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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.