Quadri-moment

généralisation du moment linéaire tridimensionnel en théorie quantique des champs

En relativité restreinte, le quadrimoment[1], quadri-moment[2] (ou quadrivecteur impulsion[2] ou quadri-impulsion[3] ou quadrivecteur impulsion-énergie[4] ou quadrivecteur énergie-impulsion[5]) est une généralisation du moment linéaire tridimensionnel de la physique classique sous la forme d'un quadrivecteur de l'espace de Minkowski, espace-temps à 4 dimensions de la relativité restreinte.

Le quadri-moment d'une particule combine le moment tridimensionnel p→=(px,py,pz) et d'énergie E :

(p0p1p2p3)=(E/cpxpypz)=(γmcγmvxγmvyγmvz).

Comme tout quadrivecteur, il est covariant, c'est-à-dire que les changements de ses coordonnées lors d'un changement de référentiel inertiel se calculent à l'aide des transformations de Lorentz.

Dans une base donnée de l'espace-temps de Minkowski, ses coordonnées sont notées  (p0;p1;p2;p3), dans la base covariante associée, ses coordonnées sont notées  (p0;p1;p2;p3) et sont telles que  pi=ηij.pj.

En relativité restreinte, l'énergie et la quantité de mouvement d'une particule sont les composantes d'un unique quadrivecteur[6],[7],[8],[9] (4-vecteur). Il est surtout connu comme le quadrivecteur énergie-impulsion[N 1] (4-vecteur énergie-impulsion). Il est noté p[N 2].

La 4-impulsion d'une particule est un 4-vecteur tangent à la ligne d'univers de la particule[17] et orienté vers le futur[17],[18] ; il est de genre temps dans le cas d'une particule massive[18],[19],[20] et de genre lumière dans celui d'une particule sans masse[18],[20] ; il est non-unitaire[21]. La 4-impulsion totale d'un système isolé de particules est soit un 4-vecteur de genre temps orienté vers le futur, soit un 4-vecteur de genre lumière orienté vers le futur[22] ; ce dernier cas ne se produit que pour un système isolé constitué uniquement de particules sans masse et dont les 4-impulsions sont toutes colinéaires[22]. Les composantes de la 4-impulsion sont homogènes à une quantité de mouvement[17].

Le carré de la pseudonorme du quadrivecteur conduit à la relation d'Einstein[23],[24],[25],[26] :

E2=p2c2+m2c4,

reliant l'énergie, la masse et l'impulsion[26]. Lorsque la masse de la particule libre est non nulle mais que son impulsion est nulle, la relation se réduit à E=mc2[26]. Lorsque la masse de la particule libre est nulle, comme c'est le cas d'un photon, la relation se réduit à E=pc[27]. La relation met en évidence qu'en relativité restreinte, la masse est une grandeur invariante[28],[29],[30],[31] et conservée[29],[31],[32] mais non additive[29],[31],[32],[33],[34],[35].

La 4-impulsion est une des notions introduites par Hermann Minkowski[36],[37],[38].

Dénominations et notations

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Dénominations

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La dénomination « quadrivecteur énergie-quantité de mouvement » reste usitée[39]. Mais, en raison notamment de sa longueur[40], des auteurs lui substituent celle de « quadrivecteur énergie-impulsion »[13],[14] ou de « quadrivecteur impulsion-énergie »[41]. Cela est discutable car « impulsion » devrait être réservé à « l'action d'une force pendant un court intervalle de temps » et ainsi à « une variation de quantité de mouvement »[40].

Notations

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La notation usuelle du quadrivecteur est la lettre p[42],[43],[44],[45],[46] qui est la notation usuelle de la quantité de mouvement[47].

Chaque auteur précise la convention de notation qu'il adopte pour différencier le quadrivecteur de la quantité de mouvement. Par exemple, le quadrivecteur est noté p_ alors que la quantité de mouvement est notée p→[43].

Relation avec la quadrivitesse

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Nous savions qu'en mécanique classique, la relation entre l'impulsion et la vitesse de la particule non-relativiste est la suivante :

p→=mv→ où m correspond à la masse au repos.

Nous pouvons généraliser ce concept à quatre dimensions en introduisant la quadrivitesse. Pour une particule dotée de masse non nulle mais ayant une charge électrique nulle, le quadri-moment est donné par le produit de la masse au repos  m et de la quadrivitesse  u.

En coordonnées contravariantes, on a  u=(u0,u1,u2,u3)=(γ.c,γvx,γvy,γvz), où γ=11−(vc)2 est le facteur de Lorentz et c est la vitesse de la lumière :

pμ=muμ où μ∈{0,1,2,3}

Norme de Minkowski : p2

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En calculant la norme de Minkowski d'un quadri-moment, on obtient un invariant de Lorentz égal (à un facteur égal à la vitesse de la lumière c près) au carré de la masse au repos de la particule :

p⋅p=ημνpμpν=E2c2−|p→|2=m2c2

Puisque |p|2 est un invariant de Lorentz, sa valeur reste inchangée par transformations de Lorentz, c'est-à-dire par changement de référentiel inertiel.

En utilisant la métrique de Minkowski :

ημν=(10000−10000−10000−1).

Le tenseur métrique est en fait défini à un signe près. On trouvera dans certains ouvrages la convention ημν=(−,+,+,+) au lieu de la convention ημν=(+,−,−,−) adoptée dans cet article[N 3]. Les résultats physiques sont évidemment les mêmes quelle que soit la convention choisie, mais il faut prendre garde de ne pas les mélanger.

Interprétation

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À l'approximation des faibles vitesses, la composante temporelle de la 4-impulsion se réduit à[48] :

p0c=E=mc2+12mv2,

où :

À la même approximation, les trois composantes spatiales de la 4-impulsion se réduisent à[51] :

p→=mv→,

qui est l'expression classique de la quantité de mouvement[52].

Vitesse observée

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La 4-impulsion permet de définir la vitesse observée d'une particule à partir de la relation[53] :

p→E=v→c2,

soit :

v→=p→c2E.

Conservation du quadri-moment

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La conservation du quadri-moment dans un référentiel donné[N 4] implique deux lois de conservations pour des quantités dites classiques :

  1. La quantité totale d'énergie  E=c.p0 est invariante.
  2. Le moment linéaire classique tridimensionnel p→ reste invariant.

On notera au passage que la masse d'un système de particules peut être supérieure à la somme des masses des particules au repos, à cause de l'énergie cinétique. Par exemple, prenons 2 particules de quadri-moment {5 Gev, 4 Gev/c, 0, 0} et {5 Gev, -4 Gev/c, 0, 0} : elles ont chacune une masse au repos de 3 Gev/c2 mais leur masse totale (soit encore la masse du système) est de 10 Gev/c2. Si ces 2 particules entrent en collision et fusionnent, la masse de l'objet ainsi formé est de 10 Gev/c2.

Une application pratique en physique des particules de la conservation de la masse au repos permet, à partir des quadri-moments pA et pB de 2 particules créées par la désintégration d'une particule plus grosse ayant un quadri-moment q, de retrouver la masse de la particule initiale. La conservation du quadrimoment donne qμ = pAμ + pBμ, et la masse M de la particule initiale est donnée par |q|2 = M2c2. En mesurant l'énergie et les 3-moments des particules résultantes, on peut calculer la masse au repos du système des 2 particules qui est égal à M. Cette technique est notamment utilisée dans les recherches expérimentales sur le boson Z dans les accélérateur de particules.

Si la masse d'un objet ne change pas, le produit scalaire de Minkowski de son quadri-moment et de la quadri-accélération correspondante Aμ est nul. L'accélération est proportionnelle à la dérivée temporelle du moment divisée par la masse de la particule:

pμAμ=pμddtημνpνm=12mddt|p|2=12mddt(m2c2)=0.

Moment canonique en présence d'un champ électromagnétique

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Il est également utile de définir un moment "canonique" (à 4 dimensions), pour des applications en mécanique quantique relativiste : Pμ, qui est la somme du quadri-moment et du produit de la charge électrique avec le potentiel (qui est un vecteur à 4 dimensions) :

Pμ=pμ+qAμ,

où le 4-vecteur potentiel est une combinaison entre le potentiel scalaire et le potentiel vecteur du champ magnétique :

(A0A1A2A3)=(ϕ/cAxAyAz).

Notes et références

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  1. ↑ L'expression « énergie-impulsion » est usuelle[10],[11],[12],[13],[14]. Des auteurs[15] lui préfèrent « énergie-quantité de mouvement » car, en toute rigueur, l'impulsion diffère de la quantité de mouvement[16].
  2. ↑ La notation p est usuelle[13],[14].
  3. ↑ La convention de signe ημν=(+,−,−,−) est présente dans Lev Landau et Evgueni Lifchits, Physique théorique, t. 2 : Théorie des champs [détail des éditions], par exemple.
  4. ↑ La conservation du quadri-moment signifie que dans un référentiel donné, le quadri-moment total pν d'un système isolé est conservé. Lorsqu'on change de référentiel, le quadri-moment subit une transformation de Lorentz : p′ μ=Λμνpν. Le nouveau quadri-moment p′ μ est à son tour conservé dans ce nouveau référentiel, mais n'est pas égal à pν.

Références

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  1. ↑ Daniel Frèrejacque, « Étude de la diffusion électron-proton par observation du proton de recul », Annales de Physique, vol. 13, no 10,‎ , p. 407–433 (ISSN 0003-4169 et 1286-4838, DOI 10.1051/anphys/196513100407, lire en ligne, consulté le )
  2. 1 2 Relativité générale et gravitation de Edgard Elbaz, (ellipse 1986), chapitre IV, §4
  3. ↑ Lev Landau et Evgueni Lifchits, Physique théorique, t. 2 : Théorie des champs [détail des éditions], §9
  4. ↑ Ch. Grossetête, Relativité restreinte et structure atomique de la matière, Paris, Ellipses, , 320 p. (ISBN 2-7298-8554-4), p. 61
  5. ↑ Introduction à la relativité de James H. Smith, InterEditions (1968), (2e édition en 1979 (ISBN 2-7296-0088-4) rééditée par Masson : Dunod - 3e édition - 1997 (ISBN 2-225-82985-3)), chapitre 12
  6. ↑ Landau et Lifchitz 1970, chap. II, § 9, p. 44.
  7. ↑ Shepherd 2013, VIe partie, chap. 17, sec. 17.3, § 17.3.4, p. 323.
  8. ↑ Schutz 2022, chap. 7, sec. 7.3, p. 177.
  9. ↑ Vittorio 2022, Ire partie, chap. 2, sec. 2.11, p. 32.
  10. ↑ Fillette, Froustey et Roussille 2023, Ire partie, chap. 8, sec. 8.4, § 8.4.2, p. 153, col. 1.
  11. ↑ Heyvaerts 2012, chap. 7, sec. 7.6, § 7.6.2, p. 142.
  12. ↑ Rougé 2002, chap. 5, sec. 5.1, p. 63.
  13. 1 2 3 Semay et Silvestre-Brac 2021, chap. 9, sec. 9.3, p. 172.
  14. 1 2 3 Taillet, Villain et Febvre 2018, s.v. quadrivecteur énergie-impulsion, p. 609, col. 2.
  15. ↑ Pérez 2016, chap. 5, sec. I, § I.1, p. 86.
  16. ↑ Fillette, Froustey et Roussille 2023, Ire partie, chap. 8, sec. 8.4, § 8.4.2, p. 154, col. 1.
  17. 1 2 3 Gourgoulhon 2010, chap. 9, sec. 9.1, § 9.1.1, p. 274.
  18. 1 2 3 Hughston et Tod 1990, chap. 3, sec. 3.2, p. 26.
  19. ↑ Semay et Silvestre-Brac 2021, chap. 9, sec. 9.3, p. 179.
  20. 1 2 Taillet, Villain et Febvre 2018, s.v. genre, p. 336, col. 2.
  21. ↑ Schutz 2022, chap. 2, sec. 2.7, p. 48.
  22. 1 2 Gourgoulhon 2010, chap. 9, sec. 9.2, § 9.2.5, p. 293.
  23. ↑ Gourgoulhon 2010, chap. 9, sec. 9.1, § 9.1.2, p. 277.
  24. ↑ Meyer 2020, leçon 7, sec. 1, § 1.2, p. 91.
  25. ↑ Semay et Silvestre-Brac 2021, chap. 9, sec. 9.3, p. 173.
  26. 1 2 3 Vafa 2021, chap. 1er, sec. 1.7, p. 14.
  27. ↑ Pérez 2016, chap. 5, sec. IV, § IV.2, p. 95.
  28. ↑ Ansermet 2009, chap. 4, sec. 4.3, § 4.3.1, p. 210.
  29. 1 2 3 Fayngold 2008, chap. 5, sec. 5.6, p. 160.
  30. ↑ Okun 1989, sec. 5, p. 631, col. 1.
  31. 1 2 3 Pérez 2016, chap. 5, sec. IV, § IV.4, c), p. 96.
  32. 1 2 Okun 1989, sec. 5, p. 631, col. 2.
  33. ↑ Ansermet 2009, chap. 4, sec. 4.3, § 4.3.4, p. 214.
  34. ↑ Lange 2001, sec. II, p. 229.
  35. ↑ McQueen 2015, résumé, p. 1373.
  36. ↑ Darrigol 2022, chap. 7, sec. 7.4, p. 219.
  37. ↑ Gourgoulhon 2010, chap. 9, sec. 9.1, § 9.1.1, n. historique, p. 275.
  38. ↑ Walter 2007, § 2, p. 222.
  39. ↑ Provost, Raffaelli et Vallée 2019, chap. 4, sec. 4.3, p. 110.
  40. 1 2 Le Bellac 2015, chap. 4, sec. 4.1, n. 2, p. 54.
  41. ↑ Barrau et Grain 2016, chap. 2, sec. 2.2, § 2.2.4, p. 23.
  42. ↑ Pérez 2016, chap. 5, sec. I, § I.1, p. 85-86.
  43. 1 2 Provost, Raffaelli et Vallée 2019, chap. 4, sec. 4.3, p. 111.
  44. ↑ Rougé 2002, chap. 5, sec. 5.1, p. 65.
  45. ↑ Semay et Silvestre-Brac 2021, chap. 9, sec. 9.3, p. 172-173.
  46. ↑ Taillet, Villain et Febvre 2018, s.v. quadrivecteur énergie-impulsion, p. 609-610.
  47. ↑ Taillet, Villain et Febvre 2018, s.v. p, p. 536, col. 1.
  48. ↑ Landau et Lifchitz 1970, chap. II, § 9, p. 42.
  49. ↑ Taillet, Villain et Febvre 2018, s.v. énergie de masse, p. 264, col. 1.
  50. ↑ Taillet, Villain et Febvre 2018, s.v. énergie cinétique, p. 260, col. 2.
  51. ↑ Landau et Lifchitz 1970, chap. II, § 9, p. 41.
  52. ↑ Taillet, Villain et Febvre 2018, s.v. quantité de mouvement, p. 611, col. 1.
  53. ↑ Landau et Lifchitz 1970, chap. II, § 9, p. 43.

Voir aussi

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Bibliographie

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Histoire des sciences

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Manuels d'enseignement supérieurs

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Ouvrages d'introduction

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Dictionnaires et encyclopédies

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Articles connexes

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Liens externes

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