ils sont soit conservés par chacune des quatre interactions fondamentales
de la physique (c'est le cas de la charge électrique), soit seulement par certaines d'entre
elles. Par exemple, la charge appelée étrangeté est conservée par l'interaction nucléaire forte,
qui assure la cohésion des noyaux atomiques, mais pas par l'interaction nucléaire faible,
responsable notamment de la radioactivité ß par laquelle un neutron se désintègre en un
proton, un électron et une troisième particule appelée antineutrino. Il arrive donc que le
concept de charge n'ait de sens que vis-à-vis d'une interaction donnée.
L'origine profonde des charges que portent les particules n'est pas clairement élucidée. Leur
conservation au cours de certaines interactions se déduit de symétries fort abstraites (non
strictement géométriques), sur lesquelles s'appuient les théories. C'est donc sur l'origine de
ces symétries que le mystère est reporté.
"Le Trésor, dictionnaire des sciences" © Flammarion 1997. Ce texte ne peut être ni
reproduit, ni vendu sans lautorisation de léditeur.
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