1.

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.

2.

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.

3.

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.

4.

Historique

1.

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).

2.

Le Moyen Âge

Au Moyen Âge, les travaux scientifiques de la Grèce antique sont repris et développés par des savants arabes, puis transmis à partir du xiii^e siècle aux grandes universités d’Europe. Peu de découvertes scientifiques marquent cette époque, qui est plutôt tournée vers la philosophie. Saint Thomas d’Aquin tente de démontrer que les travaux de Platon et d’Aristote sont conformes aux Écritures, tandis que Roger Bacon est l’un des rares philosophes à considérer la méthode expérimentale comme un fondement de la connaissance scientifique.

3.

Les xvie et xviie siècles

3.1.

Développement de l’astronomie

L’avènement véritable de la physique survient peu après la Renaissance, à la suite des découvertes réalisées en astronomie par Copernic, Kepler et Galilée. En 1543, Nicolas Copernic publie en effet un traité d’astronomie dans lequel il propose un système héliocentrique, où les planètes tournent autour du Soleil (voir Copernic, système de).

Influencé par Copernic, Tycho Brahé adopte alors un compromis entre ce système héliocentrique et le système géocentrique de Ptolémée. Il imagine que les planètes se déplacent autour du Soleil, tandis que le Soleil gravite autour de la Terre. Brahé, grand observateur, réalise des mesures remarquablement précises pour tenter de prouver cette théorie. Ces mesures permettent à son assistant, Johannes Kepler, d’élaborer un autre système héliocentrique plus en accord avec la réalité, et de formuler les lois régissant le mouvement des planètes. En 1609, Galilée construit une lunette astronomique (voir télescope) qui lui permet de corroborer la théorie de Kepler en observant les phases de la planète Vénus. Il démontre aussi que, dans le vide, des corps de masses différentes tombent à la même vitesse, et que leur vitesse augmente uniformément avec la durée de leur chute. Il formule une première version du principe de relativité. Il est l’un des premiers à faire usage des mathématiques pour exprimer les lois de la physique.

3.2.

Essor de la mécanique

En 1687, Isaac Newton jette les bases de la mécanique classique dans les célèbres Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (ou Principes mathématiques de philosophie naturelle). Dans cet ouvrage de référence, il expose trois principes, appelés aujourd’hui lois de Newton : le principe de l’action et de la réaction, le principe fondamental de la dynamique et le principe d’inertie. S’inspirant des travaux de Galilée, Newton découvre également la loi de l’attraction universelle, expliquant ainsi l’origine de la force de gravitation. La physique devient alors universelle, puisqu’elle établit des lois qui s’appliquent aussi bien sur la Terre que dans l’espace.

3.3.

Progrès en optique

Au xvii^e siècle, la nature de la lumière donne lieu à deux théories opposées : l’une, avancée par Newton et déjà proposée par les Grecs dans l’Antiquité, considère la lumière comme corpusculaire ; l’autre, développée par Christiaan Huygens, soutient que la lumière a un caractère ondulatoire. Par ailleurs, Kepler fonde l’optique géométrique, tandis que Descartes découvre les lois de la réfraction.

4.

Le xviiie siècle

Ce siècle est notamment marqué par le développement de l’électrostatique. Franklin met ainsi en évidence l’électricité atmosphérique, et Coulomb est le premier à montrer expérimentalement en 1785 que les charges électriques s’attirent ou se repoussent suivant une loi où intervient l’inverse du carré de la distance entre les charges.

Par ailleurs, on met également au point les premiers condensateurs (bouteille de Leyde).C’est aussi au xviii^e siècle que naît une nouvelle discipline, la mécanique des fluides, à l’initiative de Leonhard Euler, de Joseph Louis de Lagrange et de Daniel Bernoulli.

5.

Le xixe siècle

5.1.

Naissance de l’électromagnétisme

Christian Ørsted est le premier à rapprocher magnétisme et électricité lors d’une célèbre expérience réalisée en 1819, au cours de laquelle il montre qu’une aiguille aimantée est déviée quand elle est à proximité d’un fil dans lequel circule un courant. Par la suite, André-Marie Ampère montre expérimentalement que deux fils conducteurs agissent l’un sur l’autre comme les pôles d’un aimant, et jette les bases de la théorie de l’électromagnétisme. En 1831, Michael Faraday découvre qu’un courant peut être induit dans un élément de circuit électrique, soit en déplaçant cet élément à proximité d’un aimant, soit en le plaçant à proximité d’un conducteur traversé par un courant variable.

L’ensemble de ces données sont synthétisées et traduites sous forme d’équations mathématiques par James Maxwell en 1864. La théorie de Maxwell prévoit l’existence des ondes électromagnétiques, qui sont mises en évidence pour la première fois par Heinrich Hertz en 1887. Cette découverte est à la base du développement des communications radioélectriques à la fin de ce siècle. Maxwell est également le premier à prouver la nature électromagnétique de la lumière, dont Augustin Fresnel, au début du siècle, a mis en évidence le caractère ondulatoire. Enfin, on s’aperçoit que la lumière est constituée d’ondes transversales, et non longitudinales comme on le croyait jusqu’alors (voir ondulatoire, mouvement).

5.2.

Développement de l’électricité

Le XIX^e siècle est le siècle de la fée électricité : invention de la pile électrique par Alessandro Volta en 1800 ; établissement par Georg Ohm d’une constante de proportionnalité, dite résistance électrique, entre la tension aux bornes d’un élément de circuit électrique et l’intensité du courant qui le traverse ; découverte de l’électrolyse et de l’effet Joule. L’électricité est également l’objet de nombreuses applications : inventions du télégraphe par Samuel Morse en 1837, de la dynamo par Zénobe Gramme en 1871, du téléphone par Alexander Bell en 1876 et de l’éclairage électrique par Thomas Edison en 1879.

5.3.

Thermodynamique

La thermodynamique naît au xix^e siècle, reliant les concepts, jusque-là imprécis, de chaleur et de température à ceux, purement mécaniques, de travail et d’énergie. Cette théorie s’impose progressivement au détriment de celle de calorique, alors en vigueur. On considérait, en effet, que la chaleur était due à un fluide sans masse, appelé calorique : un corps chaud contenait donc plus de calorique qu’un corps froid. La première relation entre la chaleur et les autres formes d’énergie est observée en 1798 par le physicien américain Benjamin Thompson, comte Rumford, qui remarque que la chaleur produite par le forage des pièces d’artillerie est proportionnelle au travail fourni. Puis, en 1824, Sadi Carnot établit, dans un opuscule resté un temps ignoré, les conditions requises pour qu’une machine thermique transforme de la chaleur en travail. Julius Robert von Mayer calcule en 1842, parallèlement à Joule, l’équivalent mécanique de la calorie, et formule le principe de conservation de l’énergie. En 1850, Rudolf Clausius introduit la notion d’entropie, qui mesure le désordre d’un système, tandis que lord Kelvin préconise l’emploi d’une nouvelle grandeur : la température absolue.

5.4.

Mécanique statistique

Parallèlement à la thermodynamique se crée la mécanique statistique, grâce aux travaux de Maxwell et de Boltzmann, qui appliquent les lois de la mécanique et des probabilités au comportement des atomes et des molécules pour en déduire des relations statistiques.

5.5.

Premières théories atomiques

Le concept moderne d’atome est proposé par John Dalton en 1808, tandis que la notion de molécule est précisée par Amedeo Avogadro en 1811, lorsqu’il publie ses travaux sur la théorie moléculaire des gaz. Outre leur importance en physique, la théorie atomique de Dalton et la loi d’Avogadro auront une très grande influence sur le développement de la chimie. L’hypothèse de Dalton s’est trouvée renforcée par la classification périodique des éléments de Mendeleïev publiée en 1869, qui range les corps simples selon leur numéro atomique. La spectroscopie, qui permet de caractériser un élément chimique par son spectre, corrobore également les thèses atomiques. Elle est utilisée à partir de 1859 par Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff, qui découvrent ainsi le césium et le rubidium.

5.6.

Limites de la physique classique

Vers 1880, la physique atteint un état de maturité sereine : la plupart des phénomènes connus peuvent s’expliquer par la mécanique newtonienne, la théorie électromagnétique de Maxwell et la thermodynamique et la mécanique statistique de Boltzmann. Seules quelques données ou phénomènes demeurent inexpliqués, comme la forme des spectres des solides et des gaz, ou la nature de l’éther, substance censée occuper tout l’espace et transmettre les ondes électromagnétiques.

Cependant, une série de découvertes remarquables au cours des dix dernières années du xix^e siècle vient remettre en question les bases de la physique classique : l’effet photoélectrique par Heinrich Hertz en 1887, la nature électronique des rayons cathodiques par Jean Perrin et les rayons X par Wilhelm Röntgen en 1895, et la radioactivité par Henri Becquerel en 1896. Ces résultats expérimentaux annoncent le développement de nouvelles théories qui en fourniront une explication au début du xx^e siècle.

6.

Le début du xxe siècle

Deux théories majeures voient, en effet, le jour durant le premier tiers du xx^e siècle : la théorie quantique et la théorie de la relativité. Ces théories, qui permettent d’expliquer les découvertes précédentes et de conduire à de nouvelles découvertes, modifient en profondeur les concepts de la physique et notre perception du monde. On est, dès lors, en mesure de mieux comprendre la structure des atomes, ce qui se traduit par la naissance d’une nouvelle discipline dans les années trente : la physique nucléaire.

6.1.

Théorie de la relativité

En 1887, Michelson et Morley tentent, au cours d’une expérience restée célèbre, de déterminer la vitesse relative de la Terre par rapport à l’hypothétique éther. En fait, les deux scientifiques constatent que cette vitesse est nulle, compte tenu de la loi de composition des vitesses. Einstein interprète plus tard ce résultat en postulant que la lumière se déplace à la même vitesse dans tous les repères, et intègre l’invariabilité de cette vitesse, notée c, dans sa théorie de la relativité. Cette théorie, dans son développement complet, comporte en fait deux volets : la théorie de la relativité restreinte, formulée en 1905, s’applique à des systèmes de référence se déplaçant l’un par rapport à l’autre à des vitesses relatives constantes, tandis que la relativité générale, exposée en 1916, concerne des systèmes de référence en mouvement accéléré l’un par rapport à l’autre.

Einstein reconsidère très soigneusement les concepts d’espace et de temps, en montrant les limites de nos notions intuitives. Il introduit un système à quatre dimensions dans lequel la dimension du temps est intégrée aux trois dimensions de l’espace (espace-temps). La théorie de la relativité restreinte permet, en outre, d’établir une équivalence entre masse et énergie (que traduit la célèbre relation E = mc²), et de prévoir qu’aucun objet matériel ne peut dépasser la vitesse de la lumière.

La théorie de la relativité généralisée montre, pour sa part, que la gravitation est une conséquence de la géométrie de l’espace-temps, et prédit la courbure de rayons lumineux au voisinage d’un corps massif tel qu’une étoile, phénomène qui est observé en 1919. La même relativité générale, bien que moins solidement établie que la relativité restreinte, est d’une grande aide pour comprendre la structure de l’Univers et son évolution (voir cosmologie).

La mécanique relativiste est aujourd’hui utilisée pour décrire le mouvement des corps ayant des vitesses de l’ordre de grandeur de celle de la lumière, tandis que la mécanique newtonienne reste applicable pour des corps possédant des vitesses considérablement plus petites.

6.2.

Théorie quantique

Le mystère qui régnait à propos de la nature des spectres d’émission des corps solides est éclairci par Max Planck. D’après la physique classique, on considérait jusqu’alors que toutes les molécules d’un solide pouvaient vibrer, l’amplitude de leurs vibrations dépendant de la température. Par conséquent, selon cette théorie, l’énergie thermique d’un solide pouvait être convertie en rayonnements électromagnétiques de manière continue, ce qui était en désaccord avec les résultats expérimentaux puisque le spectre d’émission d’un solide était formé de raies distinctes. Pour expliquer la nature de ces spectres, Planck postule en 1900 que les molécules d’un solide ne peuvent émettre des ondes électromagnétiques que par quantités finies, appelées quanta. Il jette ainsi les bases de la théorie quantique.

Par la suite, Einstein prouve l’existence de ces quanta en déterminant celui qui véhicule la lumière, le photon. Cette découverte remet en question le caractère ondulatoire de la lumière qu’on a fini par accepter tant bien que mal. Cette ambiguïté est levée dans les années vingt, grâce aux travaux de Louis de Broglie qui introduit la notion de dualité onde-particule, et à ceux d’Erwin Schrödinger et de Werner Heisenberg qui fondent respectivement la mécanique ondulatoire et la mécanique matricielle. Paul Dirac confirme cette hypothèse, prévoyant grâce à cette théorie l’existence du positron (antiparticule de l’électron).

6.3.

Modèles atomiques

Sous l’impulsion de la théorie quantique et grâce aux mesures expérimentales toujours plus précises, le modèle de l’atome subit plusieurs révolutions en ce début de xx^e siècle. Le modèle de Joseph Thomson (1899), qui suppose que les électrons sont immergés dans un matériau de charge positive et de forme indéterminée (sphérique ou non), « comme des raisins dans un cake », est supplanté par celui d’Ernest Rutherford en 1911. Dans ce modèle, la quasi-totalité de la masse d’un atome est concentrée dans le noyau et, en vertu des lois électromagnétiques, les électrons gravitent autour du noyau dans un espace très grand (environ 10 000 fois plus grand que le rayon du noyau qui est de l’ordre du nanomètre, soit 10^-9 m), sur des orbites plus ou moins proches du noyau selon leur énergie.

En 1913, s’appuyant sur la théorie des quanta de Planck, Niels Bohr imagine un modèle atomique dans lequel les électrons gravitent autour d’un noyau sur certaines orbites spécifiques. À l’aide de la mécanique quantique, on peut alors déterminer les orbites permises, et calculer leurs rayons ainsi que leurs niveaux d’énergie. Bohr applique son modèle à l’hydrogène, dont la forme du spectre a défié la physique classique, et retrouve par le calcul les résultats observés par spectroscopie. Cette démonstration est considérée comme l’une des victoires les plus éclatantes de la mécanique quantique.

Enfin en 1925, Erwin Schrödinger révolutionne l'idée d'orbite électronique en proposant un modèle ondulatoire dans lequel l’électron n’est plus décrit comme une particule à laquelle on peut attribuer une orbite précise, mais comme une onde à laquelle on associe une orbitale (également appelée fonction d’onde et correspondant à une fonction mathématique complexe), dont le carré du module représente la densité de probabilité de présence d’un électron (ou densité électronique) de l’atome en un point de l’espace et à un instant donné.

La découverte du neutron en 1932 par James Chadwick fournit des informations plus précises sur la structure du noyau, ce qui permet d’expliquer le phénomène de radioactivité étudié par Pierre et Marie Curie et par Rutherford : la physique nucléaire est née.

7.

Après 1930

Les progrès en physique s’accélèrent après 1930, grâce au développement de l’électronique. Au sortir de la Seconde Guerre mondiale, prolongeant la recherche sur le noyau et sur les rayons cosmiques, naît une nouvelle branche de la physique, la physique des particules, qui connaît une expansion spectaculaire grâce à la construction d’accélérateurs et de détecteurs de particules. La découverte de la radioactivité artificielle permet à la physique nucléaire de faire un bond en avant, donnant lieu à de nombreuses applications dans l’industrie. L’astronomie, s’appuyant sur les découvertes réalisées en physique des particules, progresse également de manière considérable, en particulier en astrophysique et en cosmologie.

7.1.

Accélérateurs de particules

En 1932, les physiciens John Cockcroft et Ernest Walton réussissent pour la première fois à accélérer des protons jusqu’à une énergie voisine de 700 000 électronvolts (1 eV = 1,6 × 10^-19 J), à l’aide de générateurs à haute tension. Par la suite, les progrès techniques permettent de construire des accélérateurs de particules de plus en plus puissants. Aujourd’hui, les accélérateurs sont capables de produire des particules accélérées ayant des énergies de l’ordre du milliard d’électronvolts (GeV), voire du téraélectronvolt (1 TeV = 10¹² eV).

7.2.

Détecteurs de particules

Parallèlement aux accélérateurs de particules, les physiciens développent des détecteurs de particules, qui permettent notamment d’étudier avec précision les trajectoires des particules élémentaires. Tout d’abord étudiées par les traces laissées dans les émulsions photographiques et les composés fluorescents, les particules subatomiques sont analysées par la suite à l’aide du compteur Geiger-Müller, puis de techniques de plus en plus sophistiquées telles que les chambres à bulles, les chambres à étincelles ou les compteurs à scintillations.

7.3.

Physique des particules

À l’électron, au proton, au neutron et au photon sont venues s’ajouter au fil des années de nombreuses autres particules fondamentales. En 1932, Carl David Anderson découvre le positron, dont l’existence a été prédite par Dirac en 1928. Puis, les découvertes de nouvelles particules se multiplient, grâce à la construction d’accélérateurs de plus en plus gigantesques.

En 1964, Murray Gell-Mann et George Zweig exposent leur théorie des quarks, composants élémentaires des particules subatomiques. En 1979, Sheldon Glashow, Steven Weinberg et Abdus Salam obtiennent le prix Nobel pour leur modèle qui regroupe l’interaction électromagnétique et l’interaction faible (rencontrée dans la radioactivité) en une seule et même interaction : l’interaction électrofaible. Ce modèle constitue un premier pas vers la théorie des champs unifiée, théorie inspirée des travaux d’unification d’Einstein qui cherche à unifier les quatre interactions connues dans l’Univers (voir standard, modèle).

7.4.

Physique nucléaire

Les premières recherches en physique nucléaire étaient limitées, car les scientifiques n’avaient à leur disposition que des substances radioactives naturelles. Mais en 1934, Irène et Frédéric Joliot-Curie découvrent la radioactivité artificielle, ce qui ouvre des horizons nouveaux à l’étude des réactions nucléaires. Otto Hahn, Fritz Strassman et Lise Meitner observent ainsi, en 1939, la première réaction de fission nucléaire, au cours de laquelle est libérée une énorme quantité d’énergie (voir nucléaire, énergie).

Cette découverte, survenant au début de la Seconde Guerre mondiale, est rapidement mise en application : en 1942, Enrico Fermi construit le premier réacteur nucléaire et parallèlement est mise au point la première bombe atomique, sous la direction de J. Robert Oppenheimer, dans le cadre d’un programme scientifique baptisé projet Manhattan. Les premières applications civiles du nucléaire débutent en 1951, date à laquelle est produite la première électricité d'origine nucléaire aux États-Unis.

Parallèlement aux études de la fission nucléaire, Hans Bethe découvre en 1938 que l’énergie des étoiles a pour origine la fusion thermonucléaire de quatre protons en un noyau d’hélium. À l’instar de la fission nucléaire, le principe de la fusion est appliqué dans un premier temps à des fins militaires et conduit à la conception de la bombe à hydrogène (bombe H) par le physicien Edward Teller.

7.5.

Astrophysique et cosmologie

Après la Seconde Guerre mondiale, les astronomes font de nombreuses découvertes fondamentales comme celle des quasars, des pulsars ou du rayonnement cosmique fossile. Ils élaborent diverses théories en cosmologie, notamment la théorie du big bang et la théorie de l’inflation. Leur démarche consiste à comprendre la physique de l’infiniment grand à l’aide de la physique de l’infiniment petit.

7.6.

Vers de nouvelles disciplines

La physique quantique a connu d’autres développements que ceux de la physique des hautes énergies et des particules élémentaires. Appliquée à l’état solide, elle a donné une explication des diverses propriétés mécaniques, thermiques et électriques. Pour ces dernières, la physique du solide a conduit à l’étude des semi-conducteurs, à l’invention du transistor, élément essentiel des progrès fulgurants de l’électronique, des microprocesseurs et des ordinateurs.

Par ailleurs, reprenant des idées d’Einstein sur l’émission stimulée, les physiciens ont mis au point, dans les années cinquante, deux appareils aux applications scientifiques et techniques importantes : le maser et le laser.

Enfin, il faut également mentionner une approche apparue dans les années soixante-dix qui renouvelle l’étude du comportement des systèmes : la théorie du chaos déterministe. Tandis que la mécanique classique décrit de façon complètement déterministe l’évolution des systèmes, la théorie du chaos déterministe s’applique à des systèmes au comportement imprévisible (chaotique), alors que les éléments dont ils sont formés sont régis par des lois strictement déterministes. Cette théorie a des applications intéressantes, notamment dans l’étude des phénomènes de turbulences.

8.

Le début du xxie siècle

En ce début de xxi^e siècle, trois grands axes de recherche sont particulièrement actifs et prometteurs. En physique des particules, les physiciens s’attachent à réussir l’unification des quatre forces fondamentales par une théorie de supersymétrie ou d’un autre type. Théoriquement, le travail consiste à concilier la théorie de la relativité généralisée et la théorie quantique de manière à pouvoir intégrer la gravitation dans la description quantique des interactions – qui a permis jusqu’ici de réunir les trois autres interactions. Du côté expérimental, on cherche d’une part à détecter les hypothétiques graviton et boson de Higgs, et d’autre part à observer la désintégration spontanée du proton ; ces résultats confirmeraient de manière éclatante toutes les théories du modèle standard.

En astrophysique, les deux principaux problèmes à résoudre sont ceux de la masse manquante de l’Univers et des premiers instants du big bang. Beaucoup de réponses sont attendues du côté de la physique des particules, cependant des théories cosmologiques sont nécessaires pour intégrer ces éventuels résultats. Le mystère des trous noirs résiste toujours à toute interprétation et les recherches pour l’élucider restent d’actualité.

Enfin, en physique de la matière, et en particulier en physique du solide, les modèles statistiques se heurtent à de sérieuses difficultés mathématiques. Les modèles actuels reposent sur des méthodes d’approximation au pouvoir prédictif limité. De gros efforts sont entrepris pour trouver des modèles de description des systèmes complexes proches des résultats expérimentaux. Ces résultats sont essentiels pour le développement technologique et industriel de nouveaux matériaux, notamment les matériaux moléculaires pour l’électronique, l’optique et les biosciences.