Physique

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Physique

La physique (du grec φυσικη) est étymologiquement la science de la Nature. Son champ est néanmoins plus restreint : elle décrit de façon à la fois quantitative et conceptuelle les composants fondamentaux de l'univers, les forces qui s'y exercent et leurs effets. Elle développe des théories en utilisant l'outil des mathématiques pour décrire et prévoir l'évolution d'un système. Cette science n'accepte comme résultat que ce qui est mesurable et reproductible par expérience. Celle-ci permet de valider ou d'infirmer une théorie donnée.

Théorie et expérience

Les physiciens observent, mesurent et modélisent le comportement et les interactions de la matière à travers l'espace et le temps (définis comme « phénomènes physiques »).

Une théorie ou modèle est un ensemble conceptuel formalisé mathématiquement, dans lequel des paramètres physiques qu'on suppose indépendants (charge, énergie, temps par exemple) sont exprimés sous forme de variables (q, E, t) et mesurés avec des unités appropriées (Coulomb, Joule, seconde). La théorie relie ces variables par une ou plusieurs équations ( $E=mc^2$ est sans doute la plus connue). Ces relations permettent de prédire de façon quantitative le résultat d'expériences.

Une expérience est un protocole matériel permettant de mesurer certains phénomènes dont la théorie donne une représentation conceptuelle. Il est illusoire d'isoler une expérience de la théorie associée. Le physicien ne mesure évidemment pas des choses au hasard ; il faut qu'il ait à l'esprit l'univers conceptuel d'une théorie. Aristote n'a jamais pensé calculer le temps que met une pierre lâchée pour atteindre le sol, simplement parce que sa conception du monde sublunaire n'avait rien à faire avec une telle quantification. Cette expérience a dû attendre Galilée pour être faite. Un autre exemple d'expérience dictée nettement par un cadre conceptuel théorique est la découverte des quarks. dans le cadre de la physique des particules. Le physicien des particules Murray Gell-Mann a remarqué que les particules soumises à la force forte se répartissaient suivant une structure mathématique élégante, mais que trois positions fondamentales (au sens mathématique de la théorie des représentations) de cette structure n'étaient pas réalisées. Il postula donc l'existence de particules plus fondamentales (au sens physique) que les protons et les neutrons. Des expériences permirent par la suite, en suivant cette théorie, de mettre en évidence leur existence.

Inversement, des expériences fines ou nouvelles ne coïncidant pas avec la théorie peuvent ou bien remettre en cause la théorie - comme ce fut le cas du problème du corps noir qui provoqua l'avènement de la mécanique quantique et la disparition du vitalisme ou de l'atomisme thermodynamique - ou bien pousser la théorie et le modèle à intégrer de nouveaux éléments. L'exemple de la découverte de Neptune est édifiante à ce titre. Les astronomes pouvaient faire une première expérience, celle de mesurer la trajectoire d'Uranus. Or la théorie de Newton donnait une trajectoire différente de celle constatée. Pour maintenir la théorie, Urbain Le Verrier et indépendamment John Adams postulèrent l'existence d'une nouvelle planète, et d'après cette hypothèse prédirent sa position, ce qui fut avéré après une seconde expérience qui consista à braquer un téléscope à l'endroit annoncé. Il est clair ici que l'interprétation de la première expérience est tributaire de la théorie, et la seconde n'aurait jamais pu avoir lieu sans cette même théorie et son calcul. Un autre exemple de ce type est l'existence du neutrino, qui a été supposée par Pauli pour expliquer le spectre continu de la désintégration bêta ainsi que l'apparente non-conservation du moment cinétique.

Modélisation et réel

L'histoire de la physique semble montrer qu'il est illusoire de penser que l'on finira par trouver un corpus fini d'équations qu'on ne pourra jamais contredire par expérience. Chaque théorie acceptée à une époque finit par révéler ses limites, et est intégrée dans une théorie plus large. La théorie newtonienne de la gravitation est valide dans des conditions où les vitesses sont petites et que les masses (ou de façon équivalente en relativité les énergies) mises en jeu sont faibles, mais lorsque les vitesses approchent la vitesse c de la lumière ou que les masses deviennent importantes, elle doit céder la place à la relativité générale. Par ailleurs, celle-ci est incompatible avec la mécanique quantique lorsque l'échelle d'étude est microscopique et dans des conditions d'énergie très grande (par exemple au moment du Big Bang ou alors au voisinage d'une singularité à l'intérieur d'un trou noir) et sans doute finira par être intégrée elle aussi dans un modèle plus vaste.

La physique trouve donc sa limite et son permanent renouveau naît dans l'impossibilité évidente d'atteindre un état de connaissance parfait et sans faille du réel. De nombreux philosophes, dont Emmanuel Kant, ont mis en garde contre toute croyance que la connaissance humaine des phénomènes peut coïncider avec le réel, s'il existe.

Notons que la conception moderne de la physique, en particulier depuis la découverte de la mécanique quantique ne se donne généralement plus comme objectif ultime de déterminer les causes premières des lois physiques mais seulement d'en expliquer le comment dans une approche positiviste. On pourra aussi retenir l'idée d'Albert Einstein sur le travail du physicien: faire de la physique c'est comme émettre des théories sur le fonctionnement d'une horloge sans jamais pouvoir l'ouvrir.

Esthétique, simplicité et efficacité

La physique possède une dimension esthétique. En effet, les théoriciens recherchent presque systématiquement à simplifier, unifier, symétriser les théories. Cela se fait par la réduction du nombre de constantes fondamentales (la constante G de la gravitation a intégré sous un même univers gravitationnel le monde sublunaire et supralunaire), par la réunion de cadres conceptuels auparavant distincts (la théorie de Maxwell a unifié magnétisme et électricité, l'interaction électrofaible a unifié l'électrodynamique quantique avec l'interaction faible et ainsi de suite jusqu'à la construction du modèle standard actuel de la physique des particules). La recherche des symétries dans la théorie, outre le fait que par le théorème de Noether elles produisent spontanément des constantes du mouvement (comme l'énergie se conserve quand les équations du système sont invariantes temporellement), est un vecteur de beauté des équations et de motivation des physiciens et depuis le le moteur principal des développements en physique théorique.

Néanmoins, des théories très complexes et peu élégantes d'un point de vue mathématique peuvent être très efficaces et dominer des théories beaucoup plus simples. L'Almageste de Ptolémée, basé sur une figure géométrique simple, le cercle, comportait un grand nombre de constantes dont dépendait la théorie, tout en ayant permis avec peu d'erreur de comprendre le ciel pendant plus de mille ans. Le modèle standard décrivant les particules élémentaires comporte également une trentaine de paramètres arbitraires, et pourtant jamais aucune théorie n'a été vérifiée expérimentalement aussi précisément. Toutefois, tout le monde s'accorde chez les physiciens pour penser que cette théorie sera sublimée et intégrée un jour dans une théorie plus simple et plus élégante, comme le système ptoléméen a disparu au profit de la théorie keplerienne, puis newtonienne.

Technique et physique

L'histoire de l'humanité montre que la pensée technique s'est développée bien avant les théories physiques, et à plus forte raison mathématisées. La roue et le levier, le travail des matériaux, en particulier la métallurgie, ont pu être réalisés sans ce qu'on appelle la physique. C'est par l'effort de rationalité des penseurs grecs et, par la suite, le perfectionnement des mathématiques, que la physique a pu révéler sa profondeur conceptuelle. Les théories physiques ont alors souvent permis le perfectionnement d'outils et de machines, ainsi que de leur utilisation.

Il faut attendre le pour que des théories donnent naissance à des techniques qui n'auraient pas pu voir le jour sans elles. Le cas du Laser est exemplaire : son invention repose fondamentalement sur la compréhension par la mécanique quantique des ondes lumineuses, de la linéarité de ses équations. On peut évidemment citer la bombe A et la bombe H comme créations techniques dépendant entièrement de la physique de leur époque. Moins guerrier, le GPS ne fonctionne que par l'intégration de la relativité restreinte et générale dans les calculs.

La physique et les autres sciences

La physique étant écrite en termes mathématiques, elle a depuis sa naissance eut des relations plus que profondes avec les mathématiques. Jusqu'au 20ème siècle, les mathématiciens étaient d'ailleurs la plupart du temps physiciens (et souvent philosophes). De ce fait la physique a très souvent été la source de développements profonds en mathématiques. Par exemple, le calcul différentiel, a été inventé indépendamment par Leibniz et Newton pour comprendre la dynamique en général, et la gravitation universelle en ce qui concerne le second. Le développement en série de Fourier, qui est devenu une branche à part entière de l'analyse, a été inventé par Joseph Fourier pour comprendre la diffusion de la chaleur.

Les sciences physiques sont bien sûr en relation avec d'autres sciences, en particulier la chimie, science des molécules et des composés chimiques. La chimie et la physique partagent de nombreux domaines, tels que la mécanique quantique, la thermodynamique et l'électromagnétisme. Toutefois, les phénomènes chimiques sont suffisamment vastes et variés pour que la chimie soit généralement considérée comme une discipline à part entière.

Physique et religions

Souvent les résultats obtenus par la physique, et par les autres sciences également, sont en conflit avec les religions. Celles-ci définissent en effet un ensemble de croyances qui, en général, incluent une description fixe de l'univers et de ses composants. La Bible décrit par exemple la genèse du monde et la naissance de l'homme. D'une part dans ses principes la physique ne peut pas être fixiste, d'autre part ses résultats peuvent contredire les affirmations présentes dans les textes sacrés. L'exemple le plus classique est l'affirmation chrétienne que la Terre est au centre du monde et qu'elle y est immobile. Certains scientifiques, comme Galilée eurent ainsi à subir les foudres de l'Inquisition pour avoir osé contredire ce type d'affirmation et furent condamnées pour hérésie. Ils n'ont été réhabilités par le Vatican que très récemment. Toutefois, nombreux sont les physiciens qui étaient ou bien très religieux, ou bien ordonnés eux-mêmes. Par exemple, Copernic était moine, Edme Mariotte était prêtre et Georges Lemaître abbé. Par ailleurs certaines religions ont pu encourager le développement de la recherche scientifique comme ce fut le cas de l'islam au Moyen Âge (voir Sciences et techniques islamiques à ce sujet). De nos jours un grand nombre de physiciens, et de scientifiques plus généralement, admettent volontiers avoir des convictions religieusesvoir ^* pour un sondage concernant les chercheurs en sciences sociales et naturelles travaillant aux Etats-Unis..

La recherche en physique

La culture de la recherche en physique présente une différence notable avec celle des autres sciences en ce qui concerne la séparation entre théorie et expérience. Depuis le , la majorité des physiciens sont spécialisés soit en physique théorique, soit en physique expérimentale. En revanche, presque tous les théoriciens renommés en chimie ou en biologie sont également des expérimentateurs.

La simulation numérique occupe une place très importante dans la recherche en physique et ce depuis les débuts de l'informatique. Elle permet en effet la résolution approchée de problèmes mathématiques qui ne peuvent pas être traités analytiquement. Beaucoup de théoriciens sont aussi des numériciens.

Principales théories

Bien que la physique s'intéresse à une grande variété de systèmes, certaines théories ne peuvent être rattachées qu'à la physique dans son ensemble et non à l'un de ses domaines. Chacune de ces théories est supposée juste, dans un certain domaine de validité ou d'applicabilité. Par exemple, la théorie de la mécanique classique (ou newtonienne) décrit fidèlement le mouvement d'un objet, pourvu que ses dimensions soit bien plus grandes que celles d'un atome et que sa vitesse soit bien inférieure à la vitesse de la lumière et que l'objet ne soit pas trop proche d'une masse importante et que celui-ci soit dépourvu de charge. Les théories anciennes comme par exemple la mécanique newtonienne sont encore des sujets de recherche notamment dans l'étude des phénomènes complexes (exemple : la théorie du chaos). Elles constituent la base de toute recherche en physique et tout étudiant en physique, quelle que soit sa spécialité, est censé acquérir les bases de chacune d'entre elles.

Théorie	Grands domaines	Concepts
Mécanique newtonienne	Cinématique - Lois du mouvement de Newton - Mécanique analytique - Mécanique des fluides - Mécanique du point - Mécanique du solide - Transformation de Galilée - Mécanique des milieux continus	Dimension - Espace - Temps - Référentiel - Longueur - Vitesse - Vitesse relative - Masse - Moment cinétique - Force - Énergie - Moment angulaire - Couple - Loi de conservation - Oscillateur harmonique - Onde - Travail - Puissance - Equilibre
Électromagnétisme	Electrostatique - Électricité - Magnétisme-Équations de Maxwell	Charge électrique - Courant électrique - Champ électrique - Champ magnétique - Champ électromagnétique - Onde électromagnétique
Physique statistique et Thermodynamique	Machine thermique - Théorie cinétique des gaz	Constante de Boltzmann - Entropie - Énergie libre - Chaleur - Fonction de partition - Température - Equilibre thermodynamique
Mécanique quantique	Intégrale de chemin - Équation de Schrödinger - Théorie quantique des champs	Hamiltonien - Boson - Fermion - Particules identiques - Constante de Planck - Oscillateur harmonique quantique - Fonction d'onde - Énergie de point zéro
Théories de la relativité	Relativité galiléenne - Relativité restreinte - Relativité générale	Principe d'équivalence - Quadrivecteur - Espace-temps - Vitesse de la lumière - Vitesse relative - Invariance de Lorentz

Disciplines de la physique

La recherche en physique contemporaine est divisée en diverses disciplines qui étudient des aspects différents du monde physique.

Domaine	Disciplines	Principales théories	Concepts
Astrophysique	Cosmologie - Planétologie - Physique des plasmas - Astroparticules	Big Bang - Inflation cosmique - Relativité générale - Matière noire - Rayons Cosmiques (origine, accélération, propagation)	Trou noir - Galaxie - Gravité - Onde gravitationnelle - Planète - Système solaire - Étoile
Physique quantique	Physique atomique - Physique moléculaire - Optique - Photonique	Optique quantique	Diffraction - Onde électromagnétique - Laser - Polarisation - interférences
Physique des particules	Accélérateur de particules - Physique nucléaire	Modèle standard - Théorie de grande unification - Théorie des cordes - Théorie M	Interaction élémentaire ( gravité - électromagnétisme - interaction faible - interaction forte ) Particule élémentaire - Antiparticule - Spin - Brisure spontanée de symétrie
Physique de la matière condensée	Physique du solide - Science des matériaux - Physique des polymères - Matière molle - physique mésoscopique - Systèmes désordonnés - Réseaux de neurones	Supraconductivité - Onde de Bloch - Gaz de fermions - Liquide de Fermi	État de la matière - ( Gaz - Liquide - Solide - Condensat de Bose-Einstein - Superfluide ) - Conducteur - Magnétisme - Auto-organisation - Spin - Brisure spontanée de symétrie