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 Physique _____________________________________________________________________________________

Science qui tente de comprendre, modéliser et expliquer les phénomènes physiques de l'univers. Elle correspond à l'étude du monde extérieur, des lois, de sa variation et de son évolution. La physique développe des représentations du monde vérifiables, applicables et appliquées dans un domaine de définition donné. Elle produit donc plusieurs lectures du monde. 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. Les tentatives effectuées pour comprendre et modéliser les phénomènes nouveaux auxquels on accédait à la fin du XIXe siècle révisèrent en profondeur le modèle newtonien pour donner naissance à deux nouveaux ensembles de théories physiques. Il existe donc trois ensembles de théories physiques établies, chacune valide dans le domaine d’applications qui lui est propre :

  • La physique classique, elle s’applique, par exemple, à la construction des routes, des ponts et des avions. Elle utilise les anciennes notions de temps, d'espace, de matière et d'énergie telles que définies par Isaac Newton ;
  • La physique quantique (monde microscopique des particules et des champs) qui s’applique, par exemple, à la technologie utilisée pour la production des composants électroniques, la construction des lecteurs de DVD et aux LASER. Elle se fonde sur de nouvelles définitions de l'énergie et de la matière mais conserve les anciennes notions de temps et d'espace de la physique classique.
  • La relativité générale (monde macroscopique des planètes, des galaxies et de la gravité) qui s’applique, par exemple, à la mise au point et au traitement de l'information nécessaire au fonctionnement des systèmes GPS (global positioning system). Elle se fonde sur de nouvelles définitions du temps et de l'espace mais conserve les anciennes notions d'énergie et de matière de la physique classique.

Il se trouve qu'il n'y a pas de situation physique courante ou ces deux dernières théories s'appliquent en même temps. Selon le monde macroscopique ou microscopique, c'est soit l'une, soit l'autre qui s'applique. Le problème actuel de la recherche en physique fondamentale est donc de tenter d'unifier ces deux dernières théories (Gravité quantique).

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 Histoire de la physique

Physique théorique et physique expérimentale

Liste des branches de la physique

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Histoire de la physique

La place de la physique est primordiale dans l'histoire des sciences, et l'épistémologie repose largement sur son histoire. Durant la Préhistoire, les hommes faisaient des observations et étaient amenés à reproduire des phénomènes. Les prémices des sciences ont vu le jour, il y a 5000 ans. Celles-ci étaient transmises par des religieux, ce qui assurait une continuité du savoir, la navigation assurant la propagation des connaissances et l'écriture, sur tablettes ou papyrus, son stockage. Dans l'observation de phénomènes se reproduisant en cycles (diurne, lunaire ou annuel), la découverte des invariants de ces cycles constitue un début de raisonnement scientifique ; il y a là la notion que le monde obéit à des règles, et que l'on peut logiquement utiliser ces règles. Cette période vit l'apparition de techniques agraires et guerrières, l'invention de la métallurgie, le début de l'architecture et de la mécanique. Sciences et Religion se mêlaient : les artisans faisaient des prières pendant la fabrication de leurs objets, prières qui pouvaient être un moyen de mesurer le temps. Depuis l'Antiquité, on a essayé de comprendre le comportement de la matière. Les caractéristiques de l'univers, comme la forme de la Terre et le comportement des corps célestes comme la Lune et le Soleil étaient un autre mystère. Plusieurs théories furent proposées pour répondre à ces questions. La plupart de ces réponses étaient fausses, mais cela est inhérent à la démarche scientifique. Les théories physiques de l'Antiquité étaient considérées d'un point de vue philosophique, et n'étaient pas toujours vérifiées par des expérimentations systématiques. L'idée de méthode expérimentale commença d'être élaborée par Epicure et les sceptiques, méthode qui jouera également un rôle important dans le développement de la médecine. Hormis les philosophes de l'école milésienne, Démocrite, et bien d'autres, le comportement et la nature du monde étaient expliquées par l'action de dieux. Vers -600 av. J.-C., un certain nombre de philosophes grecs (dont Thalès) commençaient à admettre que le monde pût être compris comme le résultat de processus naturels. Certains reprirent la contestation de la mythologie amorcée par Démocrite concernant par exemple les origines de l'espèce humaine (Ils anticipaient en cela les idées de Charles Darwin). Faute de matériel expérimental perfectionné et d'instruments précis de mesure, la vérification expérimentale de telles idées était difficile sinon impossible. Il y eut quelques exceptions comme Archimède et Ératosthène, ce qui nous rappelle que toute interprétation s'appuie nécessairement sur des présuppositions antérieures (voir inférence bayésienne). Des mathématiciens grecs, dont à nouveau Archimède, ont songé à calculer le volume d'objets comme les sphères et les cônes en les divisant en tranches imaginaires d'épaisseur infiniment petite ; ce qui faisait d'eux des précurseurs, de près de deux millénaires, du calcul intégral. On connaît mal le détail des idées anciennes en physique et leurs vérifications expérimentales. C'est vraisemblablement l'ouvrage Physica d'Aristote qui est à l'origine du mot physique. Le terme ancien est perpétué par la tradition de la philosophie antique. Selon Platon, la physique est l'une des trois parties de l'enseignement de la philosophie, aux côtés de l'éthique et de la logique. Selon son élève Aristote, la philosophie se divise en philosophie théorétique, philosophie pratique et philosophie poétique ; la physique est une des trois parties de la philosophie théorétique, aux côtés de la mathématique et de la théologie. Selon la Physique d‘Aristote, ce qui échappe à la triple catégorisation et ne peut être catalogué dans la physique est dévolu à la métaphysique, c'est-à-dire ce qui va au-delà de la physique. La quasi-totalité des sources les concernant a été perdue lors des deux grands incendies de la bibliothèque d'Alexandrie : -48 avec plus de 40 000 rouleaux perdus, et 696 par le général `Amr ben al-`As qui présida à la destruction totale du fonds (hormis Aristote dont les rouleaux furent sauvés in extremis et clandestinement par des admirateurs de ses œuvres). Au Moyen Âge précoce, à la suite des grandes invasions, l'Occident a oublié une partie de l'héritage de l'Antiquité, surtout les textes de la Grèce antique. Les arts libéraux formèrent l'enseignement de base des écoles carolingiennes. Cependant la physique n'en faisait pas partie. La civilisation arabo-musulmane conserva la mémoire de la science grecque. Les principaux progrès scientifiques au cours du Haut Moyen Age sont d'ailleurs le fait de savants arabes et indiens (avec l'invention du zéro vers l'an 500). Un peu avant l'An mil, un certain Gerbert d'Aurillac fit un séjour en Catalogne, dont il ramena des connaissances scientifiques, qui permirent de réintroduire le quadrivium en Occident. Cette période voit ainsi le début de la mise en place d'outils mathématiques (algèbre, algorithmique, entre autres) qui seront précieux pour la suite. Au XIIe siècle, le mot savant physique est attesté en ancien français sous la double forme fusique dès 1130 ou fisique, il a un double sens :

  • La médecine se nomme fusique. Son praticien, un médecin ou autrefois un apothicaire, est dénommé fisicien dès 1155. En anglais le terme subsiste avec la graphie savante : a physician.
  • La fisique est aussi la connaissance des choses de la nature. Le praticien ne soigne-t-il pas avec les dons de la nature, les herbes et les plantes, les substances minérales, animales ou végétales ?

La physique d'Aristote se révélait en fait insuffisante pour expliquer le mouvement des corps. Vers la fin du Moyen Âge fut introduite en Occident la doctrine de l'impetus pour améliorer la physique d'Aristote et expliquer le mouvement des corps physiques. Selon Aristote, il existe deux types de mouvements, le mouvement naturel ramenant les objets vers leurs lieux d'origine, et le mouvement violent, impulsé par un objet à un autre. Ainsi, la pierre tombe car elle revient naturellement à son lieu d'origine, la Terre, alors que le feu s'élève car son lieu d'origine est l'air. D'autre part, tout objet pour être déplacé doit être mû par une action, l'arrêt de l'action entraînant l'arrêt de l'objet. Se pose alors la question d'expliquer pourquoi une pierre lancée en l'air continue son mouvement avant de retomber. Aristote explique cela par le fait que la pierre qui se déplace laisse un vide derrière elle, vide qui se remplit d'air et qui contribue à pousser la pierre en avant. Cette dernière explication sera contestée à Alexandrie puis au Moyen Âge et donnera lieu à une autre explication, celle de l'impetus. Selon cette théorie, l'action initiale effectuée sur la pierre lui communique un impetus, et c'est cet impetus qui entretient le mouvement. L'impetus perd peu à peu de sa force à cause de la pénétration de la pierre dans le milieu aérien, et une fois cet impetus épuisé, la pierre prend son mouvement naturel et tombe. Parmi les savants ayant développé cette théorie de l'impetus, on peut citer en premier lieu Jean Philopon (philosophe de l'École néoplatonicienne d'Alexandrie) dans son Commentaire sur la Physique d’Aristote de 517 puis dans La Création du Monde, puis Avicenne, Avempace, Al-Tusi, Buridan, Oresme, Nicolas de Cues et elle est encore perceptible chez Tartaglia. La théorie de l'impetus donna lieu à des discussions passionnées, et d'un intérêt pratique incontestable au moment où se développe l'artillerie. Quelle est la forme précise de la trajectoire ? Jusque vers 1500, on imagine d'abord que la trajectoire initiale est rectiligne, animée par l'impetus, que la trajectoire finale est verticale, et que les deux trajectoires sont reliées par une courbe circulaire au moment où l'impetus est épuisé. Par ailleurs, on considère que le mouvement naturel fait acquérir à nouveau de l'impetus à la pierre. Dans un premier temps, on considère que l'impetus naturel combat l'impetus violent initial, avant de considérer que le second impetus se substitue peu à peu au premier. Cette dernière conception encore primitive de la mécanique, est néanmoins très importante, car elle conduit à une unification de la conception des mouvements, et à ne plus effectuer de distinction entre mouvement naturel et mouvement violent. Cela permettra d'ouvrir la voie à des conceptions modernes de la mécanique, avec Galilée, puis Newton. La notion d'impetus disparaîtra au cours du XVIIe siècle pour donner place peu à peu à celle de quantité de mouvement, puis de force vive, ancien nom de l'énergie cinétique. Par bien des aspects, l'impetus ressemble à l'énergie cinétique, mais il serait erroné de les confondre. D'une part, l'énergie cinétique se place dans le cadre général du principe de conservation de l'énergie, alors que le principe de l'impetus reposait sur l'épuisement de celui-ci. D'autre part, l'impetus avait pour but d'expliquer l'état de conservation du mouvement, alors qu'en physique moderne, le fait qu'un corps soit en mouvement rectiligne uniforme par rapport à un référentiel galiléen représente un état du corps, au même titre que l'état d'immobilité. En physique moderne, le passage de l'un à l'autre se faisant par changement de référentiel galiléen ; alors qu'au Moyen Âge, on cherchait à expliquer pourquoi un corps se mouvait sans s'être posé la problématique du système de référence. Le vocable physique apparaît en tant qu'adjectif qu'à la fin du XVe siècle. Loys Garbin le cite dans son vocabulaire latin-français publié à Genève en 1487, il désigne « ce qui se rapporte à la nature » et le substantif s'affirme dorénavant science des choses naturelles. Les travaux de Copernic au XVIe siècle ont marqué les tout débuts d'un bouleversement majeur dans les sciences qui eut des répercussions capitales en physique. Contrairement à Aristote et Ptolémée, Copernic voyait la Terre animée d'un mouvement de rotation autour du Soleil (héliocentrisme). Le philosophe des sciences Thomas Samuel Kuhn considère que cette découverte est une révolution scientifique majeure, consistant en un véritable changement de paradigme. Cette transformation est souvent appelée la révolution copernicienne. Le mot physique prend son sens moderne, plus restreint et mieux défini que le sens originel, au début du XVIIe siècle avec les expériences répétées de Galilée qui n'accepte, au delà des principes et des conventions issues des schémas mathématiques, comme résultat que ce qui est mesurable et reproductible par l'expérience. La méthode choisie permet de confirmer ou d'infirmer les hypothèses fondées sur une théorie donnée. Elle décrit de façon quantitative et modélise les êtres fondamentaux présents dans l'univers, cherche à décrire le mouvement par les forces qui s'y exercent et leurs effets. Elle développe des théories en utilisant l'outil des mathématiques pour décrire et prévoir l'évolution de systèmes naturels. L'élève de Galilée, Torricelli, montre que la science ne se contente pas de calculer des trajectoires balistiques, mais elle peut aussi expliquer des phénomènes singuliers et mettre au point des techniques. Les pionniers de la modélisation scientifique parmi lesquels le Français Descartes et nombre d'hydrauliciens et savants expérimentateurs des Pays-Bas ou d'Angleterre contribuent à diffuser les bases de cette physique classique qui atteint son heure prestigieuse et céleste en Angleterre avec les théories d'Isaac Newton. Les corrélations des observations aux modèles sont maintenant freinées par la lourdeur de l'outil mathématique. Le continent européen, en particulier l'Europe rhénane, choisit une notation souple initiée par Leibniz et s'impose en mathématique et physique, disciplines souvent peu dissociables. Ainsi les Bernoulli, Huyghens … jusqu'à Gauss font-ils rayonner la physique continentale. À l'université de Paris, les professeurs ne sont nullement des chercheurs confrontés à des situations concrètes et triviales de terrain, l'aristotélisme fournissant des cadres de classement et un ordre apparemment rigoureux domine encore les cours de philosophie naturelle jusque dans les années 1690, à partir desquelles il est progressivement remplacé par un cartésianisme sophistiqué, notamment grâce à l'ouverture du collège des Quatre-Nations et les cours d'Edme Pourchot. Le mot physique désigne alors les « connaissances concernant les causes naturelles » et son étude apporte l'expression « philosophie naturelle » selon un corpus universitaire gardé par Isaac Newton, auteur des principes mathématiques de philosophie naturelle. Ce n'est qu'au XVIIIe siècle que les travaux de Newton sur l'interaction gravitationnelle commencent à être vraiment diffusés sur le continent. A cette époque, La physique désigne clairement en français la science expérimentale. Des chaires de philosophie naturelle sont établies dans certaines universités, notamment au Royaume-Uni (Oxford, Edimbourg, etc.) À Paris, on compte par exemple une chaire de philosophie naturelle au collège de Clermont, occupée notamment par Ignace-Gaston Pardies. Le début du XXe siècle est marqué par une succession de découvertes scientifiques qui ont complètement modifié notre vision de l'Univers et du monde, apportant en particulier avec la relativité générale et la physique quantique de nouveaux changements de paradigme. Avec l'informatique sont apparus dans la seconde moitié du XXe siècle de nouvelles possibilités de modéliser les phénomènes physiques. Les équations de différentes théories physiques peuvent être résolues à l'aide de modèles numériques afin de rendre compte des phénomènes physiques. Les capacités de stocker les mesures sont telles que, même si on n'a pas de modèle pour expliquer un phénomène, on est de plus en plus capable de suivre son évolution numériquement (météorologie par exemple). Les outils d'informatique scientifique et technique aident profondément les scientifiques et les ingénieurs à fiabiliser les méthodes expérimentales et à éliminer toutes les pseudo-hypothèses qui renaissent de façon récurrente.

Dans la première édition du Dictionnaire de l'Académie française, datant de 1694, le nom « physique » est désigné comme la « science qui a pour objet la connaissance des choses naturelles. L'adjectif « physique » est défini comme signifiant naturel. Ce n'est que dans sa sixième édition (1832-1835) que le sens moderne de « physique » apparaît, le terme est défini comme la « science qui a pour objet les propriétés accidentelles ou permanentes des corps matériels, lorsqu'on les étudie sans les décomposer chimiquement. ». Enfin dans sa huitième édition (1932-1935), la physique est définie comme la « science qui observe et groupe les phénomènes du monde matériel, en vue de dégager les lois qui les régissent.» En même temps, le mot « science » prend le sens d'« ensemble formé par les sciences mathématiques, physiques et naturelles ». Auparavant, l’expression « sciences physiques » était un simple synonyme de l'expression « sciences naturelles ».

 

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Physique théorique et physique expérimentale

Une théorie ou un modèle, appelé schéma une fois étayé par de solides expériences et vérifié jusqu'en ses ultimes conséquences logiques, est un ensemble conceptuel formalisé mathématiquement, dans lequel des paramètres physiques qu'on suppose indépendants (charge, énergie et temps, par exemple) sont exprimés sous forme de variables (q, E et t) et mesurés avec des unités appropriées (coulomb, joule et seconde). La théorie relie ces variables par une ou plusieurs équations (par exemple, E=mc2). Ces relations permettent de prédire de façon quantitative le résultat d'expériences. Une expérience est un protocole matériel permettant de mesurer certains phénomènes dont la théorie donne une représentation conceptuelle. Il est illusoire d'isoler une expérience de la théorie associée. Le physicien ne mesure évidemment pas des choses au hasard ; il faut qu'il ait à l'esprit l'univers conceptuel d'une théorie. Aristote n'a jamais pensé calculer le temps que met une pierre lâchée pour atteindre le sol, simplement parce que sa conception du monde n'envisageait pas une telle quantification. Cette expérience a dû attendre Galilée pour être faite. La culture de la recherche en physique présente une différence notable avec celle des autres sciences en ce qui concerne la séparation entre théorie et expérience. Depuis le XXe siècle, la majorité des physiciens sont spécialisés soit en physique théorique, soit en physique expérimentale.

  • La physique théorique étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme mathématique. C'est dans de ce sous-domaine qu'on y crée les théories, les équations et les constantes en rapport avec la physique. Elle constitue un champ d'études intermédiaire entre la physique expérimentale et les mathématiques, et a souvent contribué au développement de l’une comme de l’autre. La physique théorique ne doit pas être confondue avec la physique mathématique, cette branche des mathématiques qui se propose de rendre entièrement rigoureux les énoncés souvent vagues des théoriciens. La physique théorique essaie de décrire le monde en réalisant des modèles de la réalité, utilisé afin de rationaliser, d'expliquer et de prédire des phénomènes physiques à travers une « théorie physique ». Il y a en physique trois types de théories : des théories fondamentales, des théories proposées mais non validées, et des théories marginales. Certaines théories physiques sont confirmées par l'observation alors que d'autres ne le sont pas. Une théorie physique est un modèle d'évènements physiques et ne peut pas être prouvée à partir d'axiomes de base ; en cela une théorie physique diffère d'un théorème mathématique. Les théories physiques modélisent la réalité et sont à la fois un reflet des observations, et une source de prédiction d'observations nouvelles. Les théories physiques les plus susceptibles d'acceptation sont celles qui relient une grande quantité de phénomènes. Le processus de test d'une théorie physique fait partie de la méthode scientifique. La position particulière de la physique théorique à la croisée des mathématiques et de la physique a conduit le mathématicien français Souriau à en proposer cette définition amusante : « La physique théorique est l'alliance de la physique sans l'expérience, et des mathématiques sans la rigueur ».
  • La physique expérimentale s'attache à sonder le fonctionnement de l'univers par l'expérience, par opposition à la physique théorique qui tente de l'expliquer. Elle peut avoir pour but d'éprouver ou d'invalider une théorie physique, d'améliorer la connaissance d'une constante physique, ou d'explorer des domaines inconnus.

La physique expérimentale et la physique théorique sont donc intrinsèquement liées, la première faisant en quelque sorte le lien entre les théories et la réalité : la validité d'une théorie physique doit être soumise à l'expérience, et la physique expérimentale peut mettre en évidence des phénomènes nouveaux, qui devront être théorisés. La simulation numérique occupe une place très importante dans la recherche en physique et ce depuis les débuts de l'informatique. Elle permet en effet la résolution approchée de problèmes mathématiques qui ne peuvent pas être traités analytiquement. Beaucoup de théoriciens sont aussi des numériciens. La physique possède une dimension esthétique. En effet, les théoriciens recherchent systématiquement à simplifier, unifier et symétriser les théories. Cela se fait par la réduction du nombre de constantes fondamentales (la constante G a intégré sous un même univers gravitationnel les mondes sublunaire et supralunaire), par la réunion de cadres conceptuels auparavant distincts (la construction du modèle standard pour la physique des particules). La recherche des symétries dans la théorie, est un vecteur de beauté des équations et de motivation des physiciens et, depuis le XXe siècle, le moteur principal des développements en physique théorique. Du point de vue expérimental, la simplification est un principe de pragmatisme. En effet la mise au point d'une expérience requiert de maîtriser un grand nombre de paramètres physiques afin de créer des conditions expérimentales précisément fixées. La plupart des situations se présentant spontanément dans la nature sont très confuses et irrégulières. Les concepts de la physique sont longs à acquérir, même par les physiciens. Une certaine préparation du dispositif expérimental permet donc la manifestation d'un phénomène aussi épurée que possible. Au cours de l'histoire, des théories complexes et peu élégantes d'un point de vue mathématique peuvent être très efficaces et dominer des théories beaucoup plus simples. L'Almageste de Ptolémée, basé sur une figure géométrique simple, le cercle, comportait un grand nombre de constantes dont dépendait la théorie, tout en ayant permis avec peu d'erreur de comprendre le ciel pendant plus de mille ans. Le modèle standard décrivant les particules élémentaires comporte également une trentaine de paramètres arbitraires, et pourtant jamais aucune théorie n'a été vérifiée expérimentalement aussi précisément. Toutefois, tout le monde s'accorde chez les physiciens pour penser que cette théorie sera sublimée et intégrée un jour dans une théorie plus simple et plus élégante, comme le système ptoléméen a disparu au profit de la théorie keplerienne, puis newtonienne. La physique est écrite en termes mathématiques, elle a depuis sa naissance eu des relations de couple intense avec les sciences mathématiques. Jusqu'au XXe siècle, les mathématiciens étaient d'ailleurs la plupart du temps physiciens et souvent philosophes naturalistes après la refondation kantienne. De ce fait la physique a très souvent été la source de développements profonds en mathématiques. Les sciences physiques sont en relation avec d'autres sciences, en particulier la chimie. Ils partagent de nombreux domaines, tels que la mécanique quantique et l'électromagnétisme. Ce domaine interdisciplinaire est appelé la chimie physique. De nombreux autres domaines interdisciplinaires existent en physique. On peut mentionner par exemple l'astrophysique à la frontière avec l'astronomie. L'histoire de l'humanité montre que la pensée technique et technologique s'est développée bien avant les théories physiques mathématisées. La roue et le levier, le travail des matériaux, en particulier la métallurgie, ont pu être réalisés sans la physique. L'effort de rationalité des penseurs grecs puis arabes et, par la suite, le lent perfectionnement des mathématiques du XIIe siècle au XVIe siècle, ont permis les foudroyantes avancées du XVIIe siècle. La physique a pu révéler sa profondeur conceptuelle. Les théories physiques ont alors souvent permis le perfectionnement d'outils et de machines, ainsi que de leur utilisation. Il faut attendre le XXe siècle pour que des théories donnent naissance à des techniques qui n'auraient pu voir le jour sans elles. On peut évidemment citer la bombe A comme créations techniques dépendant entièrement de la physique de l’époque moderne. Toute l'électronique en tant que science appliquée et technique ayant profondément modifié le visage de nos sociétés modernes avec l'avènement de produits aussi révolutionnaires que le téléviseur, le téléphone portable et les ordinateurs, prend en grande partie ses racines dans la physique. Etc…

 

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Liste des branches de la physique

  • Métrologie

 

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