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La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme mathématique (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et...).
Elle constitue un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) d'études intermédiaire entre la physique expérimentale (La physique expérimentale a pour but d'éprouver la valeur de vérité des théories physiques. La création d'un appareillage utilisant les principes des théories physiques, revient donc à la...) et les mathématiques, et a souvent contribué au développement de l’une comme l’autre.
La physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme mathématique.) ne doit pas être confondue avec la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne...) mathématique, cette branche des mathématiques qui se propose de rendre entièrement rigoureux les énoncés souvent vagues des théoriciens[1].
Théories et modèles
La physique théorique essaie de décrire le monde (Le mot monde peut désigner :) en réalisant des modèles de la réalité, utilisé afin de rationnaliser, 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 (mauvaise traduction de " mainstream theories, proposed theories and fringe theories ").
Certaines théories physiques sont confirmées par l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...) alors que d'autres ne le sont pas. Une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) 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 (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une assertion qui peut être établie comme vraie au travers...) mathématique. Les théories physiques modélisent la réalité et sont à la fois un reflet (Un reflet est, en physique, l'image virtuelle formée par la réflexion spéculaire d'un objet sur une surface. La nature spéculaire de la réflexion...) des observations, et une source de prédiction d'observations nouvelles.
Les théories physiques peuvent être acceptées lorsqu'elles permettent à la fois de faire des prédictions correctes et d'éviter de faire des prédictions erronées. Les théories physiques les plus simples sont le plus souvent préférées à celles qui sont complexes, conformément à la règle connue sous le nom de " rasoir d'Ockham ". Les théories physiques le plus susceptibles d'acception sont celles qui relient une grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un...) de phénomènes. Le processus de test d'une théorie physique fait partie de la méthode scientifique (On appelle méthode scientifique l'ensemble des canons guidant ou devant guider le processus de production des connaissances scientifiques, que ce soit des observations, des...).
Quelques théories
Le tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) ci-dessous rassemble des théories qui n'ont pas (encore) été contredites. Les théories communément acceptées sont en vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un...), les théories spéculatives sont en beige. Elles sont classées par date. Il faut bien noter que deux théories communément acceptées peuvent donner des résultats différents : par exemple, la mécanique newtonienne (La mécanique newtonienne est une branche de la physique. Depuis les travaux d'Albert Einstein, elle est souvent qualifiée de mécanique classique.) sera moins précise que la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ...) générale en cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.). Chaque théorie a son propre domaine d'application (ainsi, la relativité restreinte (On nomme relativité restreinte une première version de la théorie de la relativité, émise en 1905 par Albert Einstein, qui ne considérait pas la...) permet d'étendre ce domaine aux vitesses proches de la vitesse (On distingue :) de la lumière).
| Théorie | Inventeur | Outils de modélisation | Domaine d'application |
|---|---|---|---|
| Mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins,...) classique | Newton (XVIIe siècle) | Géométrie euclidienne (La géométrie euclidienne commence avec les Éléments d'Euclide, qui est à la fois une somme des connaissances géométriques de l'époque et une tentative de formalisation mathématique de ces...) en 3D
Temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) |
Petites vitesses (<< c) Echelles moyennes (~ 1 m)
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| Relativité restreinte | Einstein (1905) | Espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise notamment par Minkowski en 1908 dans un exposé mathématique sur la géométrie de l'espace et du...) (Espace de Minkowski en 4D, plat) | Grandes vitesses
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| Relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une théorie...) | Einstein (1915) | Géométrie non euclidienne (On nomme géométrie non euclidienne une théorie géométrique modifiant au moins un des axiomes postulés par Euclide dans les Éléments.) en 4D | Grandes échelles (cosmologie)
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| Mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique. Cette...)
Théorie quantique des champs (La théorie quantique des champs est l'application des concepts de la physique quantique aux champs. Issue de la mécanique quantique relativiste, dont l'interprétation comme théorie décrivant une seule particule s'était avérée...) |
Born, Dirac, Heisenberg, Schrödinger,
Bohr, Pauli,etc. (1927) |
Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) quantifié
Fonction d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de...) |
Petites échelles
Petites vitesses
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| Électrodynamique quantique (L'électrodynamique quantique relativiste est une théorie physique ayant pour but de concilier l'électromagnétisme avec la mécanique quantique en utilisant un formalisme Lagrangien relativiste.) | Tomonaga, Schwinger,
Feynman (1960) |
Univers quantifié | Petites échelles
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| Force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) électrofaible | Glashow, Salam,
Weinberg (1967) |
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| Modèle standard | 1970 | Quantification | Petites échelles
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| Chromodynamique quantique (La chromodynamique quantique, acronyme QCD de l'anglais Quantum ChromoDynamics, est une théorie physique qui décrit l’interaction forte, l’une des forces fondamentales. Elle fut proposée en 1973 par H. David Politzer, Frank...) | Politzer, Wilczek, Gross (1973) | Quantification | Petites échelles
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| Théorie de la Grande unification (Le concept d'unification est une notion centrale de la logique des prédicats ainsi que d'autres systèmes de logique et est sans doute ce qui distingue le plus Prolog des autres langages de programmation.) | Glashow, Georgi (1973) |
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| Gravitation quantique à boucles (La gravitation quantique à boucles est une tentative de créer une théorie de la gravitation quantique, et donc d'unifier la théorie de la relativité générale...) | Ashtekar (1986) | Géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) non euclidienne en 4D
Quantification |
Petites échelles
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| Théories des cordes | Veneziano (1968) Nambu, Nielsen, Susskind (1970) |
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| Théorie M (La théorie M est une théorie élaborée par Edward Witten qui a pour but d'unifier les cinq théories des cordes.) | Witten (1995) |
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Extension non-perturbative de la théorie des cordes (La théorie des cordes est l'une des voies envisagées pour régler une des questions majeures de la physique théorique : fournir une description de la gravité quantique...) (projet) |
Notons enfin qu'on appelle :
- Une théorie du Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) une théorie qui décrit tous les phénomènes physiques.
- Une gravité quantique (La gravité quantique est la branche de la physique théorique tentant d'unifier la mécanique quantique et la relativité générale.) une théorie qui rassemble la théorie de la relativité générale et la mécanique quantique.
- Une théorie de jauge ( En tant qu'instrument de mesure : Une jauge est un instrument de mesure. On trouve par exemple : La jauge de contrainte,...) une théorie basée sur un ou des groupes de symétries agissant en chaque point (Graphie) de l'univers séparément.
Divers
La position particulière de la physique théorique à la croisée (Croisée peut désigner :) des mathématiques et de la physique a conduit le mathématicien (Un mathématicien est au sens restreint un chercheur en mathématiques, par extension toute personne faisant des mathématiques la base de son activité principale. Ce terme recouvre une large palette de...) français Souriau à en proposer cette définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) amusante :
" La physique théorique est l'alliance de la physique sans l'expérience, et des mathématiques sans la rigueur "
Bibliographie
- Pierre Duhem ; La théorie physique - Son objet, sa structure, (2ème édition - 1914). Réédité par la Librairie philosophique J. Vrin (1981), ISBN 2-7116-0221-4.