Séminaire Janet.
Mécanique analytique et mécanique céleste
J EAN -M ARIE S OURIAU Équations d’onde à 5 dimensions
Séminaire Janet. Mécanique analytique et mécanique céleste, tome 6 (1962-1963), exp. no2, p. 1-11.
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ÉQUATIONS
D’ONDE À5
DIMENSIONSJean-Marie SOURIAU
et deMÉCANIQUE CÉLESTE
6e année, L 962/63, n°
21er décembre 1962
1 .
Introduction.
Il est habituel de classer les forces
(ou "interactions")
que nous observonsdans la nature en
quatre types qui
serépartissent
en forces àlongue
ou à courteportée (les interactions
faibles ou fortes ne sontguère décelables
àplus
decm ) :
I.
Interactions gravitationnelles 1
J longue portée
II.
Interactions électro-magnétiques
III.
Interactions
faïbles’
III.
Interactions
faibles.}
courteportée
IV. Interactions fortes
j
Le programme
d’une ’théorie
unitaire" est de donner unedescription géométrique
commune à toutes les forces de la
nature,
de même que larelativité générale
’.,
"explique"
les forces degravitation
au moyen de la courbure del’espace-temps.
Vers 1920,
les forces à courteportée étaient
encoreinconnues ;
les recherches unitairess’efforçaient
donc d’unifier lechamp électromagnétique
avec lechamp
de
gravitation ; dès L921~
lathéorie
de[2] parvenait
à desrésultats positifs
en ce sens.Aujourd’hui,
deux voies semblent ouvertes aux recherches :1° construire une
théorie
strictementunitaire, capable d’expliquer simultané-
ment les forces à
longue
et à courteportée ;
2° construire une
théorie qui explique
les forces àlongue portée,
etqui
four-nisse un cadre
géométrique apte
àdécrire
lesparticules élémentaires
et leurs interactions à courteportée.
Or
il n’est pas excluqu’une relativité
à5
dimensionspermette
deréaliser
cesecond programme~
L’idée d’ aj outer
unecinquième
dimension àl’espace-temps apparaît souvent,
soitsimplifier l’étude
desspineurs [8J ,
soit pourinterpréter
l’action hamil-ionienne [12] ,
soit encore dans lathéorie
de KALUZA[2].
Pour
qu’une
telleméthode
soit autre chosequ’un simple
artificemathématique,
il est
nécessaire
de mettre enévidence
unesymétrie
aussigrande
quepossible
entre les
cinq
dimensions.Dans la
théorie
deKaluza,
onconsidère
unevariété
riemanienne dedimension 5 ,
sur
laquelle
onécrit
deséquations analogues
à cellesd’Einstein ;
lesquinze équations
ainsi obtenuesrespectent
bien cettesymétrie,
mais elle est rompue par deuxpostulats supplémentaires
de lathéorie :
onajoute
unprincipe
de "sta-tionnarité" qui particularise
la5e dimension ;
on modifie l’une desquinze
tions da
champ.
En
dépit
de cesdéfauts épistémologiques,
lathéorie
de Kaluza arrive à desrésultats rennrquables :
lesquatorze équations qui
restent sont leséquations
d’Einstein
et de Maxwellusuelles ;
lathéorie
donne uneorigine géométrique
auprincipe
d’ invariance dejauge électromagnétique - principe purement phénoméno-
logique
enrelativité ordinaire,
etpourtant parfaitement vérifié
dans sesappli-
c ations à tous les dorDaines de la
physique,
ycompris
dansl’étude
desparticules
élémentaires.
Il est donc
permis
de se demander s’il n’est paspossible
de conserver cesrésultats
en s’affranchissant deshypothèses qui rompent
lasymétrie
entre lescinq dimensions ;
lathéorie
deJORDAN-THIRY [15]
parexemple,
utilisesymétri- quement
les15 équations
dechamp
mais elle conserve leprincipe
de station-narité
suivantlequel
lescomposantes
du tenseurmétrique ( )
sontindé-
pendantes
de lacinquième coordonnée x5.
Grâce
à ceprincipe,
l’univers U àcinq
dimensionsprend
une structured’es- pace fibré ;
sabase fi
est unevariété
riemannienne àquatre
dimensions - quel’on
identifie,
bienentendu,
avecl’espace-temps ;
il existe unalgorithme
per- mettant dedécrire
tous leschamps
de U au moyen dechamps
deU (voir [14]"
§ 41) ;
lathéorie possède
donc une formulationquadridimensionnelle,
danslaquelle
on
peut reconnaître, notamment,
lechamp
degravitation
et lechamp électromagné- tique.
A
priori,
il semble que ceprincipe
destationnarité
soitindispensable
pour faire coller lathéorie
avecl’expérience ;
mais il brise lasymétrie
entre lescinq coordonnées puisque~
en fin decompte,
la,théorie
nepossède plus
que l’in- variance dans les transformations dejauge
(1)
Nousdésignerons
par des lettres s latines(j , k ~ ~.)
les indicesqui
prennent
lesvaleurs 1 , 2 , 3 , 4 , 5’ ;
par des lettre sgrecques ( , 03BD, ... )
ceux
qui prennent
lesvaleurs 1 ~2 ~3~4 .
’ ’
Or,
en1926,
0. KLEIN([3], [4])
avaitproposée parmi
diverseshypothèses,
deremplacer
la condition destationnarité
par la suivante :(2)
lesgjk
sont des fonctionspériodiques
dex?
.Cette
condition, beaucoup
moins forte que laprécédente,
ne semble pas suffire àexpliquer pourquoi
nous ne percevons qiequatre
dimensions àl’univers ;
c’estpeut-être pourquoi,
dans un articlede 1938 [1] ,
EMSTEIN etBERGMMN
ontproposé
de lui
ajouter
d’autresconditions (qii
tendentplutôt
àrapprocher
lathéorie
de celle de
Kaluza).
Cependant,
en1958,
W. PAULI([6],
note23) proposant
de revenir àl’idée
ori-ginale
deKlein,
etd’étudier
sur lavariété à 5
dimensionsconsidérée,
d’autreschamps
que lechamp
de tenseursgjk (notamment
unchamp
despineurs).
Or la
théorie
que nous avonsproposée indépendamment
en1958, réalise
ce pro-gramme de
PAULI,
en leprécisant (2).
’n
n’est
pasdifficile
devoir,
eneffet,
dans la condition(2)
de 0~KIEIN,
une
hypothèse topologique
sur l’univers.U ;
ellesuggère
en effet que la 5e di- mension estfermée
surelle-m#me,
c’ est-à-dire que U esthoméomorphe
à un"tube", produit
direct del’espace-temps (supposé simplernent connexe)
par uncercle,
etque les
xj
sont descoordonnées
durevêtement
universel de U .Lorsqu’on ajou-
tera une
période
àx5’,
on sera alorsramené
au mêmepoint
deU ;
tous leschamps reprendront
donc la mêmevaleur (et
pas seulement lechamp
Dans son
exposé
de la,théorie
deJordan-Thiijr [5]~ 1i.
LICHNERCWICZ ad’ailleurs attribué
cette structure circulaire à la5e dimension
onpeut
montrer que ce cercle est du genre espace(3) ;
nousdésignerons
par2nl
salongueur.
La
théorie
deJordan-Thiry
nepermet
pas de calculer la valeurde 1 ( ) ;
mais on est libre
d’imaginer que 03B6
esttrès petit,
et il est clair que cetted) Référence [9].
Pour unexposé détaillé
de lathéorie, consulter [14] (cha-
pitre VII) ~
(~) L’hypothèse contraire, qui
aété envisagée
par diversauteurs,
conduit àdes forces
électrostatiques
attractives entrecharges
demême signe.
~)
Nous donnons ci-dessous cette valeur.seule condition suffit à
expliquer l’apparence quadridinensionnelle
de l’univers( ) ;
alorsl’hypothèse
destationnarité
n’aplus
de raison et il est naturel de chercher à s’enaffranchir,
comme nous l’avons fait. On trouve ainsiune
théorie
invariante par toutes les transformations locales de la formeles
f~ étant
des fonctionsarbitraires ( ) ;
la structuretopologique attribuée
à U
n’intervient
donc pas dans leséquations
dechamp,
mais seulement dans les transformationsglobales
de U . Lathéorie
des revêtements(voir [14]~ énoncés
(10.29)
et(40.12))
montre que ces transformations separtagent
en deuxclasses ; l’une, qui
est unsous-groupe,
contient les transformations de la forme(4) x~ -.x~
+périodiques
enx)
qui
ontété considérées
par 0. KLEIN et W. PAULI([6]~
note23,
f ormule(29)) $
nous avons
proposé d’interpréter
les transformations de ladeuxième
classe(dont
un
exemple
est la substitutionx5 -+ - x )
comme desconjugaisons
decharge [ 9] .
Ceci
permet
notammentd’interpréter géométriquement
le groupeorthogonal complet
à deux
dimensions, proposé
par L. pour lacaractérisation électro-
magnétique
desparticules
dans le cadre de larelativité
restreinte.La
théorie proposée
est donc strictementpentadimensionnelle (voir
la formule(3) ) ;
elle admetcependant
lathéorie
deJordan-Thiry
et celle de Kaluza commeapproximations ..
au même titrequ’un
tube suffisamment finpeut 6tre assimila
àun fil et
décrit
par une seuledimension,
ouqu’un
milieupériodique
à maillesfines
(cristal) peut
êtreconsidéré
commehomogène.
Ces
approximations
sontprécieuses
pourl’interprétation physique
de lathéorie,
car elles
permettent
d’en donner uneimage quadridimensionnelle approchée.
Maisle
véritable
programme de lathéorie
consiste à donner unedescription penta-
dimensionnelle de la
physique ;
leprincipe
derelativité
àcinq dimensions,
sui-vant
lequel
toutes leséquations
de laphysique
doivent être invariantes dans les transformations(3) , impose
des conditionstrès strictes, qu’il
estpossible
de(5)
Onpeut imaginer,
si l’onveut,
quechaque point
del’espace-temps
est enréalité
un cerclemicroscopique
derayon 03B6 ;
mais cetteimage,
comme celle du-tï:1.be.
estplut8t
un frein pourl’esprit ;
il estplus
sage de ne se fierqu’à
lagéamétrie différentielle
et à latopologie.
(6)
Sous les mêmesréserves qu’en relativité générale :
la transformation(3)
doit être suffisamment
différentiable,
ainsi que la transformation inverse.confronter avec
l’expérience ( )
Le
problème
fondamental de lathéorie
estévidemment l’étude
desparticules élémentaires
et de leursinteractions,
dans le cadre de lamécanique quantique ;
nous nous bornerons ici à
étudier
certainsaspects
deséquations
d’onde.2.
Particules despin
0(voir [11]).
Ecrivons sur la
variété
àcinq
dimensionsl’équation
invariantedésigne
une fonction d’ onderéelle,
0 led’Alembertien
àcinq dimensions,
a une constante
réelle.
Si nous choisissons la
5e coordonnée x~
defaçon
à normer à2n
lapériode
des
champs,
nous pouvonsécrire
ladécomposition
de Fourierles sont des fonctions
complexes
desx’ ; lpN
sontcomplexes
con-juguées ; ~
estréelle.
Dans l’
approximation
de(pour
ledétail
descalcules, voir [ 14] , §
41et
§ 42)
on constate que est solution del’équation quadridimensionnelle
avec les notations
( ) Ainsi,
le tenseurd’impulsion-énergie quadridimensionnel
doit êtreremplacé
par un tenseur
pentadimensionnel symétrique,
àdivergence nulle ;
dansl’approxi-
mation de la
relativité restreinte,
cette condition donnecinq
lois de conserva-tion
simultanées :
celles del’énergie,
des troiscomposantes
de etcelle de
l’électricité ;
les lois concernantl’énergie
et1’impulsion
contiennentd’ailleurs explicitement
les forcesélectro-magnétiques exercées
sur lescharges
et les courants
(voir [14]~
formules(41.57)
et(3 f.33~~ ~
lathéorie
semble doncapte
à rendrecompte
duprincipe -
ditparfois principe
d interaction minimale~ suivant
lequel n’ existe,
comme mode d’ interaction entre lechamp
et lescharges,
que celui
qui
est obtenu ici.2-06
En
relativité restreinte,
cetteéquation s’écrit
en
posant
c’est donc
l’équation
de Klein-Gordon pour uneparticule
decharge
q , de massem , de
spin 0 ,
enprésence
duchamp électromagnétique.
Ainsi,
larelativité
àcinq
dimensionsgéométrise
l’action duchamp
sur unetelle
particule (~) ;
elle montre deplus
que lacharge électrique
estnécessai-
rement un
multiple
entierd’une charge élémentaire indépendante
de la massede la
particule.
En
l’identifiât
avec lacharge
usuelle e(qui
est parexemple
celle d’unméson If
pourlequel
on admetl’équation (9)),
ceci nous donne la valeurnumérique
(~)
Pour unphysicien orthodoxe,
lathéorie
constituedonc,
assezcurieusement,
un
argument
en faveur de larelativité générale :
s’il estpermis,
en mécaniquequantique,
denégliger
leplus
souvent lesinteractions gravitationnelles,
iln’en
est plus
de même pour les interactionsélectromagnétiques ;
orl’origine géométrique
que nous leur attribuons estindissolublement liée
à lagravitation,
sous
laforme
que lui adonnée
EINSTEIN.En d’autres
termes,
même si l’onnéglige
la constante degravitation
X, onne
peut
pasdécrire pentadimensionnellement
lechamp électromagnétique
sansintroduire une courbure de l’univers.
cette
grandeur
esttrès petite
devant les dimensions usuelles des noyaux(qui
sontde
l’ordre
de10-13 cm ) ;
cecijustifie
aposteriori l’hypothèse
initiale sui-vant
laquelle
est assezpetit
pour que lacinquième dimension
restecachée.
La
théorie apporte
donc une raisongéométrique
à laquantification
de lacharge électrique - phénomène qui
se constatesans dexpliqqer
enrelativité
àquatre
dimensions.
La
circonstance,
usuelle enmécanique quantique,
suivantlaquelle
uneparticule
neutre est
décrite
par une fonctiond’onde réelle
et uneparticule chargée
parune fonction
d’onde complexe, apparaît
aussi commenaturelle ;
il est facile devérifier
que les transformations dejauge
et lesconjugaisons
decharge (voir
ci..dessus) opèrent
bien suivant leschéma
habituel(cf~ [14]~
note(42~18)),
n est clair que la
théorie impose
à uneparticule
despin
0 uneinfinité d’états
decharge (repérés
par les valeursentières
avec unspectre
demas se
donné
par ladernière
des fornules(10) ;
mais les valeursnumériques
mon--trent que l’on ne
peut
observerqu’un
seul desétats
decharge (au signe près,
bien
entendu) ,
lesdifférences
de masseétant
de l’ordre de2014~: 5.
Mev( ~ . 9 .
La
théorie
ne donne donc pasd’explication
à l’existence desmultiplets
decharge
que l’on rencontreparmi
lesparticules
aux interactions fortes(méscns
TI parexemple) ;
ce n’estd’ailleurs
pas ce que nous en attendions(voir 1’introduction)
3,. Particules
des in 1/2 (voir [13])~
La
même méthode peut s’appliquer
auxchamps
despineurs ;
on sait que lesspi-
neurs de
l’espace hyperbolique
normal àcinq
dimensions sont lesmêmes
que ceuxde
l’espace
de Minkowski(cf. [14] , (44.33)
et(44.34)) ;
si un telspineur véri-
fie
l’équation
invariante( )
On saitpourtant
que certains rayonscosmiques primaires
serapprochent
d’une telle
énergie.
il
vient,
àl’approximation
de larelativité restreinte, Inéquation
Y1j désigne,
suivantl’usage
desphysiciens,
une matricequi
anticommute avec les et dont lecarré
vaut +1 (i03B31 03B3203B33 03B34
avec les notationsactuelles) ;
les F
pv sont les
composantes
duchamp électro2014magnétique~
Le dernier terme de
l’équation (14)
estcomplètement négligeable
àl’échelle
dela
mécanique quantique (dans
lesunités
usuelles oùil
= c =l ,
la constante est de l’ordre de10"~ cm ).
En le
supprimant,
et en faisant lechangement
de variabledéfini
paril
vient,
siN é 0 (cas
desparticules chargées) , l’équation
on
reconnaît l’équation
deDirac,
pour uneparticule
decharge Ne y
de massem ,
despin 1/~ ~
enprésence
duchamp électromagnétique.
La
relativité
àcinq
dimensionsgéométrise
donc aussi bien les interactionsélectromagnétiques
des fermions que celles desbosons ;
on obtient unrésultat
supplémentaire : l’indépendance
de lacharge élémentaire
duspin.
~ . ~
pour ladéfinition
de cetteopération,
onpeut consulter [14] (§45)
et[ 16] ; Inéquation (12) peut s’écrire
sans recourirexplicitement
auxsymboles
deChristoffel
et aux matrices deFock-Ivanenko,
sous la formeLe
cas des neutrinos s’obtient en faisant N =0 ~
a = 0 . Lechangement
devariables (15)
devient alorsinutile,
et on trouve(en négligeant
cormeprécé-
demment le dernier terme de
(14)) l’équation
usuelleSupposons
maintenant que nous ayons àétudier
les interactionsd’un électron
et d’un neutrino..représentés respectivement
par lesspineurs 03C8el et 03C8neut.
Parmi les
grandeurs
invariantes quepeut
construire à l’aide de cesspi-
neurs,
f igure évidemment
lepenta-vecteur
V decomposantes
compte
tenu de( 1 5 ) ,
sescomposantes d’espace-temps s’écrivent ( )
Comme la constante est
très petite,
lapartie principale
de ce termeest,
àun facteur
près :
,Or des termes de ce genre interviennent dans
l’ étude
des interactions faibles(radio-activité 03B2 ) ;
cefait (que
l’onappelle
"interaction V-A")
sevérifie
notamment en mesurant la
polarisation
desélectrons émis ;
il est àl’origine
dela
théorie
du "neutrino à deuxc ompos antes ~
de LEE etYANG,
à l’occasion delaquelle
ces auteurs ontrenoncé
auprincipe
de conservation de laparité.
Onvoit en effet
(formule (2.0))
que le neutrino n’intervient que par saprojection
1 - 03B35 203C8neut neut
sur un espace à deux dimensionscomplexes ; l’équation (17)
montreque
est,
à unmoment,
vecteur propre dey 5 (la
valeur propre, corres-pondante s’appelle chiralité
duneutrino) ,
il restera dans cetétat.
Mais
l’interprétation penta-dimensionnelle
donne unrésultat supplémentaire;.
qui
n’aété vérifié expérimentalement
querécemment :
lanécessité
de l’existence de deux neutrinos dechiralité différente (indépendamment
des antineutrinos cor-respondants,
dont l’existence sedéduit peut-être
du f a it que lareprésentation
de
spin
du groupe de Lorentzcomplet
àcinq
dimensionsnécessite
l’introduction de deuxspineurs
de Diracsimultanés).
11 1 +
y 5 ~ "~5
( )
Il est bien connu que2014~20142014
et2014~20142014
sont deuxprojecteurs supplé-
mentaires de
l’espace
desspineurs.
On voit que le
principe
derelativité
àcinq
dimensions estpeut-être destine à jouer
un r8le dans ladescription
desparticules élémentaires
et de leurs in- teractions - même s’il ne les"explique"
pas toutes.Terminons par la remarque suivante : si on recherche
algébriquement
le connu-tant
réel
des03B3j ,
on constate que celui-’ci estisomorphe
au corpsQ
des qua-ternions ;
cecipermet
de donner àl’espace
desspineurs
de Dirac une structured’espace Q-vectoriel,
telle que lesY
.
soient
Q-linéaires (12) .
La multi-plication de ~
par unquaternion
fixe arbitraire conserve visiblementInéqua-
tion
(12) :
en d’autrestermes, l’espace
vectoriel de ses solutions est aussiquaternionique.
Cette
propriété disparait
dansl’équation quadridimensionnelle (16)
del’élec-
tron,
à cause du rôleparticulier joué
par lequaternion
i(voir
lanote ( 1~ )) ;
mais elle subsiste dans
l’équation (17)
du neutrino : onreconnaft
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