Vecteurs polaires et vecteurs axiaux


François Lavallou

Les forces et les vitesses sont habituellement représentées en physique par des vecteurs, êtres mathématiques qui contiennent une information de grandeur et de direction. Mais leur comportement lors d’un changement de repère amène à considérer, selon l’orientation de l’espace, deux types de vecteurs, les polaires et les axiaux.

Pour établir les équations différentielles décrivant le mouvement des corps dans l’espace, on choisit, de façon arbitraire, des repères, ou systèmes de coordonnées. Le principe de relativité stipule que les lois de la physique sont indépendantes du choix de ces repères inertiels, ou galiléens, et en particulier, de leur orientation.

Paradoxalement, il n’en est pas de même des vecteurs de la physique qui apparaissent dans ces lois. Une inversion de l’orientation de l’espace fait en effet apparaître deux types de vecteurs, les vecteurs polaires et les vecteurs axiaux, souvent improprement appelés pseudovecteurs. Le produit vectoriel, dont la définition est intimement liée à l’orientation de l’espace, est le principal responsable de cet état de fait.

 

Des vecteurs qui se multiplient

La notion de produit vectoriel, implicite dans les travaux de Joseph-Louis Lagrange (1736‒1813), ne sera définie qu’en 1878 par William Kingdon Clifford (1845‒1879), qui s’inspire des quaternions de William Rowan Hamilton (1805‒1865) et des travaux de Hermann Günther Grassmann (1809‒1877). Le physicien James Clerk Maxwell (1831‒1879) appliquera ces notions nouvelles à la physique et son formalisme sera perfectionné par Clifford lui-même pour créer l’analyse vectorielle (voir encadré). Ces théories se propageront rapidement chez les physiciens mais ne seront acceptées dans le monde mathématique que ... Lire la suite


références

• Dossier « Les systèmes de coordonnées ». Tangente 157, 2014.
• Mathématiques et physique. Bibliothèque Tangente 69, 2019.
• Les matrices. Bibliothèque Tangente 44, 2012.
• Mathématiques et géographie. Bibliothèque Tangente 40, 2011.