Si un arbre tombe dans la forêt, fait-il un bruit ?

Qu'est-ce qu'un champ ?

En physique, un champ est une région bidimensionnelle ou tridimensionnelle qui possède une valeur spécifique et mesurable en chaque point. Il n'est pas nécessaire, ni même logistiquement possible, de mesurer la valeur en chaque position, mais une valeur mesurable existe à chaque endroit.

Champs vectoriels

Bien que les flèches colorées rendent un graphique visuellement intéressant, il est impossible de faire des calculs significatifs avec des couleurs. La magnitude de l'accélération nécessite une représentation graphique différente, et la réponse évidente (et peut-être unique) est d'utiliser la longueur des flèches pour indiquer la magnitude de l'accélération.

La question « Y a-t-il de la gravité dans l’espace physique autour d’un seul objet massif s’il n’y a pas d’autres objets à proximité ? » est similaire à la question « Si un arbre tombe dans la forêt et que personne n’est là pour l’entendre, fait-il un bruit ? »

Ces questions métaphysiques vous font trébucher momentanément, car chacune d’elles exploite des hypothèses innées sur l’interaction et supprime ensuite un deuxième objet nécessaire de la discussion. Une meilleure question pourrait être : « La région de l’espace autour d’un objet massif a-t-elle des propriétés d’objet différentes de celles qui existeraient si cet objet massif n’était pas là ? »

La réponse est oui : la région de l’espace autour de la Terre a certainement des propriétés différentes de celles qu’elle aurait si la Terre n’était pas là.

La preuve que la masse modifie l'espace

Dans la théorie de la relativité d’Einstein, les objets massifs déforment l’espace et le temps.

Les théories d'Einstein sont appuyées par des observations astronomiques. De grandes masses peuvent modifier l'espace-temps et déformer la trajectoire des ondes électromagnétiques pour créer une lentille gravitationnelle qui modifie la trajectoire de la lumière de la même manière qu'une lentille optique de la taille d'une galaxie le ferait.

Einstein a également prédit que toute information sur les changements dans l'emplacement de notre objet imaginaire ou la position de la Terre se propage vers l'extérieur à la vitesse de la causalité (la vitesse de la lumière 3 x 10 ⁸ (m/s)).

La masse modifie les propriétés de l'espace-temps et, lorsque la masse se déplace, l'information se propage vers l'extérieur à la vitesse de la causalité. Il faut un certain temps pour que les changements dans la configuration du champ se propagent vers l'extérieur.

En septembre 2015, les scientifiques ont confirmé cette partie de la théorie de la relativité d'Einstein lorsqu'ils ont détecté des ondes gravitationnelles causées par la collision de deux trous noirs.

Physiquement, il existe bien sûr une différence entre les champs électromagnétiques et gravitationnels. Mais les mathématiques sous-jacentes sont assez similaires.

Champs électriques

« La région de l'espace autour d'un objet chargé a-t-elle des propriétés différentes de celles qu'elle aurait si cet objet chargé n'était pas là ? » est une question à laquelle il est plus difficile de répondre que celle sur la masse et l'accélération dues à la gravité.

Depuis votre naissance, vous avez expérimenté les effets de la gravité terrestre. En revanche, vous ressentez rarement les effets de l'attraction et de la répulsion électrostatiques.

La charge électrique est une propriété des objets qui peut être modifiée. Les objets peuvent posséder une charge positive, une charge négative ou une charge nette nulle à tout moment lorsqu'ils acquièrent et perdent des électrons en excès. Cela rend le comportement des objets non uniforme : les objets se repoussent parfois, s'attirent parfois et n'interagissent parfois pas du tout.

Mais en dehors d'expériences soigneusement conçues, ou lorsque de grandes quantités de charge électrique sont accidentellement stockées sur votre corps lorsque vous marchez sur un sol recouvert de moquette, les occasions de ressentir une force électrique au quotidien sont rares. Il est donc difficile de développer une intuition quant au comportement des objets chargés. L'analogie la plus proche pourrait être de jouer avec des aimants.

Bien que deux objets soient nécessaires pour ressentir une force, un seul objet suffit pour perturber une région de l'espace. La masse est une propriété de l'objet qui perturbe l'espace d'une manière particulière. La charge électrique est une propriété de l'objet qui perturbe l'espace d'une autre manière.

L’idée que l’espace est modifié par la présence d’une charge est à la base de l’idée d’un champ électrique.

Des champs électriques existent dans une région de l'espace autour d'un objet chargé. Le champ pour un objet chargé unique est donné par l'équation suivante :

Comme il existe des charges positives et négatives, les vecteurs de champ peuvent pointer vers ou loin de l'objet chargé. Par convention, les vecteurs pointent dans la direction opposée aux charges positives et vers les charges négatives.

Dans cette image, les lignes de champ électrique pointent vers un objet chargé positivement (rouge, à gauche) et vers un objet chargé négativement (bleu, à droite).

L'intensité du champ électrique augmente à mesure que la charge augmente et l'intensité du champ électrique diminue à mesure que vous vous éloignez d'un objet.

Sur cette image, les charges importantes sont indiquées par de grandes sphères. La charge influence l'intensité du champ électrique, représentée par le diamètre de la flèche.

Champ électrique autour de charges multiples

Par convention, les champs électriques commencent à des charges positives et se terminent à des charges négatives.

Cette image montre les trois scénarios possibles de paires de charges. À gauche, les flèches du champ électrique pointent du positif (rouge) vers le négatif (bleu). Au centre, les charges positives se repoussent et à l'extrême droite, les charges négatives se repoussent.

Et comme dessiner toutes ces petites flèches peut être fastidieux et déroutant, il est beaucoup plus courant de voir des lignes continues s'étendant d'une charge à une autre. Il est important de se rappeler que ces lignes ne représentent pas le chemin emprunté par les charges d'un point à un autre ; elles ne sont que des simplifications d'un tracé de champ vectoriel potentiellement complexe.

Dans l’image ci-dessus, le nombre de flèches vectorielles à gauche cache la nature des lignes de champ. En général, un nombre plus petit de « lignes de champ » sont dessinées (à droite) pour montrer la tendance générale parmi les flèches individuelles. Malheureusement, les lignes de champ donnent l’impression qu’elles sont des lignes de courant et définissent le chemin qu’une charge suivra à un point donné. Les charges libres ne suivent pas les courbes. À tout point donné de l’espace, les charges subiront une force dans la direction tangente à la courbe.

Les champs électriques ne sont pas des forces électriques. Cependant, ils établissent un cadre mathématique et physique dans une région de l'espace où des charges supplémentaires apparaissent. Dès qu'un autre objet chargé est introduit dans la région de l'espace où se trouve la première particule chargée, les charges interagissent et subissent une force partagée.

Résumé

J'espère que ce blog a suffisamment fait bouger vos neurones pour que vous puissiez retrouver rapidement une partie de vos connaissances en physique. Voici les points importants : les champs sont des modèles mathématiques qui définissent la grandeur d'une propriété particulière d'un objet à tous les endroits de l'espace ; les changements dans le champ se propagent vers l'extérieur à une vitesse rapide, mais finie ; et les lignes de champ sont des raccourcis qui nous permettent d'éviter de dessiner un nombre insensé de vecteurs.

Dans le prochain blog de la série, nous examinerons la polarisation de charge.