La physique

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Divers exemples de phénomènes physiques

Physique (du grec ancien : φυσική (ἐπιστήμη) , romaniséphysikḗ (epistḗmē) , lit.  'connaissance de la nature', de φύσις phýsis 'nature') [1] [2] [3] est la science naturelle qui étudie la matière , [a] son mouvement et son comportement à travers l' espace et le temps , et les entités liées d' énergie et de force . [5] La physique est l'une des disciplines scientifiques les plus fondamentales et son objectif principal est de comprendre comment lel'univers se comporte. [b] [6] [7] [8]

La physique est l'une des disciplines universitaires les plus anciennes et, grâce à son inclusion de l' astronomie , peut - être la plus ancienne. [9] Au cours d'une grande partie 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 17ème 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 définies de manière rigide . Les nouvelles idées en physique expliquent souvent les mécanismes fondamentaux étudiés par d'autres sciences [6] et suggèrent de nouvelles pistes de recherche dans des 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, comme la télévision , les ordinateurs , les appareils ménagers et les armes nucléaires ; [6] 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

L'astronomie antique

L' astronomie égyptienne antique est évidente dans des monuments comme le plafond de la tombe de Senemut de la dix - huitième dynastie égyptienne .

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 Égyptiens anciens et la civilisation de la vallée de l' Indus , avaient une connaissance prédictive et une compréhension 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 pour les 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, [9] 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 descendent de l' astronomie babylonienne tardive . [11] les astronomes égyptiens ont laissé des monuments montrant la connaissance des constellations et des 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 de 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 pré-socratiques 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 beaucoup de leurs hypothèses se sont avérées fructueuses dans l'expérience; [15] par exemple, l' atomisme s'est avéré correct environ 2000 ans après qu'il a été proposé par Leucippus et son élève Démocrite . [16]

La physique dans le monde médiéval européen et islamique

Le fonctionnement de base d'un appareil photo à sténopé

L' Empire romain d'Occident est tombé au cinquième 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 sixième siècle, Isidore de Milet a créé une importante compilation des œuvres d'Archimède qui sont copiées dans le Palimpseste d'Archimède .

Au sixième siècle en Europe, 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; à la différence d'Aristote, qui a basé sa physique sur l'argument verbal, Philoponus s'est appuyé sur l'observation. Sur la physique d'Aristote, Philoponus a écrit:

Mais cela est complètement erroné, et notre point de vue peut être corroboré par une observation réelle plus efficacement que par toute 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, bien que la différence de poids soit de non signifie négligeable, un corps pesant deux fois plus que l'autre [18]

La critique de Philoponus des principes aristotéliciens de la physique a servi d'inspiration pour Galileo Galilei dix siècles plus tard, [19] pendant la Révolution scientifique . Galilée a cité Philoponus de manière substantielle dans ses travaux en soutenant que la physique aristotélicienne était imparfaite. [20] [21] Dans les années 1300, Jean Buridan , un enseignant à la faculté des arts de l'Université de Paris, a développé le concept de l'élan. C'était un pas vers les idées modernes d'inertie et d'élan. [22]

L'érudition islamique a hérité de la physique aristotélicienne des Grecs et pendant 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 .

Les innovations les plus notables ont été dans le domaine de l'optique et de la vision, qui proviennent des travaux de nombreux scientifiques comme Ibn Sahl , Al-Kindi , Ibn al-Haytham , Al-Farisi et Avicenna . L'ouvrage le plus notable était le Livre de l'optique (également connu sous le nom de Kitāb al-Manāẓir), écrit par Ibn al-Haytham, dans lequel il réfutait de manière concluante l'idée grecque ancienne de la vision, mais proposait également une nouvelle théorie. Dans le livre, il présente une étude du phénomène de la camera obscura (sa version millénaire de la caméra sténopé) et approfondi le fonctionnement de l'œil lui-même. En utilisant des dissections et les connaissances des savants 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 1604. Son Traité sur la lumière expliquait la camera obscura, des centaines d'années avant le développement moderne de la photographie. [23]

Ibn al-Haytham (c. 965 – c. 1040), Livre d'Optique Livre I, [6.85], [6.86]. Le livre II, [3.80] décrit ses expériences de camera obscura . [24]

Le Livre d'Optique en sept volumes ( Kitab al-Manathir ) a énormément influencé la réflexion à travers les disciplines, de la théorie de la perception visuelle à la nature de la perspective dans l'art médiéval, tant en Orient qu'en Occident, pendant plus de 600 ans. De nombreux érudits européens et collègues polymathes plus tardifs, 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 se classe aux côtés de celle de l'œuvre de Newton du même titre, publiée 700 ans plus tard.

La traduction du Livre de l'optique a eu un impact énorme sur l'Europe. À partir de là, des érudits européens ultérieurs ont pu construire des appareils qui reproduisaient ceux qu'Ibn al-Haytham avait construits et comprendre le fonctionnement de la lumière. À partir de là, des éléments aussi importants que des lunettes, des loupes, des télescopes et des appareils photo ont été développés.

Physique classique

Sir Isaac Newton (1643–1727), dont les lois du mouvement et de la gravitation universelle étaient 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] [ page nécessaire ]

Les développements importants de cette période comprennent le remplacement du modèle géocentrique du système solaire avec le héliocentrique modèle copernicien , les lois qui régissent le mouvement des corps planétaires déterminées par Kepler entre 1609 et 1619, un travail de pionnier sur les télescopes et l'observation astronomique par Galilée dans le 16 et 17e siècles, et la découverte et l'unification par Newton des lois du mouvement et de la gravitation universelle qui porteront 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 électromagnétique a résulté d'efforts de recherche accrus pendant la révolution industrielle à mesure que les besoins énergétiques augmentaient. [28] Les lois comprenant la physique classique restent très largement utilisées pour les objets à l'échelle quotidienne voyageant 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 se simplifient à leur classique équivalents à de telles échelles. Cependant, des imprécisions dans la mécanique classique pour de très petits objets et des vitesses très élevées ont conduit au développement de la physique moderne au XXe siècle.

Physique 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 20e siècle avec les travaux de Max Planck en théorie quantique et la théorie de la relativité d' Albert Einstein . Ces deux théories ont vu le jour en raison 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 pas discrets proportionnels à leur fréquence; ceci, avec l' effet photoélectrique et 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 de très petites échelles. [30]

La mécanique quantique allait être mise au point par Werner Heisenberg , Erwin Schrödinger et Paul Dirac . [30] De ces premiers travaux et travaux dans des domaines connexes, le modèle standard de la physique des particules a été dérivé. [31] Suite à la découverte d'une particule avec des 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 dans 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 que la matière devrait réduire à un état invariant, l' astronomie ptolémaïque d'un firmament cristallin et le livre d'Aristote Physics (un livre ancien sur la physique, qui tentait d'analyser et de définir le mouvement à partir de 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 18e siècle. [e]

Au 19e siècle, la physique était conçue comme une discipline distincte de la philosophie et des autres sciences. La physique, comme le reste de la science, s'appuie sur la philosophie de la science et sa «méthode scientifique» pour faire progresser notre connaissance du monde physique. [35] La méthode scientifique utilise 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 problèmes 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 les 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 mathématique Roger Penrose avait été appelé Platoniste par Stephen Hawking , [41] une vue que Penrose discute dans son livre, The Road to Reality . [42] Hawking s'est qualifié de "réductionniste sans honte" 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 à plusieurs 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 gros que les atomes et 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 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 y être alphabétisé. Ceux-ci incluent la mécanique classique, la mécanique quantique, la thermodynamique et la mécanique statistique , l' électromagnétisme et la relativité restreinte.

Physique classique

La physique classique comprend les branches et les sujets traditionnels qui étaient reconnus et bien développés avant le début du 20e siècle - la mécanique classique, l' acoustique , l' optique , la thermodynamique et l'électromagnétisme. La mécanique classique concerne les corps agis par 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 dynamique (étude du mouvement et des forces qui l'affectent); la mécanique peut également être divisée en mécanique des solides et mécanique des fluides(connus ensemble sous le nom de mécanique du continuum ), ces derniers comprennent des branches telles que l' hydrostatique , l' hydrodynamique , l' aérodynamique et la pneumatique . L'acoustique est l'étude de la manière 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 portée de l'audition 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 , concerne non seulement la lumière visible, mais aussi les rayons infrarouges et ultraviolets , qui présentent tous les phénomènes de la lumière visible à l'exception de la visibilité, par exemple la réflexion, la réfraction, les interférences, 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 d'autres formes d'énergie. L'électricité et le magnétisme ont été étudiés comme une seule branche de la physique depuis que la connexion intime entre eux a été découverte au début du 19e siècle; unele courant électrique donne naissance à 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 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, les études de physique atomique et nucléaire importent à la plus petite échelle à laquelle les éléments chimiques peuvent être identifiés. La physique des particules élémentaires est à une échelle encore plus petite 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 de sens commun 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 différente des concepts d'espace, de temps et de matière par rapport à 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 aux niveaux atomique et subatomique et aux aspects complémentaires des particules et des ondes dans la description de tels phénomènes. La théorie de la relativité s'intéresse à la description de phénomènes qui se déroulent dans un cadre de référence en mouvement par rapport à un observateur; la théorie de la relativité spéciale s'intéresse au mouvement en l'absence de champs gravitationnels et la théorie générale de la relativité avec 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]

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 d'application 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 approchant la vitesse de la lumière. Planck, Schrödinger et d'autres ont introduit la mécanique quantique, une notion probabiliste des particules et des interactions qui permettait 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 incurvé, avec lequel les systèmes très massifs et la structure à grande échelle de l'univers peuvent être bien décrits. La relativité générale n'est pas encore unifiée avec les autres descriptions fondamentales; plusieurs théories candidates sur 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 à la physique - dans ce cas, la loi de Galilée de 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. Ceci a été noté et préconisé par Pythagore , [49] Platon , [50] Galilée, [51] et Newton.

La physique utilise les mathématiques [52] pour organiser et formuler des résultats expérimentaux. À partir de ces résultats, des solutions précises ou estimées sont obtenues, des résultats quantitatifs à partir desquels de nouvelles prédictions peuvent être faites et expérimentalement confirmées ou annulées. 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 les mathématiques et la physique est claire, mais pas toujours évidente, en particulier 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 sont concernées par les 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 vrais que logiquement, tandis que les prédictions des énoncés physiques 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 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 seront appliqués 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. [ clarification nécessaire ]

La physique pure est une branche de la science fondamentale (également appelée science fondamentale . La physique est également appelée «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 science centrale en raison de son rôle dans la liaison des 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 sont formées 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 des lois de la physique, comme la conservation de l'énergie , de la masse et de la charge. La physique est appliquée dans des industries telles que 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 simple machine de levage
L'application des lois physiques dans le levage de liquides

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 qu'un physicien appliqué ne conçoit peut-être pas quelque chose en particulier, mais utilise plutôt la physique ou mène 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 permettent 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 permet des simulateurs de vol , des jeux vidéo et des 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 donc de prédire les événements futurs ou antérieurs. Il permet également des simulations en ingénierie qui accélèrent considérablement le développement d'une nouvelle technologie.

Mais il existe également une interdisciplinarité considérable , de sorte que de nombreux 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 d'une manière logique, impartiale et reproductible. À cette fin, des expériences sont effectuées 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 Newton de la gravitation universelle. [56]

Théorie et expérience

L' astronaute et la Terre sont tous 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 qui prédisent avec succès les résultats expérimentaux futurs, tandis que les expérimentateurs conçoivent et réalisent des expériences pour tester des prédictions théoriques et explorer de nouveaux phénomènes. Bien que la théorie et l'expérience soient développées séparément, elles s'influencent fortement et dépendent l'une de l'autre. Les progrès de la physique surviennent souvent lorsque les résultats expérimentaux défient toute explication par les théories existantes, ce qui incite à se concentrer intensément sur la modélisation applicable, et lorsque de nouvelles théories génèrent des prédictions testables expérimentalement , qui inspirent le développement de nouvelles expériences (et souvent des équipements connexes). [57]

Les physiciens qui travaillent à l'interaction de la théorie et de l'expérience sont appelés phénoménologues , qui étudient les phénomènes complexes observés dans l'expérience et travaillent à 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 des problèmes hypothétiques, [g] tels que les 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 testables.

La physique expérimentale se développe et est élargie par l'ingénierie et la technologie . Les physiciens expérimentaux impliqués dans la recherche fondamentale , conçoivent et réalisent des expériences avec des équipements tels que des accélérateurs de particules et des 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 la théorie, généralement quantitative. Ici, le trajet d'une particule est modélisé avec les mathématiques du calcul pour expliquer son comportement: du ressort de la branche de la physique dite mécanique .

La physique couvre un large éventail de phénomènes , des particules élémentaires (comme les quarks, les neutrinos et les électrons) aux plus grands superagrégats de galaxies. Ces phénomènes comprennent les objets les plus élémentaires qui composent toutes les autres choses. Par conséquent, la physique est parfois appelée «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 aux humains aux causes profondes , puis à relier ces causes entre elles.

Par exemple, les anciens Chinois ont observé que certaines roches ( lodestone et magnétite ) étaient attirées les unes vers les autres par une force invisible. Cet effet a été appelé plus tard le magnétisme, qui a d'abord été rigoureusement étudié au 17ème siècle. Mais même avant que les Chinois ne découvrent le magnétisme, les Grecs de l' Antiquité connaissaient d'autres objets tels que l' ambre , qui, lorsqu'ils étaient frottés avec de la fourrure, provoquaient 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 certaines causes profondes (électricité et magnétisme). Cependant, d'autres travaux au XIXe siècle ont révélé que ces deux forces n'étaient que deux aspects différents d'une seule force: l'électromagnétisme. Ce processus de forces «unificatrices» se poursuit aujourd'hui, et l'électromagnétisme et la force nucléaire faible sont maintenant considérés comme deux aspects de l' interaction électrofaible . La physique espère trouver une raison ultime (théorie de tout) pour laquelle la nature est telle qu'elle est (voir la section Recherche actuelle 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 la 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 différents domaines 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.

Physique nucléaire et physique des particules

Un événement simulé dans le détecteur CMS du grand collisionneur de hadrons , avec une possible apparition 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 à haute énergie, [64] les détecteurs, [65] et les programmes informatiques [66] nécessaires à cette recherche. Le champ 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 cohérente avec le boson de Higgs [70], partie intégrante d'un 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 ionique dans l' ingénierie des matériaux et de la datation au radiocarbone en géologie et archéologie. .

Physique 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 énergétiques pertinentes. Les trois domaines comprennent à la fois les traitements classiques, semi-classiques et quantiques ; ils peuvent traiter leur sujet d'une vue microscopique (contrairement à une vue macroscopique).

La physique atomique étudie les couches électroniques des atomes. La recherche actuelle se concentre sur les activités de contrôle quantique, de refroidissement et de piégeage des atomes et des ions, [71] [72] [73] la dynamique de collision 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 division 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 de lumière classiques par des objets macroscopiques mais sur les propriétés fondamentales des champs optiques et leurs interactions avec la matière dans le domaine microscopique.

La physique de 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'intéresse aux 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 le biais de la force électromagnétique entre les atomes. [77] Les phases condensées plus exotiques incluent le superfluide [78] et le condensat de Bose-Einstein [79] trouvé dans certains systèmes atomiques à très basse température, la phase supraconductrice présentée par les électrons de conduction dans certains matériaux, [80] et le ferromagnétique et phases antiferromagnétiques de spins sur des réseaux atomiques .[81]

La physique de la matière condensée est le plus grand domaine 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 été apparemment inventé par Philip Anderson quand il a renommé son groupe de recherche - auparavant la théorie de l'état solide - en 1967. [83] En 1978, la Division de la physique de l'état solide de l' American Physical Society a été renommée comme la Division de la physique de la matière condensée. [82] La physique de la matière condensée a un grand chevauchement avec la chimie, la science des matériaux , la nanotechnologie et l'ingénierie.[76]

Astrophysique

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

Astrophysique et astronomie sont l'application des théories et des méthodes de la physique à l'étude de la structure stellaire , évolution stellaire , l'origine du système solaire, et les problèmes connexes de la cosmologie . L'astrophysique étant un vaste sujet, 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 des signaux radio étaient émis par des corps célestes a lancé la science de la radioastronomie . Plus récemment, les frontières de l'astronomie ont été élargies par l'exploration spatiale. Les perturbations et les interférences des observations de make basés dans l'espace de l' atmosphère de la terre nécessaires à infrarouge , ultraviolet , des rayons gamma , et l' astronomie aux 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 20e siècle, la découverte de 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 régime permanent et de Big Bang .

Le Big Bang a été confirmé par le succès de la nucléosynthèse du Big Bang et la découverte du fond cosmologique des micro-ondes 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 à rayons gamma Fermi au cours de la prochaine décennie et réviser ou clarifier en profondeur les modèles existants de l'univers. [85] [86] En particulier, le potentiel pour une découverte énorme entourant la matière noire est possible au cours des prochaines années. [87] Fermi recherchera des preuves que la matière noire est composée de particules massives faiblement interagissantes , complétant des expériences similaires avec le grand collisionneur de hadrons 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 de terminaison du vent solaire ", mais tout le monde s'accorde à dire qu'il s'agit de l'image classique de l' héliosphère - dans laquelle le La poche enveloppante du système solaire remplie des particules chargées du vent solaire laboure le «vent galactique» 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 démontre l' effet Meissner .

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

En physique de la matière condensée, un problème théorique important non résolu est celui de la supraconductivité à haute température . [89] De nombreuses expériences sur la matière condensée visent à fabriquer une spintronique et des ordinateurs quantiques fonctionnels . [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 grand collisionneur de hadrons 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 grands mystères de la matière noire et de l'énergie noire sont également en cours. [91]

Les tentatives théoriques d'unifier la mécanique quantique et la relativité générale en une seule théorie de la gravité quantique, un programme en cours depuis plus d'un demi-siècle, n'ont pas encore été résolues de manière décisive. Les principaux candidats actuels sont la théorie M , la théorie des supercordes et la gravitation quantique en boucle .

De nombreux phénomènes astronomiques et cosmologiques doivent encore être expliqués de manière satisfaisante, y compris l'origine des rayons cosmiques à ultra-haute énergie , l' asymétrie baryonique , l' expansion accélérée de l'univers et les taux de rotation anormaux des galaxies .

Bien a été fait en haute énergie, beaucoup de progrès quantique et la physique astronomique, de nombreux phénomènes quotidiens impliquant la complexité , [92] le chaos, [93] ou turbulence [94] sont encore mal compris. Les 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, de nœuds dans l'eau ruisselante, la forme de gouttelettes d'eau, les mécanismes de catastrophes de tension superficielle et l'auto-tri dans des collections hétérogènes secouées. [i] [95]

Ces phénomènes complexes ont reçu une attention croissante depuis les années 1970 pour plusieurs raisons, notamment la disponibilité de méthodes mathématiques modernes et d'ordinateurs, qui ont permis de modéliser des systèmes complexes de nouvelles manières. La physique complexe fait désormais partie de la recherche de plus en plus interdisciplinaire , comme en témoigne l'étude de la turbulence en aérodynamique et l'observation de la formation de motifs dans les systèmes biologiques. Dans la revue annuelle de 1932 de la mécanique des fluides , Horace Lamb a déclaré: [96]

Je suis un vieil homme maintenant, et quand je mourrai et irai au ciel, il y a deux questions sur lesquelles j'espère m'éclairer. L'un est l'électrodynamique quantique et l'autre est le mouvement turbulent des fluides. Et à propos du premier, je suis plutôt optimiste.

Voir également

  • Liste des publications importantes en physique
  • Liste des physiciens
  • Listes d'équations physiques
  • Relation entre les mathématiques et la physique
  • Sciences de la Terre
  • Neurophysique
  • Psychophysique
  • Tourisme scientifique

Remarques

  1. ^ Au début des conférences Feynman sur la physique , Richard Feynman propose l' hypothèse atomique comme le concept scientifique le plus prolifique. [4]
  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 d'élan, ainsi que les lois et constantes physiques 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 1620 de Francis Bacon était critique dans le développement de la méthode scientifique . [dix]
  4. ^ Le calcul a été développé indépendamment à peu près au même moment par Gottfried Wilhelm Leibniz ; tandis 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 controverse sur le calcul 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 dix-neuvième siècle a été dénigré par certains, y comprisla critique d' Ernst Mach de laformulation de Ludwig Boltzmann de la mécanique statistique . 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 innové 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 des physiciens du monde entier. La même chose pourrait être dite pour arXiv.org
  9. ^ Voir les travaux d' Ilya Prigogine , sur «les systèmes loin de l'équilibre», et d'autres.

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  4. Feynman, Leighton et Sands 1963 , p. I-2 "Si, dans un cataclysme, toutes les [] connaissances scientifiques devaient être détruites [sauf] une phrase [...] quelle déclaration contiendrait le plus d'informations en quelques mots? Je crois que c'est [...] que toutes choses sont constituées d'atomes - de petites particules qui se déplacent en mouvement perpétuel, s'attirant les unes les autres lorsqu'elles sont à une petite distance les unes des autres, mais se repoussant lorsqu'elles sont pressées les unes dans les autres  ... "
  5. Maxwell 1878 , p. "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."
  6. ^ A b c Young & Freedman 2014 , p. 1 "La physique est l'une des sciences les plus fondamentales. Les scientifiques de toutes disciplines utilisent les idées de la physique, y compris les chimistes qui étudient la structure des molécules, les paléontologues qui tentent de reconstituer la marche des dinosaures et les climatologues qui étudient comment les activités humaines affectent le l'atmosphère et les océans. La physique est également le fondement de toute l'ingénierie et de la technologie. Aucun ingénieur ne pourrait concevoir une télévision à écran plat, un vaisseau spatial interplanétaire, ou même une meilleure souricière sans d'abord comprendre les lois de base de la physique. (...) Vous allez venir à voir la physique comme une réalisation imposante de l'intellect humain dans sa quête pour comprendre notre monde et nous-mêmes. "
  7. ^ Young et Freedman 2014 , p. "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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    Sagr. - Mais moi, Simplicio, qui ai fait le test, je peux vous assurer [107] qu’un boulet de canon pesant un ou deux cents livres, voire plus, n’atteindra pas le sol autant qu’une longueur devant un boulet de fusil pesant seulement une demi-livre, à condition que les deux tombent d'une hauteur de 200 coudées.
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Liens externes

  • PhysicsCentral - Portail Web géré par l' American Physical Society
  • Physics.org - Portail Web géré par l' Institut de physique
  • FAQ Usenet Physics - FAQ compilée par sci.physics et d'autres groupes de discussion sur la physique
  • Site Web du prix Nobel de physique - Prix pour contributions exceptionnelles au sujet
  • World of Physics - Dictionnaire encyclopédique de physique en ligne
  • Nature Physics - Journal 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
  • PHYSIQUE au MIT OCW - Matériel de cours en ligne du Massachusetts Institute of Technology