physique

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Présentation

physique, science qui étudie, par l’expérimentation et par le développement de concepts et de théories, les propriétés fondamentales de la matière, de l’énergie, de l’espace et du temps, et qui vise à expliquer l’ensemble des phénomènes naturels, en établissant les lois qui les régissent.

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Les bases de la physique

La physique est fondée sur des concepts prédéfinis et des postulats fondamentaux. Les concepts prédéfinis sont au nombre de quatre : la matière et l’énergie qui sont les acteurs, et l’espace et le temps qui forment la scène (on parle généralement de cadre spatio-temporel). Ces concepts sont dits prédéfinis car, d’une part, on admet leur existence et, d’autre part, on ne peut les définir autrement que par la connaissance intuitive qu’on en a, ou par des structures mathématiques vides de tout sens physique. La matière et l’énergie sont regroupées en un seul et même concept depuis l’avènement de la relativité restreinte (principe d’équivalence masse-énergie) et de la physique quantique (dualité onde-particule). La relativité restreinte permet également de regrouper l’espace et le temps en un concept unique d’espace-temps.

Les postulats fondamentaux sont des lois (ou principes) qui régissent le comportement de ces concepts, et que l’on admet comme vrais sans pouvoir le prouver de quelque manière que ce soit. Ils sont issus de constatations empiriques ou du développement théorique de la physique. Ainsi, le fameux principe de conservation de l’énergie n’est pas un postulat fondamental car il peut être démontré : il découle du postulat d’homogénéité de l’espace qui stipule que les lois de la physique sont partout les mêmes dans l’Univers. Le nombre de postulats fondamentaux en physique est très limité : une dizaine seulement, qui permettent de reconstruire toutes les théories connues à ce jour.

Suivant la manière dont on décrit les concepts prédéfinis, on distingue plusieurs théories physiques : la théorie classique, la théorie relativiste et la théorie quantique. L’espace-temps peut être décrit en physique de deux manières différentes : en théorie classique, on utilise l’espace-temps de Galilée (on parle de cadre spatio-temporel galiléen) ; en théorie relativiste, on utilise l’espace-temps de Minkowski lorsque l’on étudie des objets se déplaçant à des vitesses proches de celle de la lumière (relativité restreinte), ou l’espace-temps d’Einstein lorsque l’on étudie l’Univers dans son ensemble (relativité généralisée).

La matière et l’énergie sont respectivement décrites en théorie classique par les concepts de particule et de champ. Lorsque l’on veut étudier des phénomènes physiques liés à l’aspect microscopique de la matière (particules, atomes, molécules), il faut alors utiliser la théorie quantique qui décrit les objets comme des quantons pouvant prendre pour l’observateur l’aspect de particules ou d’ondes. Lorsque les objets étudiés sont microscopiques et qu’ils se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière, on entre alors dans le domaine de la théorie quantique relativiste, qui est la seule théorie qui puisse rendre compte du comportement des particules élémentaires. La théorie qui regroupe relativité généralisée et physique quantique, appelée cosmologie quantique, n’a pas pu être formalisée de manière satisfaisante pour le moment. Aujourd’hui, le terme de théorie classique est réservé à toute la physique qui s’intéresse aux objets non quantiques.

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Étendue de la physique

La physique présente deux grands volets : d’une part la physique fondamentale, dont le but est de comprendre les phénomènes physiques et de développer les connaissances que nous avons de la nature ; d’autre part la physique appliquée, que l’on appelle ainsi à partir du moment où l’objet d’étude est parfaitement déterminé, précis et concret. On fait également la différence entre physique théorique et physique expérimentale qui sont deux approches différentes et complémentaires des phénomènes physiques. Notons qu’un physicien expérimentateur fait souvent appel à la théorie pour interpréter les résultats de ses expériences, de même qu’un théoricien effectue des expériences pour vérifier ses théories. L’un et l’autre abordent simplement leur sujet d’étude d’un point de vue différent.

En réalité, les physiciens appellent physique théorique la partie de la physique qui n’étudie pas des objets en particulier, mais qui peut s’appliquer à tous. Il en est ainsi de la mécanique, de l’optique ou de la thermodynamique. Parallèlement, la physique se divise en plusieurs spécialités suivant le type d’objet étudié : physique nucléaire, physique du solide, astrophysique, etc.

La physique a de nombreuses affinités avec les autres sciences, auxquelles elle fournit les bases et les outils. Ainsi, on peut dire que la chimie, en étudiant les interactions des atomes lors des réactions chimiques, relève de la physique, tout comme la géophysique, qui est en fait la physique du globe ou l’astrophysique, qui s’intéresse aux étoiles et à l’Univers. La physique, dont le champ ne cesse de s’élargir au sein des autres disciplines, se distingue de ces dernières par son approche plus générale, plus globale.

Autrefois, il était courant qu’un physicien soit aussi mathématicien, philosophe, chimiste, biologiste ou ingénieur. Aujourd’hui, les scientifiques doivent généralement se limiter à un domaine particulier de la science, tant le champ de la connaissance est développé. La physique elle-même s’est spécialisée, donnant ainsi naissance, au cours du xx^e siècle, à de nouvelles disciplines comme la physique nucléaire ou la biophysique.

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Historique

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L’Antiquité

Dans l’Antiquité, les spéculations des philosophes grecs donnent naissance à deux grandes théories opposées sur les éléments constitutifs de l’Univers : la théorie des quatre éléments, élaborée par Empédocle au v^e siècle av. J.-C., et l’atomisme, proposé par Leucippe un siècle plus tard voir matière (philosophie). Mais concrètement, les Anciens possèdent relativement peu de notions de physique. Ils ont quelques rudiments en électricité (découverte des propriétés électrostatiques de l’ambre par les Grecs au vi^e siècle av. J.-C.) et en magnétisme (invention de la boussole par les Chinois au iii^e siècle apr. J.-C.). Par ailleurs, ils connaissent les lois de la réflexion en optique, et possèdent certaines données en acoustique. Les seuls domaines véritablement étudiés sont l’hydrostatique, grâce aux travaux d’Archimède, qui mesure notamment la densité de corps solides en les immergeant dans un liquide, et l’astronomie, dont les précurseurs sont les Égyptiens, les Babyloniens et surtout les Grecs. Parmi ces derniers, on peut citer Aristarque de Samos, qui détermine le rapport des distances de la Terre au Soleil et à la Lune, Ératosthène, qui calcule la circonférence de la Terre et dresse un catalogue d’étoiles, ou encore Hipparque, qui découvre la précession des équinoxes (voir écliptique). On peut y ajouter Ptolémée qui, au ii^e siècle apr. J.-C., propose un système planétaire dans lequel la Terre occupe une position centrale (système géocentrique), le Soleil, la Lune et les étoiles tournant autour d’elle sur des orbites circulaires (voir Ptolémée, système de).