Physique théorique

La physique théorique est une branche de la physique qui utilise des modèles mathématiques et des abstractions d’objets et de systèmes physiques pour rationaliser, expliquer et prédire les phénomènes naturels . Cela contraste avec la physique expérimentale , qui utilise des outils expérimentaux pour sonder ces phénomènes.

Représentation visuelle d’un trou de ver de Schwarzschild . Les trous de ver n’ont jamais été observés, mais leur existence est prédite par des modèles mathématiques et la théorie scientifique .

L’avancement de la science dépend généralement de l’interaction entre les études expérimentales et la théorie . Dans certains cas, la physique théorique adhère à des normes de Rigueur mathématique tout en accordant peu de poids aux expériences et aux observations. ^[a] Par exemple, lors du développement de la relativité restreinte , Albert Einstein était préoccupé par la transformation de Lorentz qui laissait les équations de Maxwell invariantes, mais n’était apparemment pas intéressé par l’ expérience de Michelson-Morley sur la dérive de la Terre à travers un éther luminifère . ^[1]À l’inverse, Einstein a reçu le prix Nobel pour avoir expliqué l’ effet photoélectrique , auparavant un résultat expérimental dépourvu de formulation théorique. ^[2]

Aperçu

Une théorie physique est un modèle d’événements physiques. Il est jugé par la mesure dans laquelle ses prédictions concordent avec les observations empiriques. La qualité d’une théorie physique se juge aussi sur sa capacité à faire de nouvelles prédictions qui peuvent être vérifiées par de nouvelles observations. Une théorie physique diffère d’un théorème mathématique en ce que, bien que les deux soient basés sur une certaine forme d’ axiomes , le jugement d’applicabilité mathématique n’est pas basé sur un accord avec des résultats expérimentaux. ^{[3] [4]} Une théorie physique diffère de la même manière d’une théorie mathématique , en ce sens que le mot “théorie” a une signification différente en termes mathématiques. ^[c]

R je c = k g {displaystyle mathrm {Ric} =k,g} Les équations d’une variété d’Einstein , utilisées en relativité générale pour décrire la courbure de l’ espace -temps

Une théorie physique implique une ou plusieurs relations entre diverses quantités mesurables. Archimède a réalisé qu’un navire flotte en déplaçant sa masse d’eau, Pythagore a compris la relation entre la longueur d’une corde vibrante et le son musical qu’elle produit. ^{[5] [6]} D’autres exemples incluent l’ entropie comme mesure de l’incertitude concernant les positions et les mouvements de particules invisibles et l’ idée mécanique quantique que (l’ action et) l’énergie ne sont pas continuellement variables.

La physique théorique consiste en plusieurs approches différentes. À cet égard, la Physique théorique des particules constitue un bon exemple. Par exemple : les « phénoménologues » pourraient employer des formules ( semi- ) empiriques et des heuristiques pour s’accorder avec des résultats expérimentaux, souvent sans compréhension physique approfondie . ^[c] Les “modélisateurs” (également appelés “constructeurs de modèles”) ressemblent souvent à des phénoménologues, mais essaient de modéliser des théories spéculatives qui présentent certaines caractéristiques souhaitables (plutôt que sur des données expérimentales), ou appliquent les techniques de Modélisation mathématique à des problèmes de physique . ^[ré]Certains tentent de créer des théories approximatives, appelées théories effectives , car les théories pleinement développées peuvent être considérées comme insolubles ou trop compliquées . D’autres théoriciens peuvent essayer d’ unifier , de formaliser, de réinterpréter ou de généraliser des théories existantes, ou d’en créer de complètement nouvelles. ^[e] Parfois, la vision fournie par les systèmes mathématiques purs peut fournir des indices sur la façon dont un système physique pourrait être modélisé ; ^{[f] Par} exemple, la notion, due à Riemann et à d’autres, que l’espace lui-même pourrait être courbé. Les problèmes théoriques qui nécessitent une investigation informatique relèvent souvent de la physique computationnelle .

Les avancées théoriques peuvent consister à écarter d’anciens paradigmes erronés (par exemple Théorie de l’éther sur la propagation de la lumière, théorie calorique de la chaleur, combustion consistant en un phlogiston en évolution ou des corps astronomiques tournant autour de la Terre ) ou être un modèle alternatif apportant des réponses plus précis ou qui peuvent être plus largement appliqués. Dans ce dernier cas, un principe de correspondance sera nécessaire pour récupérer le résultat précédemment connu . ^{[7] [8]} Parfois cependant, les progrès peuvent suivre des voies différentes. Par exemple, une théorie essentiellement correcte peut nécessiter quelques révisions conceptuelles ou factuelles ;la théorie atomique , postulée pour la première fois il y a des millénaires (par plusieurs penseurs en Grèce et en Inde ) et la théorie des deux fluides de l’électricité ^[9] en sont deux cas. Cependant, une exception à tout ce qui précède est la dualité onde-particule , une théorie combinant des aspects de différents modèles opposés via le Principe de complémentarité de Bohr .

Relation entre mathématiques et physique

Les théories physiques deviennent acceptées si elles sont capables de faire des prédictions correctes et pas (ou peu) incorrectes. La théorie devrait avoir, au moins comme objectif secondaire, une certaine économie et élégance (par rapport à la beauté mathématique ), notion parfois appelée « rasoir d’Occam » d’après le philosophe anglais du XIIIe siècle Guillaume d’Occam (ou Ockham), dans laquelle le plus simple de deux théories qui décrivent la même matière tout aussi adéquatement est préférée (mais la simplicité conceptuelle peut signifier la complexité mathématique). ^[10] Ils sont également plus susceptibles d’être acceptés s’ils relient un large éventail de phénomènes. Tester les conséquences d’une théorie fait partie de la méthode scientifique .

Les théories physiques peuvent être regroupées en trois catégories : les théories dominantes , les théories proposées et les théories marginales .

Histoire

La physique théorique a commencé il y a au moins 2 300 ans, sous la philosophie présocratique , et a continué par Platon et Aristote , dont les vues ont prévalu pendant un millénaire. Lors de l’essor des Universités médiévales , les seules disciplines intellectuelles reconnues étaient les sept Arts libéraux du Trivium comme la grammaire , la logique et la rhétorique et du Quadrivium comme l’arithmétique , la géométrie , la musique et l’astronomie . Au Moyen Âge etRenaissance , le concept de science expérimentale , le contrepoint de la théorie, a commencé avec des érudits tels qu’Ibn al-Haytham et Francis Bacon . Au fur et à mesure que la révolution scientifique s’accélérait, les concepts de matière , d’énergie, d’espace, de temps et de causalité ont lentement commencé à acquérir la forme que nous connaissons aujourd’hui, et d’autres sciences issues de la rubrique de la philosophie naturelle . Ainsi commença l’ère moderne de la théorie avec le changement de paradigme copernicien en astronomie, bientôt suivi par les expressions de Johannes Kepler pour les orbites planétaires, qui résumaient les observations méticuleuses deTycho Brahé ; les travaux de ces hommes (aux côtés de ceux de Galilée) peuvent peut-être être considérés comme constituant la révolution scientifique.

La grande poussée vers le concept moderne d’explication a commencé avec Galilée , l’un des rares physiciens qui était à la fois un théoricien accompli et un grand expérimentateur . La géométrie analytique et la mécanique de Descartes ont été incorporées dans le calcul et la mécanique d’ Isaac Newton , un autre théoricien/expérimentateur de premier ordre, écrivant Principia Mathematica . ^[11]Il contenait une grande synthèse des travaux de Copernic, Galilée et Kepler ; ainsi que les théories de la mécanique et de la gravitation de Newton, qui ont dominé les visions du monde jusqu’au début du XXe siècle. Simultanément, des progrès ont également été réalisés en optique (en particulier la théorie des couleurs et l’ancienne science de l’optique géométrique ), grâce à Newton, Descartes et les Hollandais Snell et Huygens. Aux XVIIIe et XIXe siècles , Joseph-Louis Lagrange , Leonhard Euler et William Rowan Hamilton vont considérablement étendre la théorie de la mécanique classique. ^[12] Ils ont capté l’entrelacement interactif des mathématiques et de la physiquecommencé deux millénaires plus tôt par Pythagore.

Parmi les grandes réalisations conceptuelles des XIXe et XXe siècles figurait la consolidation de l’idée d’ énergie (ainsi que sa conservation globale) par l’inclusion de la chaleur , de l’électricité et du magnétisme , puis de la lumière . Les lois de la thermodynamique , et surtout l’introduction du concept singulier d’ entropie ont commencé à fournir une explication macroscopique des propriétés de la matière. Mécanique statistique (suivie de la physique statistique et de la mécanique statistique quantique) a émergé comme une ramification de la thermodynamique à la fin du 19ème siècle. Un autre événement important du XIXe siècle fut la découverte de la Théorie électromagnétique , unifiant les phénomènes auparavant séparés de l’électricité, du magnétisme et de la lumière.

Les piliers de la physique moderne , et peut-être les théories les plus révolutionnaires de l’histoire de la physique, ont été la théorie de la relativité et la mécanique quantique . La mécanique newtonienne a été subsumée sous la relativité restreinte et la gravité de Newton a reçu une explication Cinématique par la relativité générale . La mécanique quantique a conduit à une compréhension du rayonnement du corps noir (qui, en fait, était une motivation originale de la théorie) et des anomalies dans les chaleurs spécifiques des solides – et enfin à une compréhension des structures internes des atomes et des molécules. La mécanique quantique a rapidement cédé la place à la formulation de la théorie quantique des champs (QFT), commencée à la fin des années 1920. Au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, de nouveaux progrès ont suscité un regain d’intérêt pour le QFT, qui avait stagné depuis les premiers efforts. La même période a également vu de nouvelles attaques sur les problèmes de supraconductivité et de transitions de phase, ainsi que les premières applications de QFT dans le domaine de la matière condensée théorique. Les années 1960 et 1970 voient l’élaboration du modèle standard de la physique des particules à l’aide de QFT et les progrès de la physique de la matière condensée ( fondements théoriques de la supraconductivité et des phénomènes critiques , entre autres ), parallèlement aux applications de la relativité à laproblèmes d’astronomie et de cosmologie respectivement .

Toutes ces réalisations dépendaient de la physique théorique comme force motrice à la fois pour suggérer des expériences et pour consolider les résultats – souvent par une application ingénieuse des mathématiques existantes, ou, comme dans le cas de Descartes et Newton (avec Leibniz ), en inventant de nouvelles mathématiques. Les études de Fourier sur la conduction thermique ont conduit à une nouvelle branche des mathématiques : les séries infinies et orthogonales . ^[13]

La physique théorique moderne tente d’unifier les théories et d’expliquer les phénomènes dans d’autres tentatives pour comprendre l’ Univers , de l’ échelle cosmologique à l’ échelle des particules élémentaires . Là où l’expérimentation ne peut être faite, la physique théorique essaie toujours d’avancer grâce à l’utilisation de modèles mathématiques.

Théories dominantes

Les théories dominantes (parfois appelées théories centrales ) constituent l’ensemble des connaissances des points de vue factuels et scientifiques et possèdent une qualité scientifique habituelle des tests de répétabilité, de cohérence avec la science et l’expérimentation bien établies existantes. Il existe des théories dominantes qui sont des théories généralement acceptées basées uniquement sur leurs effets expliquant une grande variété de données, bien que la détection, l’explication et la composition possible fassent l’objet de débats.

Exemples

• Modèles analogiques de gravité
• Big Bang
• Causalité
• Théorie du chaos
• Théorie classique des champs
• Mécanique classique
• Physique de la matière condensée (incluant la physique du solide et la structure électronique des matériaux )
• Loi sur la conservation
• Conservation du moment cinétique
• Conservation d’énergie
• Conservation de la masse
• Conservation de la quantité de mouvement
• Mécanique des milieux continus
• Hypothèse de censure cosmique
• Constante cosmologique
• Symétrie CPT
• Matière noire
• Dynamique
• Théorie de la dynamo
• Électromagnétisme
• Interaction électrofaible
• Théorie des champs
• Théorème de fluctuation
• Dynamique des fluides
• Mécanique des fluides
• Interaction fondamentale
• Relativité générale
• Constante gravitationnelle
• Le principe d’incertitude de Heisenberg
• Théorie cinétique des gaz
• Lois de la thermodynamique
• Les équations de Maxwell
• Les lois du mouvement de Newton
• principe d’exclusion de Pauli
• Théorie des perturbations (mécanique quantique)
• Cosmologie physique
• Constante de Planck
• Théorème de récurrence de Poincaré
• Biologie quantique
• Chaos quantique
• Chromodynamique quantique
• Théorie de la complexité quantique
• L’informatique quantique
• Dynamique quantique
• Électrochimie quantique
• Électrodynamique quantique
• Théorie quantique des champs
• Théorie quantique des champs dans l’espace-temps courbe
• Géométrie quantique
• Théorie de l’information quantique
• Logique quantique
• Mécanique quantique
• Optique quantique
• La physique quantique
• Thermodynamique quantique
• Mécanique quantique relativiste
• Théorie de la diffusion
• Mécanique solide
• Relativité restreinte
• Théorème des statistiques de spin
• Rupture de symétrie spontanée
• Modèle standard
• Mécanique statistique
• Physique statistique
• Théorie de la relativité
• Thermodynamique
• Dualité onde-particule
• Faible interaction

Théories proposées

Les théories de la physique proposées sont généralement des théories relativement nouvelles qui traitent de l’étude de la physique qui incluent des approches scientifiques, des moyens pour déterminer la validité des modèles et de nouveaux types de raisonnement utilisés pour arriver à la théorie. Cependant, certaines théories proposées incluent des théories qui existent depuis des décennies et ont échappé aux méthodes de découverte et de test. Les théories proposées peuvent inclure des théories marginales en train de s’établir (et, parfois, d’être plus largement acceptées). Les théories proposées n’ont généralement pas été testées. En plus des théories comme celles énumérées ci-dessous, il existe également différentes interprétations de la mécanique quantique, qui peuvent ou non être considérées comme des théories différentes car on peut se demander si elles donnent des prédictions différentes pour les expériences physiques, même en principe.

Exemples

• Théorie des champs superconforme 6D (2,0)
• Correspondance AdS/CFT
• Alternatives à la relativité générale
• Principe anthropique
• Thermodynamique des trous noirs
• Cosmologie des branes
• Théorie de Brans-Dicke
• Gravité quantique canonique
• Triangulation dynamique causale
• Systèmes de fermions causaux
• Ensembles causaux
• Théorie de Chern-Simons
• Courbe temporelle fermée
• Cosmologie cyclique conforme
• Théorie des champs conforme
• Corde cosmique
• Modèle cyclique
• Flux sombre
• Fluide sombre
• relativité restreinte invariante de de Sitter
• Dilaton
• Relativité doublement restreinte
• Pont Einstein-Rosen (trou de ver)
• Univers ekpyrotique
• RE=EPR
• Inflation éternelle
• Dimensions supplémentaires
• Faux vide
• Cinquième force
• F-théorie
• Théorie de la gravitation de jauge
• Gravité de la théorie de jauge
• Géon
• Grande théorie unifiée
• Gravétoile
• Graviphoton
• Graviscalaire
• gravitino
• Graviton
• Rayonnement de Hawking
• État de Hartle-Hawking
• Théorie des cordes hétérotiques
• Principe holographique
• Théorie de Kaluza-Klein
• Grandes dimensions supplémentaires
• Cosmologie quantique en boucle
• Gravité quantique en boucle
• Monopôle magnétique
• Gravité massive
• Matière miroir
• Théorie M
• Multivers
• N = 4 théorie de Yang-Mills supersymétrique
• Théorie quantique des champs non commutative
• Modèles de trous noirs non singuliers
• Désintégration des protons
• Cosmologie quantique
• Mousse quantique
• Géométrie quantique
• Gravité quantique
• Modèle de Randall-Sundrum
• Gravité semi-classique
• Sphalère
• Mousse d’essorage
• Théorie des cordes
• Théorie du vide superfluide
• Supergravité
• Théorie des supercordes
• Supersymétrie
• Rupture de supersymétrie
• Technicolor
• Théorie de tout
• Théorie des champs d’aujourd’hui
• Théorie des champs unifiés
• Dimensions supplémentaires universelles
• Physique des particules
• Conjecture de gravité faible

Théories marginales

Les théories marginales incluent tout nouveau domaine d’activité scientifique en voie de s’établir et certaines théories proposées. Il peut inclure des sciences spéculatives. Cela inclut les domaines de la physique et les théories physiques présentées conformément aux preuves connues, et un ensemble de prédictions associées ont été faites selon cette théorie.

Certaines théories marginales deviennent une partie largement acceptée de la physique. D’autres théories marginales finissent par être réfutées. Certaines théories marginales sont une forme de protoscience et d’autres sont une forme de pseudoscience . La falsification de la théorie originale conduit parfois à reformuler la théorie.

Exemples

• Éther (élément classique)
  • Éther luminifère
• Physique numérique
• Électrogravitique
• Électrodynamique stochastique
• La théorie dynamique de la gravité de Tesla

Expériences de pensée vs expériences réelles

Les expériences de “pensée” sont des situations créées dans l’esprit, posant une question semblable à “supposez que vous êtes dans cette situation, en supposant que cela soit vrai, qu’est-ce qui s’ensuivrait?”. Ils sont généralement créés pour étudier des phénomènes qui ne sont pas facilement vécus dans des situations quotidiennes. Des exemples célèbres de telles expériences de pensée sont le chat de Schrödinger , l’ expérience de pensée EPR , de simples illustrations de la dilatation du temps , etc. Celles-ci conduisent généralement à des expériences réelles conçues pour vérifier que la conclusion (et donc les hypothèses) des expériences de pensée sont correctes. L’ expérience de pensée EPR a conduit aux inégalités de Bell , qui ont ensuite été testées à divers degrés de rigueur, conduisant à l’ acceptation de la formulation actuelle de la mécanique quantique et du probabilisme comme hypothèse de travail .

Voir également

• Liste des physiciens théoriciens
• Philosophie de la physique
• Symétrie en mécanique quantique
• Chronologie des développements en physique théorique

Remarques

1. ^ Il y a un débat quant à savoir si la physique théorique utilise ou non les mathématiques pour construire l’intuition et l’illustrativité pour extraire un aperçu physique (en particulier lorsque l’ expérience normale échoue), plutôt que comme un outil de formalisation des théories. Cela est lié à la question de savoir s’il utilise les mathématiques d’une manière moins formellement rigoureuse et plus intuitive ou heuristique que, disons, la physique mathématique .
2. ↑ Parfois, le mot « théorie » peut être utilisé de manière ambiguë dans ce sens, non pour décrire des théories scientifiques, mais des (sous-)domaines et des programmes de recherche. Exemples : théorie de la relativité, théorie quantique des champs, théorie des cordes.
3. ^ Les travaux de Johann Balmer et Johannes Rydberg en spectroscopie et la formule de masse Semi-empirique de la physique nucléaire sont de bons candidats pour des exemples de cette approche.
4. ^ Les modèles ptolémaïque et copernicien du système solaire, le modèle de Bohr des atomes d’hydrogène et le modèle de coque nucléaire sont de bons candidats pour des exemples de cette approche.
5. ^ Ce sont sans doute les théories les plus célèbres de la physique : la théorie de la gravitation de Newton, la théorie de la relativité d’Einstein et la théorie de l’électromagnétisme de Maxwell partagent certains de ces attributs.
6. ↑ Cette approche est souvent privilégiée par les mathématiciens (purs) et les physiciens mathématiciens.

Références

1. ^ van Dongen, Jeroen (2009). “Sur le rôle de l’expérience de Michelson-Morley : Einstein à Chicago” . Archive pour l’histoire des sciences exactes . 63 (6): 655–663. arXiv : 0908.1545 . doi : 10.1007/s00407-009-0050-5 .
2. ^ “Le prix Nobel de physique 1921” . La Fondation Nobel . Récupéré le 09/10/2008 .
3. ^ Théorèmes et théories archivés le 19/08/2014 à la Wayback Machine , Sam Nelson.
4. ^ Mark C. Chu-Carroll, 13 mars 2007 : Théorèmes, Lemmes et Corollaires. Bons maths, blog de mauvaises maths.
5. ^ Singiresu S. Rao (2007). Vibration of Continuous Systems (éd illustrée). John Wiley et fils . 5,12. ISBN 978-0471771715. ISBN 9780471771715
6. ^ Eli Maor (2007). Le théorème de Pythagore: une histoire de 4 000 ans (éd. illustré). Presse de l’Université de Princeton . p. 18-20 . ISBN 978-0691125268. ISBN 9780691125268
7. ^ Bokulich, Alisa, ” Principe de correspondance de Bohr “, The Stanford Encyclopedia of Philosophy (édition printemps 2014), Edward N. Zalta (ed.)
8. ^ Enc. Britannica (1994), page 844.
9. ^ Enc. Britannica (1994), page 834.
10. ^ Simplicité dans la philosophie des sciences (récupéré le 19 août 2014), Internet Encyclopedia of Philosophy .
11. ^ Voir ‘Correspondance d’Isaac Newton, vol.2, 1676–1687’ éd. HW Turnbull, Cambridge University Press 1960; à la page 297, document #235, lettre de Hooke à Newton datée du 24 novembre 1679.
12. ^ Penrose, R (2004). La route vers la réalité . Cap Jonathan. p. 471 .
13. ^ Penrose, R (2004). “9: Décompositions de Fourier et hyperfonctions”. La route vers la réalité . Cap Jonathan.

Lectures complémentaires

• Sciences physiques . Encyclopædia Britannica (Macropédie) . Vol. 25 (15e éd.). 1994.
• Duhem, Pierre. “La théorie physique – Son objet, sa structure,” (en français). 2e édition – 1914. Traduction anglaise : “La théorie physique – son but, sa structure.”. Réédité par la librairie philosophique Joseph Vrin (1981), ISBN 2711602214 .
• Feynman, et al. ” Les conférences Feynman sur la physique ” (3 vol.). Première édition : Addison–Wesley, (1964, 1966).

Best-seller manuel en trois volumes couvrant l’ensemble de la physique. Référence pour les étudiants (sous-)diplômés et les chercheurs professionnels.

• Landau et al. « Cours de Physique Théorique ».

Célèbre série de livres traitant de concepts théoriques en physique couvrant 10 volumes, traduits dans de nombreuses langues et réimprimés sur de nombreuses éditions. Souvent connu simplement sous le nom de “Landau et Lifschits” ou “Landau-Lifschits” dans la littérature.

• Longair, MS. “Concepts théoriques en physique: une vision alternative du raisonnement théorique en physique”. Presse universitaire de Cambridge ; 2e édition (4 décembre 2003). ISBN 052152878X . ISBN 978-0521528788
• Planck, Max (1909). “Huit conférences sur la physique théorique” . Bibliothèque d’Alexandrie. ISBN 1465521887 , ISBN 9781465521880 .

Une série de conférences données en 1909 à l’Université de Columbia .

• Sommerfeld, Arnold. “Vorlesungen über theoretische Physik” ( Conférences sur la physique théorique ); Allemand, 6 tomes.

Une série de leçons d’un maître éducateur de physiciens théoriciens.

Liens externes

Wikibooks a un livre sur le thème : Introduction à la physique théorique

• Centre de physique théorique du MIT
• Comment devenir un BON Physicien Théorique , un site réalisé par Gerard ‘t Hooft