La physique

La physique est la science naturelle qui étudie la matière , ^[a] ses constituants fondamentaux , son mouvement et son comportement dans l’espace et le temps , ainsi que les entités connexes d’ énergie et de force . ^[2] La physique est l’une des disciplines scientifiques les plus fondamentales , son objectif principal étant de comprendre le comportement de l’ univers . ^{[b] [3] [4] [5]}

Divers exemples de phénomènes physiques

La physique est l’une des disciplines académiques les plus anciennes et, par son inclusion de l’astronomie , peut -être la plus ancienne. ^[6] Au cours des deux derniers millénaires, la physique, la chimie , la biologie et certaines branches des mathématiques faisaient partie de la philosophie naturelle , mais pendant la révolution scientifique au 17e siècle, ces sciences naturelles sont apparues comme des efforts de recherche uniques à part entière. . ^[c] 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 rigidement définies . Les nouvelles idées en physique expliquent souvent les mécanismes fondamentaux étudiés par d’autres sciences ^[3] et suggèrent de nouvelles voies de recherche dans ces disciplines et dans d’autres disciplines académiques telles que les mathématiques et la philosophie .

Les progrès de la physique permettent souvent des avancées dans les nouvelles technologies . Par exemple, les progrès dans la compréhension de l’Électromagnétisme , de la physique du solide 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 électroménagers et les armes nucléaires ; ^[3] les progrès de la thermodynamique ont conduit au développement de l’Industrialisation ; et les progrès de la mécanique ont inspiré le développement du calcul .

Histoire

Le mot « physique » vient du grec ancien : φυσική (ἐπιστήμη) , romanisé : physikḗ (epistḗmē) , signifiant « connaissance de la nature ». ^{[8] [9] [10]}

Astronomie antique

L’ astronomie de l’Égypte ancienne est évidente dans des monuments comme le plafond de la tombe de Senemut de la dix- huitième dynastie d’Égypte .

L’astronomie est l’une des plus anciennes sciences naturelles . Les premières civilisations datant d’avant 3000 avant notre ère, telles que les Sumériens , les anciens Égyptiens et la civilisation de la vallée de l’Indus , avaient une connaissance prédictive et une conscience de base des mouvements du Soleil, de la Lune et des étoiles. Les étoiles et les planètes, censées représenter des dieux, étaient souvent vénérées. Alors que les explications des positions observées des étoiles étaient souvent non scientifiques et manquaient de preuves, ces premières observations ont jeté les bases de l’astronomie ultérieure, car les étoiles se sont avérées traverser de grands cercles à travers le ciel, ^[6] ce qui n’a cependant pas expliqué le positions des planètes .

Selon Asger Aaboe , les origines de l’astronomie occidentale se trouvent en Mésopotamie , et tous les efforts occidentaux dans les sciences exactes sont issus de l’ astronomie babylonienne tardive . ^[11] les astronomes égyptiens ont laissé des monuments montrant la connaissance des constellations et les mouvements des corps célestes, ^[12] tandis que le poète grec Homer a écrit de divers objets célestes dans son Iliade et Odyssée ; plus tard , les astronomes grecs ont fourni des noms, qui sont encore utilisés aujourd’hui, pour la plupart des constellations visibles depuis l’ hémisphère nord .^[13]

Philosophie naturelle

La philosophie naturelle a ses origines en Grèce pendant la période archaïque (650 avant notre ère – 480 avant notre ère), lorsque des philosophes Présocratiques comme Thales ont rejeté les explications non naturalistes des phénomènes naturels et ont proclamé que chaque événement avait une cause naturelle. ^[14] Ils ont proposé des idées vérifiées par la raison et l’observation, et nombre de leurs hypothèses se sont avérées fructueuses dans l’expérience; ^[15] par exemple, l’atomisme s’est avéré correct environ 2000 ans après avoir été proposé par Leucippe et son élève Démocrite . ^[16]

Européen médiéval et islamique

L’ Empire romain d’Occident est tombé au Ve siècle, ce qui a entraîné un déclin des activités intellectuelles dans la partie occidentale de l’Europe. En revanche, l’ Empire romain d’Orient (également connu sous le nom d’ Empire byzantin ) a résisté aux attaques des barbares et a continué à faire progresser divers domaines d’apprentissage, y compris la physique. ^[17]

Au VIe siècle, Isidore de Milet a créé une importante compilation des œuvres d’Archimède qui sont copiées dans le Palimpseste d’Archimède .

Ibn al-Haytham (vers 965 – vers 1040), Livre d’optique Livre I, [6.85], [6.86]. Le livre II, [3.80] décrit ses expériences de camera obscura . ^[18]

Dans l’Europe du VIe siècle, John Philoponus , un érudit byzantin, a remis en question l’enseignement de la physique d’ Aristote et a noté ses défauts. Il a introduit la théorie de l’impulsion . La physique d’Aristote n’a pas été examinée jusqu’à ce que Philoponus apparaisse; contrairement à Aristote, qui fondait sa physique sur l’argument verbal, Philoponus s’appuyait sur l’observation. Sur la physique d’Aristote, Philoponus a écrit :

Mais c’est complètement erroné, et notre point de vue peut être corroboré par une observation réelle plus efficacement que par n’importe quelle sorte d’argument verbal. Car si vous laissez tomber de la même hauteur deux poids dont l’un est plusieurs fois plus lourd que l’autre, vous verrez que le rapport des temps nécessaires au mouvement ne dépend pas du rapport des poids, mais que la différence dans le temps est très petit. Et ainsi, si la différence des poids n’est pas considérable, c’est-à-dire que l’un est, disons, le double de l’autre, il n’y aura pas de différence, ou bien une différence imperceptible, dans le temps, quoique la différence de poids soit de pas négligeable, un corps pesant deux fois plus que l’autre ^[19]

La critique de Philoponus des principes aristotéliciens de la physique a servi d’inspiration à Galileo Galilei dix siècles plus tard, ^[20] pendant la Révolution scientifique . Galilée a cité Philoponus de manière substantielle dans ses travaux en soutenant que la physique aristotélicienne était défectueuse. ^{[21] [22]} Dans les années 1300 , Jean Buridan , professeur à la faculté des arts de l’Université de Paris, développe le concept d’impulsion. C’était un pas vers les idées modernes d’inertie et d’élan. ^[23]

L’érudition islamique a hérité de la physique aristotélicienne des Grecs et, au cours de l’ âge d’or islamique, l’ a développée davantage, en mettant particulièrement l’accent sur l’observation et le raisonnement a priori , développant les premières formes de la méthode scientifique .

Le fonctionnement de base d’un appareil photo à sténopé

Les innovations les plus notables concernaient le domaine de l’optique et de la vision, issues des travaux de nombreux scientifiques comme Ibn Sahl , Al-Kindi , Ibn al-Haytham , Al-Farisi et Avicenne . L’ouvrage le plus remarquable était Le Livre de l’optique (également connu sous le nom de Kitāb al-Manāẓir), écrit par Ibn al-Haytham, dans lequel il a réfuté de manière concluante l’idée grecque antique sur la vision, mais a également proposé une nouvelle théorie. Dans le livre, il présente une étude du phénomène de la camera obscura (sa version millénaire du sténopé) et approfondi le fonctionnement de l’œil lui-même. À l’aide de dissections et des connaissances d’érudits précédents, il a pu commencer à expliquer comment la lumière pénètre dans l’œil. Il a affirmé que le rayon lumineux est focalisé, mais l’explication réelle de la façon dont la lumière projetée à l’arrière de l’œil a dû attendre jusqu’en 1604. Son Traité sur la lumière a expliqué la camera obscura, des centaines d’années avant le développement moderne de la photographie. ^[24]

Le livre d’optique en sept volumes ( Kitab al-Manathir ) a énormément influencé la réflexion dans toutes les disciplines, de la théorie de la perception visuelle à la nature de la perspective dans l’art médiéval, à la fois en Orient et en Occident, pendant plus de 600 ans. De nombreux érudits européens ultérieurs et autres polymathes, de Robert Grosseteste et Léonard de Vinci à René Descartes , Johannes Kepler et Isaac Newton , lui étaient redevables. En effet, l’influence de l’Optique d’Ibn al-Haytham côtoie celle de l’ouvrage de Newton du même titre, publié 700 ans plus tard.

La traduction du Livre d’optique a eu un énorme impact sur l’Europe. À partir de là, les érudits européens ultérieurs ont pu construire des appareils reproduisant ceux qu’Ibn al-Haytham avait construits et comprendre le fonctionnement de la lumière. À partir de là, des inventions importantes telles que des lunettes, des loupes, des télescopes et des appareils photo ont été développées.

Classique

Galileo Galilei a montré une appréciation moderne de la relation appropriée entre les mathématiques, la physique théorique et la physique expérimentale. Sir Isaac Newton (1643-1727), dont les lois du mouvement et de la gravitation universelle ont été des jalons majeurs de la physique classique

La physique est devenue une science distincte lorsque les premiers Européens modernes ont utilisé des méthodes expérimentales et quantitatives pour découvrir ce qui est maintenant considéré comme les Lois de la physique . ^{[25] [ pages nécessaires ]}

Les principaux développements de cette période comprennent le remplacement du modèle géocentrique du système solaire par le modèle héliocentrique de Copernic , les lois régissant le mouvement des corps planétaires (déterminées par Kepler entre 1609 et 1619), les travaux pionniers de Galilée sur les télescopes et l’astronomie d’observation dans le XVIe et XVIIe siècles, et la découverte et l’unification par Newton des lois du mouvement et de la gravitation universelle (qui portera son nom). ^[26] Newton a également développé le calcul , ^[d]l’étude mathématique du changement, qui a fourni de nouvelles méthodes mathématiques pour résoudre des problèmes physiques. ^[27]

La découverte de nouvelles lois en thermodynamique , en chimie et en Électromagnétisme a résulté d’efforts de recherche accrus pendant la révolution industrielle à mesure que les besoins énergétiques augmentaient. ^[28] Les lois composant la physique classique restent très largement utilisées pour les objets à l’échelle de tous les jours se déplaçant à des vitesses non relativistes, car elles fournissent une approximation très proche dans de telles situations, et des théories telles que la mécanique quantique et la théorie de la relativité simplifient leur théorie classique . équivalents à de telles échelles. Cependant, les imprécisions de la mécanique classiquepour de très petits objets et des vitesses très élevées ont conduit au développement de la physique moderne au XXe siècle.

Moderne

Max Planck (1858-1947), l’initiateur de la théorie de la mécanique quantique Albert Einstein (1879–1955), dont les travaux sur l’ effet photoélectrique et la théorie de la relativité ont conduit à une révolution dans la physique du XXe siècle

La physique moderne a commencé au début du XXe siècle avec les travaux de Max Planck sur la théorie quantique et la théorie de la relativité d’ Albert Einstein . Ces deux théories sont nées d’inexactitudes de la mécanique classique dans certaines situations. La mécanique classique a prédit une vitesse variable de la lumière , qui ne pouvait pas être résolue avec la vitesse constante prédite par les équations d’Électromagnétisme de Maxwell ; cet écart a été corrigé par la théorie de la relativité restreinte d’Einstein , qui a remplacé la mécanique classique pour les corps en mouvement rapide et a permis une vitesse constante de la lumière. ^[29] Rayonnement du corps noira fourni un autre problème pour la physique classique, qui a été corrigé lorsque Planck a proposé que l’excitation des oscillateurs matériels n’est possible que par étapes discrètes proportionnelles à leur fréquence ; cela, associé à l’ effet photoélectrique et à une théorie complète prédisant les Niveaux d’énergie discrets des orbitales d’ électrons , a conduit à la théorie de la mécanique quantique prenant le relais de la physique classique à très petite échelle. ^[30]

La mécanique quantique serait lancée par Werner Heisenberg , Erwin Schrödinger et Paul Dirac . ^[30] De ces premiers travaux et des travaux dans des domaines connexes, le modèle standard de la physique des particules a été dérivé. ^[31] Suite à la découverte d’une particule aux propriétés compatibles avec le boson de Higgs au CERN en 2012, ^[32] toutes les Particules fondamentales prédites par le modèle standard, et aucune autre, semblent exister ; cependant, la physique au-delà du modèle standard , avec des théories telles que la supersymétrie , est un domaine de recherche actif.^[33] Les domaines des mathématiques en général sont importants pour ce domaine, comme l’étude des probabilités et des groupes .

Philosophie

À bien des égards, la physique découle de la philosophie grecque antique . De la première tentative de Thales pour caractériser la matière, à la déduction de Démocrite selon laquelle la matière doit être réduite à un état invariant, l’ Astronomie ptolémaïque d’un firmament cristallin et le livre d’Aristote Physique (un des premiers livres sur la physique, qui tentait d’analyser et de définir le mouvement à partir d’un point de vue philosophique), divers philosophes grecs ont avancé leurs propres théories de la nature. La physique était connue sous le nom de philosophie naturelle jusqu’à la fin du XVIIIe siècle. ^[e]

Au XIXe siècle, la physique est devenue une discipline distincte de la philosophie et des autres sciences. La physique, comme le reste de la science, s’appuie sur la philosophie des sciences et sa «méthode scientifique» pour faire progresser notre connaissance du monde physique. ^[35] La méthode scientifique emploie un raisonnement a priori ainsi qu’un raisonnement a posteriori et l’utilisation de l’inférence bayésienne pour mesurer la validité d’une théorie donnée. ^[36]

Le développement de la physique a répondu à de nombreuses questions des premiers philosophes, mais a également soulevé de nouvelles questions. L’étude des questions philosophiques entourant la physique, la philosophie de la physique, implique des questions telles que la nature de l’espace et du temps , le déterminisme et des perspectives métaphysiques telles que l’ empirisme , le naturalisme et le réalisme . ^[37]

De nombreux physiciens ont écrit sur les implications philosophiques de leur travail, par exemple Laplace , qui a défendu le Déterminisme causal , ^[38] et Schrödinger, qui a écrit sur la mécanique quantique. ^{[39] [40]} Le physicien mathématicien Roger Penrose avait été qualifié de platonicien par Stephen Hawking , ^[41] un point de vue que Penrose discute dans son livre, The Road to Reality . ^[42] Hawking s’est qualifié de “réductionniste éhonté” et a contesté les vues de Penrose. ^[43]

Théories fondamentales

Bien que la physique traite d’une grande variété de systèmes, certaines théories sont utilisées par tous les physiciens. Chacune de ces théories a été testée expérimentalement de nombreuses fois 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 gros que les atomes et se déplacent à une vitesse bien inférieure à 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 Newton (1642-1727).

Ces théories centrales sont des outils importants pour la recherche sur des sujets plus spécialisés, et tout physicien, quelle que soit sa spécialisation, est censé les connaître. Ceux-ci incluent la mécanique classique, la mécanique quantique, la thermodynamique et la mécanique statistique , l’Électromagnétisme et la relativité restreinte.

Classique

La physique classique comprend les branches et les sujets traditionnels qui étaient reconnus et bien développés avant le début du XXe siècle : la mécanique classique, l’ acoustique , l’optique , la thermodynamique et l’Électromagnétisme. La mécanique classique s’intéresse aux corps soumis à des forces et aux 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 tenir compte de ses causes), et dynamique (étude du mouvement et des forces qui l’affectent) ; la mécanique peut également être divisée en mécanique des solides et mécanique des fluides(connues ensemble sous le nom de mécanique du continuum ), ces dernières comprennent des branches telles que l’hydrostatique , l’ hydrodynamique , l’aérodynamique et la pneumatique . L’acoustique est l’étude de la façon dont le son est produit, contrôlé, transmis et reçu. ^[44] Les branches modernes importantes de l’acoustique comprennent les ultrasons , l’étude des ondes sonores de très haute fréquence au-delà de la gamme de l’ouïe humaine ; la bioacoustique , la physique des cris et de l’ouïe des animaux, ^[45] et l’ électroacoustique , la manipulation des ondes sonores audibles à l’aide de l’électronique. ^[46]

L’optique, l’étude de la lumière , s’intéresse non seulement à la lumière visible mais aussi aux rayonnements infrarouge et ultraviolet , qui présentent tous les phénomènes de la lumière visible à l’exception de la visibilité, par exemple la réflexion, la réfraction, l’interférence, la diffraction, la dispersion et la 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 depuis que le lien intime entre eux a été découvert au début du 19e siècle ; unle courant électrique donne naissance à un champ magnétique et un champ magnétique changeant induit un courant électrique. L’électrostatique traite des charges électriques au repos, l’ électrodynamique des charges en mouvement et la magnétostatique des pôles magnétiques au repos.

Moderne

La physique classique s’intéresse généralement à la matière et à l’énergie à l’échelle normale d’observation, tandis qu’une grande partie de la physique moderne s’intéresse au comportement de la matière et de l’énergie dans des conditions extrêmes ou à très grande ou très petite échelle. Par exemple, la physique atomique et nucléaire étudie la matière à la plus petite échelle à laquelle les éléments chimiques peuvent être identifiés. La physique des particules élémentaires est à une échelle encore plus réduite puisqu’elle s’intéresse aux unités les plus élémentaires de la matière ; 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. À cette échelle, les notions ordinaires et sensées d’espace, de temps, de matière et d’énergie ne sont plus valables. ^[47]

Les deux principales théories de la physique moderne présentent une image des concepts d’espace, de temps et de matière différente de celle présentée 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 ces phénomènes. La théorie de la relativité s’intéresse à la description de phénomènes qui se déroulent dans un référentiel en mouvement par rapport à un observateur ; la théorie restreinte de la relativité concerne le mouvement en l’absence de champs gravitationnels et la théorie générale de la relativité le mouvement et son lien avec la gravitation. La théorie quantique et la théorie de la relativité trouvent toutes deux des applications dans tous les domaines de la physique moderne. ^[48]

Concepts fondamentaux de la physique moderne

• Causalité
• Covariance
• Action
• Champ physique
• Symétrie
• Interaction physique
• Ensemble statistique
• Quantum
• Vague
• Particule

Différence

Les domaines fondamentaux de la physique

Alors que la physique vise à découvrir des lois universelles, ses théories se situent dans des domaines d’applicabilité explicites.

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

En gros, les Lois de la physique classique décrivent avec précision des systèmes dont les échelles de longueur importantes sont supérieures à 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. 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 a permis une description précise des systèmes dont les composants ont des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Planck, 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 champsmécanique quantique unifiée et 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 d’élaboration.

Relation avec d’autres domaines

Cette coulée de lave en forme de parabole illustre l’application des mathématiques à la 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 défendu par Pythagore , ^[49] Platon , ^[50] Galilée, ^[51] et Newton.

La physique utilise les mathématiques ^[52] pour organiser et formuler des résultats expérimentaux. A partir de ces résultats, des solutions précises ou estimées sont obtenues, ou des résultats quantitatifs, à partir desquels de nouvelles prédictions peuvent être faites et expérimentalement confirmées ou infirmées. Les résultats des expériences de physique sont des données numériques, avec leurs unités de mesure et des estimations des erreurs dans les mesures. Les technologies basées sur les mathématiques, comme le calcul , ont fait de la physique computationnelle un domaine de recherche actif.

La distinction entre mathématiques et physique est nette, mais pas toujours évidente, surtout en physique mathématique.

L’ontologie est un pré-requis pour la physique, mais pas pour les mathématiques. Cela signifie que la physique s’intéresse en fin de compte aux descriptions du monde réel, tandis que les mathématiques s’intéressent aux modèles abstraits, même au-delà du monde réel. Ainsi, les énoncés physiques sont 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, tandis que les prédictions des énoncés physiques doivent correspondre aux données observées et expérimentales.

La distinction est nette, mais pas toujours évidente. Par exemple, la physique mathématique est l’application des mathématiques à la physique. Ses méthodes sont mathématiques, mais son sujet est physique. ^[53] Les problèmes dans ce domaine commencent par 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 résoudre a une signification physique difficile à trouver. La solution mathématique finale a une signification plus facile à trouver, car c’est ce que recherche le solveur. ^{[ clarification nécessaire ]}

La physique pure est une branche de la science fondamentale (également appelée science fondamentale). La physique est aussi appelée ” la science fondamentale” parce que toutes les branches des sciences naturelles comme la chimie, l’astronomie, la géologie et la biologie sont contraintes par les Lois de la physique. ^[54] De même, la chimie est souvent appelée la science centrale en raison de son rôle de liaison avec 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 moléculaire et atomique la distingue de la physique). Les structures se forment parce que les particules exercent des forces électriques les unes sur les autres, les propriétés incluent les caractéristiques physiques de 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

Physique classique mise en œuvre dans un modèle d’ ingénierie acoustique du son réfléchi par un diffuseur acoustique La vis d’Archimède , une machine simple pour soulever Expérimenter avec un laser

La physique appliquée est un terme général désignant la recherche en physique, destinée à un usage particulier. Un programme de physique appliquée contient généralement quelques cours dans une discipline appliquée, comme la géologie ou le génie électrique. Il diffère généralement de l’ingénierie en ce qu’un physicien appliqué peut ne pas concevoir quelque chose en particulier, mais plutôt utiliser la physique ou mener des recherches en physique dans le but de développer de nouvelles technologies ou de 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 , les jeux vidéo et les films plus réalistes, et est souvent essentielle dans les enquêtes médico -légales.

Avec le consensus standard selon lequel 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 la vitesse de rotation de la terre, en fonction du temps, ce qui permet d’extrapoler en avant ou en arrière dans le temps et ainsi de prédire des événements futurs ou antérieurs. Cela permet également des simulations en ingénierie qui accélèrent considérablement le développement d’une nouvelle technologie.

Mais il y a aussi une interdisciplinarité considérable , tant d’autres domaines importants sont influencés par la physique (par exemple, les domaines de l’ éconophysique et de la sociophysique ).

Rechercher

Méthode scientifique

Les physiciens utilisent la méthode scientifique pour tester la validité d’une théorie physique . En utilisant une approche méthodique pour comparer les implications d’une théorie avec les conclusions tirées de ses expériences et observations connexes, les physiciens sont mieux à même de tester la validité d’une théorie de manière logique, impartiale et reproductible. À cette fin, des expériences sont réalisées et des observations sont faites afin de déterminer la validité ou l’invalidité de la théorie. ^[55]

Une loi scientifique est un énoncé verbal ou mathématique concis d’une relation qui exprime un principe fondamental d’une théorie, telle que la loi de la gravitation universelle de Newton. ^[56]

Théorie et expérience

L’ astronaute et la Terre sont tous les deux en chute libre . La foudre est un courant électrique .

Les théoriciens cherchent à développer des modèles mathématiques qui sont à la fois en accord avec les expériences existantes et prédisent avec succès les résultats expérimentaux futurs, tandis que les expérimentateurs conçoivent et réalisent des expériences pour tester les prédictions théoriques et explorer de nouveaux phénomènes. Bien que la théorie et l’expérience soient développées séparément, elles s’influencent et dépendent fortement l’une de l’autre. Les progrès en physique surviennent fréquemment lorsque les résultats expérimentaux défient l’explication par les théories existantes, ce qui incite à se concentrer sur la modélisation applicable, et lorsque de nouvelles théories génèrent des prédictions expérimentalement testables , qui inspirent le développement de nouvelles expériences (et souvent d’équipements connexes). ^[57]

Les physiciens qui travaillent à l’interaction de la théorie et de l’expérience sont appelés phénoménologues , ils étudient des phénomènes complexes observés expérimentalement et s’efforcent de les relier à une théorie fondamentale . ^[58]

La physique théorique s’est historiquement inspirée de la philosophie ; l’Électromagnétisme a été unifié de cette façon. ^[f] Au-delà de l’univers connu, le domaine de la physique théorique traite également de questions hypothétiques, ^[g] telles que des univers parallèles , un multivers et des dimensions supérieures . Les théoriciens invoquent ces idées dans l’espoir de résoudre des problèmes particuliers avec les théories existantes ; ils explorent ensuite les conséquences de ces idées et s’efforcent de faire des prédictions vérifiables.

La physique expérimentale se développe et se développe par l’ingénierie et la technologie . Les physiciens expérimentaux impliqués dans la recherche fondamentale , conçoivent et réalisent des expériences avec des équipements tels que les accélérateurs de particules et les lasers , tandis que ceux impliqués dans la recherche appliquée travaillent souvent dans l’industrie, développant des technologies telles que l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et les transistors . Feynman a noté que les expérimentateurs peuvent rechercher des domaines qui n’ont pas été bien explorés par les théoriciens. ^[59]

Portée et objectifs

La physique consiste à modéliser le monde naturel avec une théorie, généralement quantitative. Ici, la trajectoire d’une particule est modélisée avec les mathématiques du calcul pour expliquer son comportement : du ressort de la branche de la physique connue sous le nom de mécanique .

La physique couvre un large éventail de phénomènes , des particules élémentaires (telles que les quarks, les neutrinos et les électrons) aux plus grands superamas de galaxies. Inclus dans ces phénomènes sont les objets les plus élémentaires qui composent toutes les autres choses. Par conséquent, la physique est parfois appelée la “science fondamentale”. ^[54] La physique vise à décrire les divers phénomènes qui se produisent dans la nature en termes de phénomènes plus simples. Ainsi, la physique vise à la fois à relier les choses observables par les humains aux causes profondes, puis à relier ces causes ensemble.

Par exemple, les anciens chinois observaient que certaines roches ( magnétite et magnétite ) étaient attirées les unes vers les autres par une force invisible. Cet effet a ensuite été appelé magnétisme, qui a été rigoureusement étudié pour la première fois au 17ème siècle. Mais même avant que les Chinois ne découvrent le magnétisme, les anciens Grecs connaissaient d’autres objets tels que l’ ambre , qui, frottés avec de la fourrure, provoqueraient une attraction invisible similaire entre les deux. ^[60]Cela a également été étudié rigoureusement pour la première fois au 17ème siècle et a été appelé électricité. Ainsi, la physique en était venue à comprendre deux observations de la nature en termes de cause profonde (l’électricité et le magnétisme). Cependant, d’autres travaux au 19ème siècle ont révélé que ces deux forces n’étaient que deux aspects différents d’une seule force – l’Électromagnétisme. Ce processus d'”unification” des forces se poursuit aujourd’hui, et l’Électromagnétisme et la force nucléaire faible sont désormais considérés comme deux aspects de l’ interaction électrofaible . La physique espère trouver une raison ultime (théorie de tout) expliquant pourquoi la nature est telle qu’elle est (voir la section Recherches en cours ci-dessous pour plus d’informations). ^[61]

Domaines de recherche

La recherche contemporaine en physique peut être largement divisée en physique nucléaire et physique des particules; physique de la matière condensée ; physique atomique, moléculaire et optique ; astrophysique ; et physique appliquée. Certains départements de physique soutiennent également la recherche sur l’enseignement de la physique et la sensibilisation à la physique . ^[62]

Depuis le XXe siècle, les domaines individuels de la physique se sont de plus en plus spécialisés et aujourd’hui, la plupart des physiciens travaillent dans un seul domaine pendant toute leur carrière. Les “universalistes” comme Einstein (1879-1955) et Lev Landau (1908-1968), qui ont travaillé dans de multiples domaines de la physique, sont désormais très rares. ^[h]

Les principaux domaines de la physique, ainsi que leurs sous-domaines et les théories et concepts qu’ils emploient, sont présentés dans le tableau suivant.

Domaine	Sous-champs	Théories majeures	Notions
Physique nucléaire et des particules	Physique nucléaire , Astrophysique nucléaire , Physique des particules , Physique des astroparticules , Phénoménologie de la physique des particules	Modèle standard , Théorie quantique des champs , Électrodynamique quantique , Chromodynamique quantique , Théorie électrofaible , Théorie effective des champs , Théorie des champs sur treillis , Théorie de jauge sur treillis , Théorie de jauge , Supersymétrie , Théorie de la grande unification , Théorie des supercordes , Théorie M	Interaction fondamentale ( gravitationnelle , électromagnétique , faible , forte ) Particule élémentaire , Spin , Antimatière , Rupture spontanée de la symétrie , Oscillation des neutrinos , Mécanisme de bascule , Brane , Corde , Gravité quantique , Théorie du tout , Énergie du vide
Physique atomique, moléculaire et optique	Physique atomique , Physique moléculaire , Astrophysique atomique et moléculaire , Physique chimique , Optique , Photonique	Optique quantique , Chimie quantique , Science de l’information quantique	Photon , Atome , Molécule , Diffraction , Rayonnement électromagnétique , Laser , Polarisation (ondes) , Ligne spectrale , Effet Casimir
La physique de la matière condensée	Physique du solide , Physique des hautes pressions , Physique des basses températures , Physique des surfaces , Physique nanométrique et mésoscopique , Physique des polymères	Théorie BCS , Théorème de Bloch , Théorie de la fonctionnelle de la densité , Gaz de Fermi , Théorie du liquide de Fermi , Théorie à N corps , Mécanique statistique	Phases ( gaz , liquide , solide ) Condensat de Bose-Einstein , Conduction électrique , Phonon , Magnétisme , Auto-organisation , Semi- conducteur , supraconducteur , superfluidité , Spin ,
Astrophysique	Astronomie , Astrométrie , Cosmologie , Physique de la gravitation , Astrophysique des hautes énergies , Astrophysique planétaire , Physique des plasmas , Physique solaire , Physique spatiale , Astrophysique stellaire	Big Bang , Inflation cosmique , Relativité générale , Loi de gravitation universelle de Newton , Modèle Lambda-CDM , Magnétohydrodynamique	Trou noir , Rayonnement de fond cosmique , Corde cosmique , Cosmos , Énergie noire , Matière noire , Galaxie , Gravité , Rayonnement gravitationnel , Singularité gravitationnelle , Planète , Système solaire , Étoile , Supernova , Univers
Physique appliquée	, _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _Océanographie physique , Physique du calcul , Physique des plasmas , Dispositifs à l’état solide , Chimie quantique , Électronique quantique , Science de l’information quantique , Dynamique des véhicules

Nucléaire et particules Un événement simulé dans le détecteur CMS du Large Hadron Collider , avec une apparition possible du boson de Higgs .

La physique des particules est l’étude des constituants élémentaires de la matière et de l’énergie et des interactions entre eux. ^[63] De plus, les physiciens des particules conçoivent et développent les accélérateurs de haute énergie, ^[64] les détecteurs, ^[65] et les programmes informatiques ^[66] nécessaires à cette recherche. Le domaine est également appelé “physique des hautes énergies” car de nombreuses particules élémentaires ne se produisent pas naturellement mais sont créées uniquement lors de collisions à haute énergie d’autres particules. ^[67]

Actuellement, les interactions des particules élémentaires et des champs sont décrites par le modèle standard . ^[68] Le modèle tient compte des 12 particules de matière connues ( quarks et leptons ) qui interagissent via les forces fondamentales fortes , faibles et électromagnétiques . ^[68] La dynamique est décrite en termes de particules de matière échangeant des bosons de jauge ( gluons , bosons W et Z et photons , respectivement). ^[69] Le modèle standard prédit également une particule connue sous le nom de boson de Higgs. ^[68]En juillet 2012, le CERN, le laboratoire européen de physique des particules, a annoncé la détection d’une particule compatible avec le boson de Higgs, ^[70] partie intégrante du mécanisme de Higgs .

La physique nucléaire est le domaine de la physique qui étudie les constituants et les interactions des noyaux atomiques . Les applications les plus connues de la physique nucléaire sont la production d’énergie nucléaire et la technologie des armes nucléaires , mais la recherche a fourni des applications dans de nombreux domaines, y compris ceux de la médecine nucléaire et de l’imagerie par résonance magnétique, de l’ implantation d’ions dans l’ingénierie des matériaux et de la datation au radiocarbone en géologie et archéologie . .

Atomique, moléculaire et optique

La physique atomique, moléculaire et optique (AMO) est l’étude des interactions matière-matière et lumière-matière à l’échelle d’atomes et de molécules uniques. Les trois domaines sont regroupés en raison de leurs interrelations, de la similitude des méthodes utilisées et de la similitude de leurs échelles d’énergie pertinentes. Les trois domaines comprennent à la fois des traitements classiques, semi-classiques et quantiques ; ils peuvent traiter leur sujet d’un point de vue microscopique (contrairement à un point de vue macroscopique).

La physique atomique étudie les couches électroniques des atomes. La recherche actuelle se concentre sur les activités de contrôle quantique, le refroidissement et le piégeage des atomes et des ions, ^{[71] [72] [73]} la dynamique des collisions à basse température et les effets de la corrélation électronique sur la structure et la dynamique. La physique atomique est influencée par le noyau (voir séparation hyperfine ), mais les phénomènes intra-nucléaires tels que la fission et la fusion sont considérés comme faisant partie de la physique nucléaire.

La physique moléculaire se concentre sur les structures multi-atomiques et leurs interactions internes et externes avec la matière et la lumière. La physique optique se distingue de l’optique en ce qu’elle tend à se concentrer non pas sur le contrôle des champs lumineux classiques par des objets macroscopiques, mais sur les propriétés fondamentales des champs optiques et leurs interactions avec la matière dans le domaine microscopique.

La matière condensée Données de distribution de vitesse d’un gaz d’atomes de rubidium , confirmant la découverte d’une nouvelle phase de la matière, le condensat de Bose-Einstein

La physique de la matière condensée est le domaine de la physique qui traite des propriétés physiques macroscopiques de la matière. ^{[74] [75]} En particulier, il s’agit des phases “condensées” qui apparaissent chaque fois que le nombre de particules dans un système est extrêmement grand et que les interactions entre elles sont fortes. ^[76]

Les exemples les plus connus de phases condensées sont les solides et les liquides , qui résultent de la liaison par la force électromagnétique entre les atomes. ^[77] Les phases condensées plus exotiques incluent le superfluide ^[78] et le condensat de Bose-Einstein ^[79] trouvés dans certains systèmes atomiques à très basse température, la phase supraconductrice présentée par les électrons de conduction dans certains matériaux, ^[80] et les phases ferromagnétique et phases antiferromagnétiques des spins sur les réseaux atomiques .^[81]

La physique de la matière condensée est le domaine le plus vaste de la physique contemporaine. Historiquement, la physique de la matière condensée est issue de la physique du solide, qui est maintenant considérée comme l’un de ses principaux sous-domaines. ^[82] Le terme physique de la matière condensée a apparemment été inventé par Philip Anderson lorsqu’il a renommé son groupe de recherche – anciennement théorie de l’état solide – en 1967. ^[83] En 1978, la Division de physique de l’état solide de l’ American Physical Society a été renommée la Division de Physique de la Matière Condensée. ^[82] La physique de la matière condensée chevauche largement la chimie, la science des matériaux , la nanotechnologie et l’ingénierie.^[76]

Astrophysique L’image en lumière visible la plus profonde de l’ univers , le Hubble Ultra-Deep Field

L’astrophysique et l’astronomie sont l’application des théories et des méthodes de la physique à l’étude de la structure stellaire , de l’ évolution stellaire , de l’origine du système solaire et des problèmes connexes de cosmologie . Parce que l’astrophysique est un sujet vaste, les astrophysiciens appliquent généralement de nombreuses disciplines de la physique, notamment la mécanique, l’Électromagnétisme, la mécanique statistique, la thermodynamique, la mécanique quantique, la relativité, la physique nucléaire et des particules et la physique atomique et moléculaire. ^[84]

La découverte par Karl Jansky en 1931 que les signaux radio étaient émis par les corps célestes a lancé la science de la radioastronomie . Plus récemment, les frontières de l’astronomie ont été repoussées par l’exploration spatiale. Les perturbations et les interférences de l’atmosphère terrestre rendent les observations spatiales nécessaires pour l’ astronomie dans l’infrarouge , l’ ultraviolet , les rayons gamma et les rayons X.

La cosmologie physique est l’étude de la formation et de l’évolution de l’univers à ses plus grandes échelles. La théorie de la relativité d’Albert Einstein joue un rôle central dans toutes les théories cosmologiques modernes. Au début du XXe siècle, la découverte par Hubble que l’univers est en expansion, comme le montre le diagramme de Hubble , a suscité des explications rivales connues sous le nom d’ univers en état d’équilibre et de Big Bang .

Le Big Bang a été confirmé par le succès de la nucléosynthèse du Big Bang et la découverte du fond diffus cosmologique en 1964. Le modèle du Big Bang repose sur deux piliers théoriques : la relativité générale d’Albert Einstein et le principe cosmologique . Les cosmologistes ont récemment établi le modèle ΛCDM de l’évolution de l’univers, qui comprend l’inflation cosmique , l’énergie noire et la matière noire .

De nombreuses possibilités et découvertes devraient émerger des nouvelles données du télescope spatial Fermi à rayons gamma au cours de la prochaine décennie et réviser ou clarifier considérablement les modèles existants de l’univers. ^{[85] [86]} En particulier, le potentiel d’une formidable découverte autour de la matière noire est possible au cours des prochaines années. ^[87] Fermi cherchera des preuves que la matière noire est composée de particules massives à faible interaction , complétant des expériences similaires avec le Large Hadron Collider et d’autres détecteurs souterrains.

IBEX donne déjà de nouvelles découvertes astrophysiques : “Personne ne sait ce qui crée le ruban ENA (atomes neutres énergétiques) ” le long du choc terminal du vent solaire , “mais tout le monde s’accorde à dire que cela signifie l’image classique de l’ héliosphère – dans laquelle le La poche enveloppante du système solaire remplie de particules chargées du vent solaire traverse le “vent galactique” impétueux du milieu interstellaire sous la forme d’une comète – c’est faux.” ^[88]

Les recherches en cours

Diagramme de Feynman signé par RP Feynman . Un phénomène typique décrit par la physique : un aimant en lévitation au-dessus d’un supraconducteur met en évidence l’ effet Meissner .

La recherche en physique progresse continuellement sur un grand nombre de fronts.

En physique de la matière condensée, un important problème théorique non résolu est celui de la supraconductivité à haute température . ^[89] De nombreuses expériences sur la matière condensée visent à fabriquer de la spintronique et des ordinateurs quantiques exploitables . ^{[76] [90]}

En physique des particules, les premières preuves expérimentales de la physique au-delà du modèle standard ont commencé à apparaître. Au premier rang de celles-ci, il y a des indications que les neutrinos ont une masse non nulle . Ces résultats expérimentaux semblent avoir résolu le problème de longue date des neutrinos solaires , et la physique des neutrinos massifs reste un domaine de recherche théorique et expérimentale active. Le Large Hadron Collider a déjà trouvé le boson de Higgs, mais les recherches futures visent à prouver ou à réfuter la supersymétrie, qui étend le modèle standard de la physique des particules. Des recherches sur la nature des mystères majeurs de la matière noire et de l’énergie noire sont également en cours. ^[91]

Bien que de nombreux progrès aient été réalisés en physique des hautes énergies, quantique et astronomique, de nombreux phénomènes quotidiens impliquant la complexité , ^[92] le chaos, ^[93] ou la turbulence ^[94] sont encore mal compris. Des problèmes complexes qui semblent pouvoir être résolus par une application intelligente de la dynamique et de la mécanique restent non résolus ; les exemples incluent la formation de tas de sable, les nœuds dans l’eau qui ruisselle, la forme des gouttelettes d’eau, les mécanismes des catastrophes de tension superficielle et l’auto-tri dans des collections hétérogènes secouées. ^{[je] [95]}

Ces phénomènes complexes ont reçu une attention croissante depuis les années 1970 pour plusieurs raisons, notamment la disponibilité de méthodes mathématiques et d’ordinateurs modernes, qui ont permis de modéliser des systèmes complexes de manière nouvelle. La physique complexe fait désormais partie de recherches de plus en plus interdisciplinaires , comme en témoignent l’étude de la turbulence en aérodynamique et l’observation de la formation de motifs dans les systèmes biologiques. Dans l’ Annual Review of Fluid Mechanics de 1932 , Horace Lamb dit : ^[96]

Je suis un vieil homme maintenant, et quand je mourrai et que j’irai au ciel, il y a deux sujets sur lesquels j’espère être éclairé. L’une est l’électrodynamique quantique et l’autre est le mouvement turbulent des fluides. Et sur le premier je suis plutôt optimiste.

Voir également

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• Liste des physiciens
• Listes d’équations physiques
• Relation entre mathématiques et physique
• Sciences de la Terre
• Neurophysique
• Psychophysique
• Tourisme scientifique

Remarques

1. ↑ Au début de The Feynman Lectures on Physics , Richard Feynman présente l’ hypothèse atomique comme le concept scientifique le plus prolifique. ^[1]
2. ↑ Le terme « univers » est défini comme tout ce qui existe physiquement : l’intégralité de l’espace et du temps, toutes les formes de matière, d’énergie et de quantité de mouvement, ainsi que les lois physiques et les constantes qui les régissent. Cependant, le terme “univers” peut également être utilisé dans des sens contextuels légèrement différents, désignant des concepts tels que le cosmos ou le monde philosophique .
3. ^ Le Novum Organum de 1620 de Francis Bacon était critique dans le développement de la méthode scientifique . ^[7]
4. ^ Le calcul a été développé indépendamment à peu près au même moment par Gottfried Wilhelm Leibniz ; alors que Leibniz a été le premier à publier son travail et à développer une grande partie de la notation utilisée pour le calcul aujourd’hui, Newton a été le premier à développer le calcul et à l’appliquer à des problèmes physiques. Voir aussi la controverse sur le calcul de Leibniz-Newton
5. ↑ Noll note que certaines universités utilisent encore ce titre. ^[34]
6. ↑ Voir, par exemple, l’influence de Kant et Ritter sur Ørsted .
7. ^ Les concepts notés hypothétiques peuvent changer avec le temps. Par exemple, l’ atome de la physique du XIXe siècle a été dénigré par certains, y comprisla critique d’ Ernst Mach de la formulation de la mécanique statistique par Ludwig Boltzmann . À la fin de la Seconde Guerre mondiale, l’atome n’était plus considéré comme hypothétique.
8. ↑ Pourtant, l’universalisme est encouragé dans la culture de la physique. Par exemple, le World Wide Web , qui a été inventé au CERN par Tim Berners-Lee , a été créé au service de l’infrastructure informatique du CERN et était/est destiné à être utilisé par les physiciens du monde entier. La même chose pourrait être dite pour arXiv.org
9. ↑ Voir les travaux d’ Ilya Prigogine , sur les « systèmes éloignés de l’équilibre », et autres.

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2. ^ Maxwell 1878 , p. 9 “La science physique est ce département de la connaissance qui se rapporte à l’ordre de la nature, ou, en d’autres termes, à la succession régulière des événements.”
3. ^ ^{un bcYoung & Freedman} 2014 , p. 1 “La physique est l’une des sciences les plus fondamentales. Les scientifiques de toutes les disciplines utilisent les idées de la physique, y compris les chimistes qui étudient la structure des molécules, les paléontologues qui tentent de reconstituer le fonctionnement des dinosaures et les climatologues qui étudient comment les activités humaines affectent le l’atmosphère et les océans. La physique est aussi le fondement de toute ingénierie et de toute technologie. Aucun ingénieur ne pourrait concevoir un téléviseur à écran plat, un vaisseau spatial interplanétaire ou même une meilleure souricière sans d’abord comprendre les lois fondamentales de la physique. (…) Vous allez venez de voir la physique comme une réalisation imposante de l’intellect humain dans sa quête pour comprendre notre monde et nous-mêmes.”
4. ^ Young & Freedman 2014 , p. 2 “La physique est une science expérimentale. Les physiciens observent les phénomènes de la nature et essaient de trouver des modèles qui relient ces phénomènes.”
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Liens externes

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• Site Web du prix Nobel de physique – Prix pour contributions exceptionnelles au sujet
• World of Physics – Dictionnaire encyclopédique en ligne de la physique
• Nature Physique – Revue académique
• Physique – Magazine en ligne de l’ American Physical Society
• Physique / Publications à Curlie – Répertoire des médias liés à la physique
• The Vega Science Trust – Vidéos scientifiques, y compris la physique
• Site Web HyperPhysics – Carte mentale de physique et d’astronomie de la Georgia State University
• PHYSICS at MIT OCW – Matériel de cours en ligne du Massachusetts Institute of Technology