3
7.1 Introduction
La rotation intervient `a toutes les ´echelles, du mouvement de l’´electron dans
les atomes au mouvement des ´etoiles dans les galaxies. La plupart des corps
ont des mouvements de translation et de rotation. En fait, tout mouvement
peut-ˆetre d´ecompos´e en une somme de translations et de rotations.
Dans ce chapitre relativement court, nous nous int´eressons au mouvement
de rotation d’un point mat´eriel. La rotation d’un ensemble de points ou d’un
corps rigide autour de son centre de gravit´e peut ˆetre ´etudi´ee dans un cours de
m´ecanique des solides. Les notions que nous allons introduire ici sont
indispensables `a la compr´ehension de la physique du solide mais aussi `a celle
des interactions fondamentales. En particulier, la conservation du moment
cin´etique joue un rˆole crucial dans la dynamique des forces fondamentales qui
interviennent dans la plupart des domaines de la physique.
Pr´ec´edemment, nous avons mentionn´e que les propri´et´es d’invariance par trans-
lation des ´equations de la dynamique amenaient `a la conservation de certaines
quantit´es physiques. L’homog´en´eit´e du temps, ou invariance par translation
dans le temps, ´etait associ´ee `a la conservation de l’´energie. L’´energie est une
grandeur scalaire, ce qui correspond `a la conservation d’un unique nombre.
L’homog´en´eit´e de l’espace, ou invariance par translation spatiale, ´etait associ´ee
`a la conservation de l’impulsion. L’impulsion est une grandeur vectorielle, ce qui
correspond `a la conservation de trois nombres car l’espace a trois dimensions.
Cette multi-dimensionnalit´e de l’espace conduit `a une nouvelle propri´et´e
appel´ee «isotropie de l’espace », qui traduit le fait qu’il n’existe pas de direc-
tion privil´egi´ee dans l’espace. En vulgarisant, on peut dire que si une exp´erience
physique donne un certain r´esultat, une exp´erience similaire o`u l’on «tourne »
l’ensemble du dispositif exp´erimental fournira le mˆeme r´esultat. Cette propri´et´e,
non intuitive, des ph´enom`enes de rotation li´ee `a l’isotropie de l’espace am`ene
`a la conservation d’une nouvelle quantit´e appel´ee «moment cin´etique »ou
«moment angulaire ». Le moment cin´etique est un vecteur et sa conservation
correspond donc `a la constance de trois nombres.
En fait, la situation est encore plus complexe si l’on rentre dans le monde
microscopique ou dans celui de la physique th´eorique/math´ematique. Il existe
une nuance importante entre le moment cin´etique et le moment angulaire. Par
exemple, au niveau microscopique, il apparaˆıt que les particules ´el´ementaires
poss`edent en plus de leurs propri´et´es intrins`eques de masse et de charges (´elec-
triques et «nucl´eaires »), une autre propri´et´e appel´ee «spin »qui est un
moment cin´etique intrins`eque, que l’on vulgarise souvent en disant que les ´elec-
trons et autres particules ´el´ementaires tournent sur elles-mˆemes afin d’associer
une image `a notre ignorance. Les particules ´el´ementaires ´etant suppos´ees ˆetre
ponctuelles (dimension 0) cette rotation sur soi-mˆeme n’a aucun sens.
Cependant, le spin est mesurable et est associ´e `a plusieurs propri´et´es
fondamentales, comme les propri´et´es magn´etiques qui se manifestent lorsque
les particules sont plong´ees dans un champ magn´etique, ou comme les propri´e-
t´es «statistiques »associ´ees `a la notion de «superposition des ´etats »stipulant
qu’on peut «empiler »des photons (spin entier) mais pas des ´electrons (spin