Paris 7
PH 443
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THEORIE CLASSIQUE DES CHAMPS
EXAMEN, t0= samedi 14 septembre , 8 h 30
∆t= 3 heures
Seront appr´eci´es : les dessins illustratifs et les commentaires pertinents, mais brefs, en particulier sur
le caract`ere pr´evisible (a posteriori !) de certains r´esultats, et les m´ethodes de v´erification.
Les erreurs de dimension sont impardonnables.
I – TRANSFORMATION SP´
ECIALE DE LORENTZ (1 pt)
Luke, inerte, a une vitesse ~
βpar rapport `a Leia toute aussi inerte. Ils sont tomb´es d’accord pour
utiliser des coordonn´ees en configuration standard, Leia choisissant son axe ˆxselon la vitesse de Luke.
Soit un ´ev´enement quelconque. Quelles sont les relations entre ses coordonn´ees (t, x, y, z) pour Leia et
(t0, x0, y0, z0) pour Luke ?
II – UN PARADOXE (2 pts)
Luke est dans son vaisseau, `a la d´erive, qui se dirige vers son hangar d’entretien `a l’entr´ee duquel se
tient Leia. Le hangar a bien entendu la longueur du vaisseau lorsque celui-ci s’y trouve au repos.
Leia ferme la porte d’entr´ee du hangar lorsque l’arri`ere du vaisseau franchit cette entr´ee, en se disant
que, comme chacun sait, la relativit´e “contracte les longueurs”, et donc que l’avant du vaisseau ne
touche pas encore le fond du hangar. Mais pour Luke aussi, la relativit´e contracte les longueurs,
en particulier celle du hangar, et donc la longueur de son vaisseau exc`ede cette derni`ere (avec les
cons´equences catastrophiques que l’on peut imaginer).
Discutez et d´ebrouillez cette contradiction au moyen d’un graphe d’espace-temps, dans le rep`ere de
Leia par exemple, sur lequel vous repr´esenterez les lignes d’univers de l’entr´ee et du fond du hangar,
de l’avant et de l’arri`ere du vaisseau, et les ´ev´enements que vous jugez notables.
III – “CIN ´
EMATIQUE” (4,5 pts)
1. Rappelez la d´efinition de la quadri-impulsion d’une particule de masse mdont la ligne d’univers est
donn´ee.
2. Quelle est l’utilit´e de cette notion ?
3. Rappelez les identit´es remarquables que v´erifient l’´energie eet l’impulsion ~p d’une particule.
4. Qu’impliquent ces identit´es dans le cas d’une particule qui a la propri´et´e |~p|=e?
5. Leia observe un photon d’´energie edont l’impulsion fait un angle ϑpar rapport `a son axe ˆx. Luke
observe ce mˆeme photon.
i) Quelle est, pour Luke, l’´energie e0de ce mˆeme photon ?
ii ) Toujours pour Luke, calculer le cosinus de l’angle ϑ0de l’impulsion du photon avec l’axe ˆx0.
iii ) Discuter les cas ϑ= 0, ϑ=π/2, et leurs limites `a basse vitesse.
6. Leia souhaite r´ealiser la r´eaction de photoproduction du pion γ+p→p+π0sur une cible de protons
immobiles (de l’hydrog`ene liquide par exemple). La masse du proton est M≈938,3 Mev et celle du π0,
m≈135,0 Mev. Calculer l’´energie que doit avoir le photon au seuil de production du π0.
IV – TRANSFORMATION DU CHAMP ´
ELECTROMAGN´
ETIQUE (2,5 pts)
1. Rappeler la d´efinition du tenseur Fµν du champ ´electromagn´etique en termes du quadripotentiel.
2. En d´eduire les expressions des composantes Fµν en fonction des composantes des champs ´electrique
et magn´etique.
3. En d´eduire les relations donnant les composantes des champs ´electrique et magn´etique, observ´es par
Luke en un ´ev´enement, en fonction des composantes observ´ees par Leia au mˆeme ´ev´enement.
4. Dans une zone o`u, pour Leia, ne r`egne qu’un champ ´electrique −→
Euniforme et constant, parall`ele `a la
vitesse de Luke, quels sont les champs ´electrique et magn´etique observ´es par Luke ?