Physique - Définition

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La physique (du grec φυσικη) est étymologiquement la science de la nature. Son champ d'application actuel est néanmoins plus restreint : la physique décrit de façon à la fois quantitative et conceptuelle les composants fondamentaux de l'univers, 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.

La physique n'accepte comme résultat que ce qui est mesurable et reproductible par expérience. Cette méthode permet de confirmer ou d'infirmer les hypothèses fondées sur une théorie donnée.

Théorie et expérience

Les physiciens observent, mesurent et modélisent le comportement et les interactions de la matière à travers l'espace et le temps (définis comme " phénomènes physiques ").

Une théorie ou modèle est un ensemble conceptuel formalisé mathématiquement, dans lequel des paramètres physiques qu'on suppose indépendants (charge, énergie, temps par exemple) sont exprimés sous forme de variables (q, E, t) et mesurés avec des unités appropriées (Coulomb, Joule, seconde). La théorie relie ces variables par une ou plusieurs équations (E = mc² est sans doute la plus connue). 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 sublunaire n'avait rien à faire avec une telle quantification. Cette expérience a dû attendre Galilée pour être faite. Un autre exemple d'expérience dictée nettement par un cadre conceptuel théorique est la découverte des quarks. dans le cadre de la physique des particules. Le physicien des particules Murray Gell-Mann a remarqué que les particules soumises à la force forte se répartissaient suivant une structure mathématique élégante, mais que trois positions fondamentales (au sens mathématique de la théorie des représentations) de cette structure n'étaient pas réalisées. Il postula donc l'existence de particules plus fondamentales (au sens physique) que les protons et les neutrons. Des expériences permirent par la suite, en suivant cette théorie, de mettre en évidence leur existence.

Inversement, des expériences fines ou nouvelles ne coïncidant pas avec la théorie peuvent ou bien remettre en cause la théorie — comme ce fut le cas du problème du corps noir qui provoqua l'avènement de la mécanique quantique et la disparition du vitalisme ou de l'atomisme thermodynamique — ou bien pousser la théorie et le modèle à intégrer de nouveaux éléments. L'exemple de la découverte de Neptune est édifiante à ce titre. Les astronomes pouvaient faire une première expérience, celle de mesurer la trajectoire d'Uranus. Or la théorie de Newton donnait une trajectoire différente de celle constatée. Pour maintenir la théorie, Urbain Le Verrier et indépendamment John Adams postulèrent l'existence d'une nouvelle planète, et d'après cette hypothèse prédirent sa position, ce qui fut avéré après une seconde expérience qui consista à braquer un télescope à l'endroit annoncé. Il est clair ici que l'interprétation de la première expérience est tributaire de la théorie, et la seconde n'aurait jamais pu avoir lieu sans cette même théorie et son calcul. Un autre exemple de ce type est l'existence du neutrino, qui a été supposée par Pauli pour expliquer le spectre continu de la désintégration bêta ainsi que l'apparente non-conservation du moment cinétique.

Modélisation et réel

L'histoire de la physique semble montrer qu'il est illusoire de penser que l'on finira par trouver un corpus fini d'équations qu'on ne pourra jamais contredire par expérience. Chaque théorie acceptée à une époque finit par révéler ses limites, et est intégrée dans une théorie plus large. La théorie newtonienne de la gravitation est valide dans des conditions où les vitesses sont petites et que les masses (ou de façon équivalente en relativité, les énergies) mises en jeu sont faibles, mais lorsque les vitesses approchent la vitesse c de la lumière ou que les masses deviennent importantes, elle doit céder la place à la relativité générale. Par ailleurs, celle-ci est incompatible avec la mécanique quantique lorsque l'échelle d'étude est microscopique et dans des conditions d'énergie très grande (par exemple au moment du Big Bang ou alors au voisinage d'une singularité à l'intérieur d'un trou noir) et sans doute finira par être intégrée elle aussi dans un modèle plus vaste.

La physique trouve donc sa limite et son permanent renouveau naît dans l'impossibilité évidente d'atteindre un état de connaissance parfait et sans faille du réel. De nombreux philosophes, dont Emmanuel Kant, ont mis en garde contre toute croyance que la connaissance humaine des phénomènes peut coïncider avec le réel, s'il existe. Il convient cependant de garder à l'esprit que la physique ne décrit pas le monde, que ses conclusions ne portent pas sur le monde lui même, mais sur le modèle qu'on déduit des quelques paramètres étudiés. La physique est une science exacte en ce que la base des hypothèses et paramètres considérés conduisent de façon exacte aux conclusions tirées, il n'est pas question en l'occurrence de décrire le monde de façon exacte et exhaustive.

Notons que la conception moderne de la physique, en particulier depuis la découverte de la mécanique quantique ne se donne généralement plus comme objectif ultime de déterminer les causes premières des lois physiques mais seulement d'en expliquer le comment dans une approche positiviste. On pourra aussi retenir l'idée d'Albert Einstein sur le travail du physicien : faire de la physique c'est comme émettre des théories sur le fonctionnement d'une horloge sans jamais pouvoir l'ouvrir.

Esthétique, simplicité et efficacité

La physique possède une dimension esthétique. En effet, les théoriciens recherchent presque systématiquement à simplifier, unifier, symétriser les théories. Cela se fait par la réduction du nombre de constantes fondamentales (la constante G de la gravitation a intégré sous un même univers gravitationnel le monde sublunaire et supralunaire), par la réunion de cadres conceptuels auparavant distincts (la théorie de Maxwell a unifié magnétisme et électricité, l'interaction électrofaible a unifié l'électrodynamique quantique avec l'interaction faible et ainsi de suite jusqu’à la construction du modèle standard actuel de la physique des particules). La recherche des symétries dans la théorie, outre le fait que par le théorème de Noether elles produisent spontanément des constantes du mouvement (comme l'énergie se conserve quand les équations du système sont invariantes temporellement), est un vecteur de beauté des équations et de motivation des physiciens et depuis le XX^e siècle le moteur principal des développements en physique théorique.

Néanmoins, des théories très 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.

Technique et physique

L'histoire de l'humanité montre que la pensée technique s'est développée bien avant les théories physiques, et à plus forte raison mathématisées. La roue et le levier, le travail des matériaux, en particulier la métallurgie, ont pu être réalisés sans ce qu'on appelle la physique. C'est par l'effort de rationalité des penseurs grecs puis arabes et, par la suite, le perfectionnement des mathématiques, que 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 XIX^e siècle pour que des théories donnent naissance à des techniques qui n'auraient pas pu voir le jour sans elles. Le cas du Laser est exemplaire : son invention repose fondamentalement sur la compréhension par la mécanique quantique des ondes lumineuses, de la linéarité de ses équations. On peut évidemment citer la bombe A et la bombe H comme créations techniques dépendant entièrement de la physique de leur époque. Moins guerrier, le GPS ne fonctionne que par l'intégration de la relativité restreinte et générale dans les calculs.

La physique et les autres sciences

La physique étant écrite en termes mathématiques, elle a depuis sa naissance eu des relations plus que profondes avec les mathématiques. Jusqu'au XX^e siècle, les mathématiciens étaient d'ailleurs la plupart du temps physiciens (et souvent philosophes). De ce fait la physique a très souvent été la source de développements profonds en mathématiques. Par exemple, le calcul différentiel, a été inventé indépendamment par Leibniz et Newton pour comprendre la dynamique en général, et la gravitation universelle en ce qui concerne le second. Le développement en série de Fourier, qui est devenu une branche à part entière de l'analyse, a été inventé par Joseph Fourier pour comprendre la diffusion de la chaleur.

Les sciences physiques sont bien sûr en relation avec d'autres sciences, en particulier la chimie, science des molécules et des composés chimiques. La chimie et la physique partagent de nombreux domaines, tels que la mécanique quantique, la thermochimie et l'électromagnétisme. Ce domaine interdisciplinaire est appelé la chimie physique. Toutefois, les phénomènes chimiques sont suffisamment vastes et variés pour que la chimie soit généralement considérée comme une discipline à part entière.

De nombreux autres domaines interdisciplinaires existent en physique. On peut mentionner par exemple l'astrophysique à la frontière avec l'astronomie, la biophysique qui est à l'interface entre la biologie et la physique statistique entre autres, et plus récemment les nanotechnologies.

Physique et religions

Il est arrivé dans l'Histoire que les résultats obtenus par la physique, et par certaines autres sciences également, entrent en conflit avec les religions. Celles-ci définissent en effet un ensemble de croyances qui, en général, incluent une représentation du monde, de l'univers, et de ses composants.

Le prototype de ce problème fut, au XVII^e siècle, la controverse ptoléméo-copernicienne, et la condamnation de Galilée (1633) qui entraîna un certain mouvement de rejet de la religion chrétienne (catholique) plus particulièrement, jugée " obscurantiste " par certains philosophes des Lumières. L'un des enjeux de ce problème était que certains passages de la Bible, par exemple le psaume 93 (92) sur Dieu roi de l'univers, que l'on pourrait qualifier de " cosmologiques ", étaient rédigés dans un sens géocentrique, ou à tout le moins ambigu, de sorte que, pris à la lettre, ils entraient en conflit avec les théories de la physique définies par Galilée, Kepler, Newton... Voir : Galilée, Révolution copernicienne, Descartes, Purification de la mémoire).

Dans un premier temps, les scientifiques du XVII^e siècle réagirent soit en rejetant la philosophie première de la scolastique, basée sur la métaphysique d'Aristote (cas de Descartes, méditations sur la philosophie première), soit en adhérant à des mouvements dissidents du christianisme (cas de Pascal, qui donna sa caution à Port-Royal pour rédiger une traduction de la Bible en français selon des vues jansénistes). Cette version fut la seule élaborée au XVII^e siècle, et aucun théologien catholique ne fut à la hauteur pour redresser la situation au XVII^e et au XVIII^e siècles, de sorte que cette Bible servit de référence à bon nombre d'intellectuels, dont des écrivains, jusqu'au XIX^e siècle.

En réalité, l'Église, en la personne du pape Benoît XIV, autorisa la théorie de l'héliocentrisme dès le XVIII^e siècle (en 1741 et en 1757), réhabilitant implicitement Galilée, ce qui passa relativement inaperçu dans le contexte du siècle des Lumières.

La situation commença à se clarifier au XIX^e siècle, une fois passée la Révolution française et dès que le christianisme put se réorganiser, lorsque les chrétiens (protestants et catholiques) se rendirent compte que la controverse posait des problèmes d'exégèse (revenir aux textes d'origine en grec ou hébreu) et d'herméneutique (définir des règles d'interprétation qui ne soient pas littérales). Ceci conduisit à des encycliques sur l'étude des textes bibliques (par Léon XIII, puis Pie XII), définissant les rapports entre la science et la religion, puis à des traductions canoniques de la Bible à partir du XX^e siècle (Bible de Jérusalem). Après deux siècles où il n'y eut que trois traductions de la Bible en français, le XIX^e siècle fournit ainsi 19 traductions de la Bible en français, et le XX^e siècle 22 traductions.

Plus qu'une réhabilitation de Galilée (que tous les papes modernes considérèrent comme un grand savant), le groupe de travail voulu par Jean-Paul II fut l'occasion de clarifier les relations réciproques entre la religion et la science. Aujourd'hui, l'Église ne se préoccupe pas des questions de structure physique de l'univers. Les questions de foi interviennent plutôt lors de l'application des théories dans la vie quotidienne.

Concernant la Genèse du monde et l'apparition de l'homme, il est aujourd'hui admis dans les milieux non fondamentalistes, tant catholiques que protestants, qu'une lecture symbolique de la Genèse s'impose. Ainsi, la Bible de Jérusalem fait remonter l'apparition de l'homme vers 100 000 av. J.C., l'homo habilis serait Adam (mais le type d'homo n'a en réalité peu d'importance).

Nombreux sont les physiciens qui étaient ou bien très religieux, ou bien ordonnés eux-mêmes. Par exemple, Copernic était moine, Edme Mariotte était prêtre et Georges Lemaître abbé. L'explication tient sans doute au fait que les religieux étaient pendant longtemps presque les seuls lettrés.

Par ailleurs, certaines religions ont pu encourager le développement de la recherche scientifique, comme ce fut le cas de l'islam entre le IX^e et le XV^e siècle, qui le fit d'ailleurs pour des raisons religieuses (voir Sciences et techniques islamiques à ce sujet), en profitant très largement de l'apport des civilisations soumises par l'Islam (perse, chaldéenne, byzantine, indienne...). La civilisation occidentale et chrétienne, ayant à surmonter le choc des invasions barbares et des conquêtes musulmanes, n'emboîta le pas à l'Islam qu'à partir du X^e (timidement) et surtout du XII^e siècle (voir Science du Moyen Âge et Renaissance du XII^e siècle).

De nos jours un grand nombre de physiciens, et de scientifiques plus généralement, admettent volontiers avoir des convictions religieuses^[1].

On constate que, aux États-Unis, comme en Europe, on a réalisé qu'il ne faut pas prendre au pied de la lettre les descriptions bibliques, ce qui est la position commune des catholiques et des protestants, prise depuis le XIX^e siècle.^{[réf. nécessaire]}

La recherche en physique

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 XX^e siècle, la majorité des physiciens sont spécialisés soit en physique théorique, soit en physique expérimentale. En revanche, presque tous les théoriciens renommés en chimie ou en biologie sont également des expérimentateurs.

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.

Principales théories

Bien que la physique s'intéresse à une grande variété de systèmes, certaines théories ne peuvent être rattachées qu'à la physique dans son ensemble et non à l'un de ses domaines. Chacune de ces théories est supposée juste, dans un certain domaine de validité ou d'applicabilité. Par exemple, la théorie de la mécanique classique (ou newtonienne) décrit fidèlement le mouvement d'un objet, pourvu que ses dimensions soient bien plus grandes que celles d'un atome et que sa vitesse soit bien inférieure à la vitesse de la lumière et que l'objet ne soit pas trop proche d'une masse importante et que celui-ci soit dépourvu de charge. Les théories anciennes comme par exemple la mécanique newtonienne sont encore des sujets de recherche notamment dans l'étude des phénomènes complexes (exemple : la théorie du chaos). Elles constituent la base de toute recherche en physique et tout étudiant en physique, quelle que soit sa spécialité, est censé acquérir les bases de chacune d'entre elles.

Théorie	Grands domaines	Concepts
Mécanique newtonienne	Cinématique, Lois du mouvement de Newton, Mécanique analytique, Mécanique des fluides, Mécanique du point, Mécanique du solide, Transformation de Galilée, Mécanique des milieux continus	Dimension, Espace, Temps, Référentiel, Longueur, Vitesse, Vitesse relative, Masse, Moment cinétique, Force, Énergie, Moment angulaire, Couple, Loi de conservation, Oscillateur harmonique, Onde, Travail, Puissance, Équilibre
Électromagnétisme	Électrostatique, Électricité, Magnétisme, Équations de Maxwell	Charge électrique, Courant électrique, Champ électrique, Champ magnétique, Champ électromagnétique, Onde électromagnétique
Physique statistique et Thermodynamique	Machine thermique, Théorie cinétique des gaz	Constante de Boltzmann, Entropie, Énergie libre, Chaleur, Fonction de partition, Température, Équilibre thermodynamique
Mécanique quantique	Intégrale de chemin, Équation de Schrödinger, Théorie quantique des champs	Hamiltonien, Boson, Fermion, Particules identiques, Constante de Planck, Oscillateur harmonique quantique, Fonction d'onde, Énergie de point zéro
Théorie de la relativité	Relativité galiléenne, Relativité restreinte, Relativité générale	Principe d'équivalence, Quadrivecteur, Espace-temps, Vitesse de la lumière, Vitesse relative, Invariance de Lorentz

Disciplines de la physique

La recherche en physique contemporaine est divisée en diverses disciplines qui étudient des aspects différents du monde physique.

Domaine	Disciplines	Principales théories	Concepts
Astrophysique	Cosmologie, Planétologie, Physique des plasmas, Astroparticules	Big Bang, Inflation cosmique, Relativité générale, Matière noire, Rayons cosmiques	Trou noir, Galaxie, Gravité, Onde gravitationnelle, Planète, Système solaire, Étoile, Univers
Physique quantique	Physique atomique, Physique moléculaire, Optique, Photonique	Optique quantique	Diffraction, Onde électromagnétique, Laser, Polarisation, Interférences
Physique des particules	Accélérateur de particules, Physique nucléaire	Modèle standard, Théorie de grande unification, Théorie des cordes, Théorie M	Interaction élémentaire (Gravité, Électromagnétisme, Interaction faible, Interaction forte), Particule élémentaire, Antiparticule, Spin, Brisure spontanée de symétrie
Physique de la matière condensée	Physique du solide, Science des matériaux, Physique des polymères, Matière molle, Physique mésoscopique, Système désordonné, Réseau de neurones	Supraconductivité, Onde de Bloch, Gaz de fermions, Liquide de Fermi	État de la matière (Solide, Liquide, Gaz, Plasma, Condensat de Bose-Einstein, Supercritique, Superfluide), Conducteur, Magnétisme, Auto-organisation

Disciplines apparentées

De nombreux domaines de recherche combinent la physique avec d'autres disciplines.

• Acoustique
• Aérodynamique
• Astronomie
• Biophysique
• Chimie physique
• Éconophysique
• Électronique
• Géophysique
• Mécanique
• Physique informatique
• Physique mathématique
• Sciences des matériaux

Domaines voisins de la physique

• Astronomie
• Biologie
• Chimie
• Cosmologie
• Géologie
• Mathématiques
• Médecine

Histoire et philosophie

• Épistémologie
• Histoire de la physique
• Liste de physiciens
• Prix Nobel de physique
• Grandes expériences de la physique

Outils et méthodes

• Analyse dimensionnelle
• Méthodes mathématiques en physique
• Métrologie
• Méthode expérimentale
• Simulation informatique
• Expérimentation assistée par ordinateur

Tableaux et banques de données

• Constantes physiques
• Conversion des unités
• Ordres de grandeur
• Système international d'unités
• Liste des grands nombres

Notes et références