Physique théorique - Définition

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Introduction

Ralph de Laer Kronig (1904-1995) professeur de physique théorique en 1928 à l'université technique Delft, Pays Bas.

La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme mathématique.

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.

Théories et modèles

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 (mauvaise traduction de « mainstream theories, proposed theories and fringe theories »).

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 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 les plus susceptibles d'acception sont celles qui relient une grande quantité de phénomènes. Le processus de test d'une théorie physique fait partie de la méthode scientifique.

Divers

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 »

Quelques théories

Le tableau ci-dessous rassemble des théories qui n'ont pas été contredites en date de 2010. Les théories communément acceptées sont en vert, les théories spéculatives sont en beige. Elles sont classées par date. Deux théories communément acceptées peuvent donner des résultats différents : par exemple, la mécanique newtonienne sera moins précise que la théorie de la relativité générale en cosmologie. Chaque théorie a son propre domaine d'application (ainsi, la relativité restreinte permet d'étendre ce domaine aux vitesses proches de la vitesse de la lumière).

Théorie Inventeur Outils de modélisation Domaine d'application
Mécanique classique Newton (XVIIe siècle) Géométrie euclidienne en 3D

Temps

Petites vitesses (<< c)

Echelles moyennes (~ 1 m)

Relativité restreinte Einstein (1905) Espace-temps (Espace de Minkowski en 4D, plat) Grandes vitesses
  • Electromagnétisme
Relativité générale Einstein (1915) Géométrie non euclidienne en 4D Grandes échelles (cosmologie)
  • Gravitation
  • Electromagnétisme
Mécanique quantique

Théorie quantique des champs

Planck, Born, Dirac, Heisenberg, Schrödinger,

Bohr, Pauli,etc. (1927)

Univers quantifié

Fonction d'onde

Petites échelles

Petites vitesses

  • Interactions dérivant de champs
Électrodynamique quantique Tomonaga, Schwinger,

Feynman (1960)

Univers quantifié Petites échelles
  • Electromagnétisme
Force électrofaible Glashow, Salam,

Weinberg (1967)

Modèle standard 1970 Quantification Petites échelles
  • Electromagnétisme
  • Interaction faible
  • Interaction forte
Chromodynamique quantique Politzer, Wilczek, Gross (1973) Quantification Petites échelles
  • Interaction forte
Théorie de la Grande unification Glashow, Georgi (1973)
  • Electromagnétisme
  • Interaction faible
  • Interaction forte
Gravitation quantique à boucles Ashtekar (1986) Géométrie non euclidienne en 4D

Quantification

Petites échelles
  • Gravitation
Théories des cordes Veneziano (1968) Nambu, Nielsen, Susskind (1970)
  • Toutes échelles
  • Description perturbative
  • Les 4 interactions fondamentales
Théorie M Witten (1995)
  • Quantification inconnue
  • 11 dimensions
  • Supersymétrie
Extension non-perturbative de la théorie des cordes (projet)

Notons enfin qu'on appelle :

  • Une théorie du Tout une théorie qui décrit tous les phénomènes physiques.
  • Une gravité quantique une théorie qui rassemble la théorie de la relativité générale et la mécanique quantique.
  • Une théorie de jauge une théorie basée sur un ou des groupes de symétries agissant en chaque point de l'univers séparément.
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