Physique

(Conférence de Solvay de 1927, avec des physiciens éminents tels qu’Albert Einstein, Werner Heisenberg, Max Planck, Hendrik Lorentz, Niels Bohr, Marie Curie, Erwin Schrödinger et Paul Dirac)

La physique est la science naturelle qui étudie la matière et son mouvement et comportement à travers l’espace et le temps et qui étudie les entités connexes de l’énergie et de la force. La physique est l’une des disciplines scientifiques les plus fondamentales et son objectif principal est de comprendre comment se comporte l’univers.

La physique est l’une des disciplines académiques les plus anciennes et, grâce à son inclusion de l’astronomie, peut-être la plus ancienne. Au cours des deux derniers millénaires, la physique, la chimie, la biologie et certaines branches des mathématiques faisaient partie de la philosophie naturelle, mais au cours de la révolution scientifique au XVIIe siècle, ces sciences naturelles sont apparues comme des activités de recherche uniques. La physique recoupe de nombreux domaines de recherche interdisciplinaires, tels que la biophysique et la chimie quantique, et les limites de la physique ne sont pas définies de façon rigide. De nouvelles idées en physique expliquent souvent les mécanismes fondamentaux étudiés par d’autres sciences et suggèrent de nouvelles voies de recherche dans des disciplines académiques telles que les mathématiques et la philosophie.

Les progrès de la physique permettent souvent d’avancer dans les nouvelles technologies. Par exemple, les progrès dans la compréhension de l’électromagnétisme et de la physique nucléaire ont conduit directement au développement de nouveaux produits qui ont radicalement transformé la société moderne tels que la télévision, les ordinateurs, les appareils ménagers et les armes nucléaires; les progrès de la thermodynamique ont conduit au développement de l’industrialisation; et les progrès de la mécanique ont inspiré le développement du calcul.

Théories fondamentales

Bien que la physique traite une grande variété de systèmes, certaines théories sont utilisées par tous les physiciens. Chacune de ces théories a été testée expérimentalement à de nombreuses reprises et s’est avérée être une approximation adéquate de la nature. Par exemple, la théorie de la mécanique classique décrit avec précision le mouvement des objets, à condition qu’ils soient beaucoup plus grands que les atomes et qu’ils se déplacent beaucoup moins que la vitesse de la lumière. Ces théories continuent d’être des domaines de recherche active aujourd’hui. La théorie du chaos, un aspect remarquable de la mécanique classique, a été découverte au XXe siècle, trois siècles après la formulation originale de la mécanique classique par Isaac Newton (1642-1727).

Ces théories centrales sont des outils importants pour la recherche de sujets plus spécialisés, et tout physicien, quelle que soit sa spécialisation, doivent être lettré dans ces domaines. Ceux-ci comprennent la mécanique classique, la mécanique quantique, la thermodynamique et la mécanique statistique, l’électromagnétisme et la relativité restreinte.

Physique classique

(Physique classique mise en œuvre dans un modèle d’ingénierie acoustique du son reflétant à partir d’un diffuseur acoustique. )

La physique classique comprend les branches traditionnelles et les sujets qui ont été reconnus et bien développés avant le début du 20ème siècle: la mécanique classique, l’acoustique, l’optique, la thermodynamique et l’électromagnétisme. La mécanique classique concerne les corps agissant sur des forces et des corps en mouvement et peut être divisée en statique (étude des forces sur un corps ou des corps non soumis à une accélération), cinématique (étude du mouvement sans égard à ses causes), et la dynamique (étude du mouvement et des forces qui l’affectent); la mécanique peut également être divisée en mécanique des solides et en mécanique des fluides (connues ensemble sous le nom de mécanique des milieux continus), ces dernières comprennent des branches telles que l’hydrostatique, l’hydrodynamique, l’aérodynamique et la pneumatique. L’acoustique est l’étude de la production, du contrôle, de la transmission et de la réception du son. Les branches modernes importantes de l’acoustique incluent ultrasons, l’étude des ondes sonores de très haute fréquence au delà de la gamme de l’audition humaine; la bioacoustique, la physique des appels et de l’ouïe des animaux, et l’électroacoustique, la manipulation d’ondes sonores audibles à l’aide de l’électronique.

L’optique, l’étude de la lumière, concerne non seulement la lumière visible, mais aussi les rayons infrarouges et ultraviolets qui présentent tous les phénomènes de la lumière visible, par exemple la visibilité, réflexion, réfraction, interférence, diffraction, dispersion et polarisation de la lumière. La chaleur est une forme d’énergie, l’énergie interne possédée par les particules dont une substance est composée; La thermodynamique traite des relations entre la chaleur et les autres formes d’énergie. L’électricité et le magnétisme ont été étudiés comme une seule branche de la physique puisque la connexion intime entre eux a été découverte au début du 19ème siècle; un courant électrique engendre un champ magnétique et un champ magnétique variable induit un courant électrique. L’électrostatique traite des charges électriques au repos, de l’électrodynamique avec des charges mobiles et de la magnétostatique avec des pôles magnétiques au repos.

Physique moderne

La physique classique s’intéresse généralement à la matière et à l’énergie à l’échelle normale de l’observation, alors qu’une grande partie de la physique moderne se préoccupe du comportement de la matière et de l’énergie dans des conditions extrêmes ou à très grande ou très petite échelle. Par exemple, les études de physique atomique et nucléaire sont importantes à l’échelle de laquelle les éléments chimiques peuvent être identifiés. La physique des particules élémentaires est sur une échelle encore plus petite car il est concerné aux unités de matière les plus élémentaires; cette branche de la physique est également connue sous le nom de physique des hautes énergies en raison des énergies extrêmement élevées nécessaires pour produire de nombreux types de particules dans les accélérateurs de particules. Sur cette échelle, les notions ordinaires de bon sens de l’espace, du temps, de la matière et de l’énergie ne sont plus valables.

Les deux théories principales de la physique moderne présentent une image différente des concepts de l’espace, du temps et de la matière par rapport à ceux présentés par la physique classique. La mécanique classique se rapproche de la nature comme continue, tandis que la théorie quantique s’intéresse à la nature discrète de nombreux phénomènes au niveau atomique et subatomique et aux aspects complémentaires des particules et des ondes dans la description de tels phénomènes. La théorie de la relativité concerne la description des phénomènes qui se déroulent dans un référentiel en mouvement par rapport à un observateur; la théorie spéciale de la relativité concerne le mouvement uniforme relatif dans une ligne droite et la théorie générale de la relativité avec le mouvement accéléré et sa connexion avec la gravitation. La théorie quantique et la théorie de la relativité trouvent des applications dans tous les domaines de la physique moderne.

Différence entre la physique classique et moderne

 (Les domaines de base de la physique)

Alors que la physique vise à découvrir des lois universelles, ses théories se situent dans des domaines explicites d’applicabilité. Autrement dit, les lois de la physique classique décrivent avec précision des systèmes dont les échelles de longueur importantes sont plus grandes que l’échelle atomique et dont les mouvements sont beaucoup plus lents que la vitesse de la lumière. En dehors de ce domaine, les observations ne correspondent pas aux prédictions fournies par la mécanique classique. Albert Einstein a contribué au cadre de la relativité restreinte, qui a remplacé les notions de temps et d’espace absolus par l’espace-temps et permis une description précise des systèmes dont les composantes ont des vitesses approchant la vitesse de la lumière. Max Planck, Erwin Schrödinger et d’autres ont introduit la mécanique quantique, une notion probabiliste des particules et des interactions qui a permis une description précise des échelles atomiques et subatomiques. Plus tard, la théorie quantique des champs a unifié la mécanique quantique et la relativité restreinte. La relativité générale a permis un espace-temps dynamique et courbe, avec lequel des systèmes très massifs et la structure à grande échelle de l’univers peuvent être bien décrits. La relativité générale n’a pas encore été unifiée avec les autres descriptions fondamentales; plusieurs théories candidates de la gravité quantique sont en cours de développement.

Relation avec d’autres domaines

 (Cette coulée de lave en forme de parabole illustre l’application des mathématiques en physique – dans ce cas, la loi de Galilée sur la chute des corps.)

(Les mathématiques et l’ontologie sont utilisées en physique, la physique est utilisée en chimie et en cosmologie.)

Conditions préalables

Les mathématiques fournissent un langage compact et exact utilisé pour décrire l’ordre dans la nature. Cela a été noté et préconisé par Pythagore, Platon, Galilée et Newton.

La physique utilise les mathématiques pour organiser et formuler des résultats expérimentaux. A partir de ces résultats, des solutions précises ou estimées, des résultats quantitatifs à partir desquels peuvent être faites de nouvelles prédictions et confirmées expérimentalement ou annulées. Les résultats des expériences de physique sont des mesures numériques. Les technologies basées sur les mathématiques, comme le calcul, ont fait de la physique computationnelle un domaine de recherche actif.

(La distinction entre les mathématiques et la physique est claire, mais pas toujours évidente, surtout en physique mathématique.)

L’ontologie est une condition préalable à la physique, mais pas aux mathématiques. Cela signifie que la physique est en fin de compte concernée par les descriptions du monde réel, tandis que les mathématiques concernent des modèles abstraits, même au-delà du monde réel. Les énoncés de physique sont donc synthétiques, tandis que les énoncés mathématiques sont analytiques. Les mathématiques contiennent des hypothèses, tandis que la physique contient des théories. Les énoncés mathématiques ne doivent être que logiquement vrais, alors que les prédictions des énoncés de physique doivent correspondre aux données observées et expérimentales.

La distinction est claire, mais pas toujours évidente. Par exemple, la physique mathématique est l’application des mathématiques en physique. Ses méthodes sont mathématiques, mais son sujet est physique. Les problèmes dans ce domaine commencent avec un « modèle mathématique d’une situation physique » (système) et une « description mathématique d’une loi physique » qui sera appliquée à ce système. Chaque énoncé mathématique utilisé pour la résolution a une signification physique difficile à trouver. La solution mathématique finale a une signification plus facile à trouver, car c’est ce que le solveur recherche.

La physique est une branche de la science fondamentale, pas une science pratique. La physique est également appelée «la science fondamentale» parce que le sujet d’étude de toutes les branches de la science naturelle comme la chimie, l’astronomie, la géologie et la biologie sont contraints par les lois de la physique, semblable à comment la chimie est souvent appelée la « science centrale » en raison de son rôle dans le lien entre les sciences physiques. Par exemple, la chimie étudie les propriétés, les structures et les réactions de la matière (l’accent mis par la chimie sur l’échelle atomique la distingue de la physique). Les structures sont formées parce que les particules exercent des forces électriques les unes sur les autres, les propriétés comprennent les caractéristiques physiques des substances données, et les réactions sont liées par les lois de la physique, comme la conservation de l’énergie, de la masse et de la charge.

La physique est appliquée dans des industries comme l’ingénierie et la médecine.

Application et influence

La physique appliquée est un terme général pour la recherche en physique qui est destiné à un usage particulier. Un programme de physique appliquée contient généralement quelques cours dans une discipline appliquée, comme la géologie ou l’électrotechnique. Il diffère généralement de l’ingénierie en ce sens qu’un physicien appliqué ne conçoit pas quelque chose en particulier, mais utilise plutôt la physique ou la recherche en physique pour développer de nouvelles technologies ou résoudre un problème.

L’approche est similaire à celle des mathématiques appliquées. Les physiciens appliqués utilisent la physique dans la recherche scientifique. Par exemple, les personnes travaillant sur la physique des accélérateurs pourraient chercher à construire de meilleurs détecteurs de particules pour la recherche en physique théorique.

La physique est largement utilisée en ingénierie. Par exemple, la statique, un sous-domaine de la mécanique, est utilisée dans la construction de ponts et d’autres structures statiques. La compréhension et l’utilisation de l’acoustique se traduisent par un contrôle du son et de meilleures salles de concert; de même, l’utilisation de l’optique crée de meilleurs dispositifs optiques. Une compréhension de la physique rend les simulateurs de vol plus réalistes, les jeux vidéo et les films, et est souvent critique dans les enquêtes médico-légales.

Avec le consensus standard que les lois de la physique sont universelles et ne changent pas avec le temps, la physique peut être utilisée pour étudier des choses qui seraient normalement embourbées dans l’incertitude. Par exemple, dans l’étude de l’origine de la Terre, on peut raisonnablement modéliser la masse, la température et le taux de rotation de la Terre en fonction du temps, en extrapolant vers l’avant ou vers l’arrière et ainsi prédire les événements futurs. Il permet également des simulations en ingénierie qui accélèrent considérablement le développement d’une nouvelle technologie.

Mais il existe également une interdisciplinarité considérable dans les méthodes du physicien, de sorte que de nombreux autres domaines importants sont influencés par la physique (par exemple, les domaines de l’éconophysique et de la sociophysique).