En physique, qu'est-ce qu'une substance qui se déforme/s'écoule continuellement sous l'effet de contraintes appliquées, y compris les liquides, les gaz et les plasmas ?
fluide
La physique classique comprend les branches et sujets traditionnels reconnus et bien développés avant le début du XXe siècle : la mécanique classique, l'acoustique, l'optique, la thermodynamique et l'électromagnétisme. La mécanique classique s'intéresse aux corps soumis à des forces et aux corps en mouvement et peut être divisée en statique (étude des forces sur un ou plusieurs corps non soumis à une accélération), cinématique (étude du mouvement sans égard à ses causes) et dynamique (étude du mouvement et des forces qui l'influencent) ; la mécanique peut également être divisée en mécanique des solides et mécanique des fluides (connues ensemble sous le nom de mécanique des continus), cette dernière comprenant des branches telles que l'hydrostatique, l'hydrodynamique, l'aérodynamique et la pneumatique. L'acoustique est l'étude de la manière dont le son est produit, contrôlé, transmis et reçu. Les branches modernes importantes de l'acoustique comprennent les ultrasons, l'étude des ondes sonores de très haute fréquence au-delà de la portée de l'audition humaine ; la bioacoustique, la physique des cris et de l'audition des animaux, et l'électroacoustique, la manipulation des ondes sonores audibles à l'aide de l'électronique. L'optique, l'étude de la lumière, s'intéresse non seulement à la lumière visible mais également aux rayonnements infrarouges et ultraviolets, qui présentent tous les phénomènes de la lumière visible à l'exception de la visibilité, par exemple la réflexion, la réfraction, l'interférence, la diffraction, la dispersion et la polarisation de la lumière. . La chaleur est une forme d'énergie, l'énergie interne possédée par les particules qui composent une substance ; la thermodynamique traite des relations entre la chaleur et d'autres formes d'énergie. L'électricité et le magnétisme ont été étudiés comme une branche unique de la physique depuis que leur lien intime a été découvert au début du XIXe siècle ; un courant électrique donne naissance à un champ magnétique et un champ magnétique changeant induit un courant électrique. L'électrostatique traite des charges électriques au repos, l'électrodynamique des charges en mouvement et la magnétostatique des pôles magnétiques au repos. Les exemples les plus connus de phases condensées sont les solides et les liquides, qui résultent de la liaison exercée par la force électromagnétique entre les atomes. Les phases condensées plus exotiques incluent le superfluide et le condensat de Bose-Einstein trouvés dans certains systèmes atomiques à très basse température, la phase supraconductrice présentée par les électrons de conduction dans certains matériaux et les phases ferromagnétiques et antiferromagnétiques des spins sur les réseaux atomiques.
La physique (de phúsis « nature ») est la science naturelle qui implique l'étude de la matière et de son mouvement dans l'espace et dans le temps, ainsi que des concepts connexes tels que l'énergie et la force. L’une des disciplines scientifiques les plus fondamentales, la physique a pour objectif principal de comprendre le comportement de l’univers.
La physique est l’une des disciplines universitaires les plus anciennes, peut-être la plus ancienne grâce à son inclusion dans l’astronomie. Au cours des deux derniers millénaires, la physique faisait partie de la philosophie naturelle, au même titre que la chimie, la biologie et certaines branches des mathématiques, mais lors de la révolution scientifique du XVIIe siècle, les sciences naturelles sont devenues des programmes de recherche uniques à part entière. La physique recoupe de nombreux domaines de recherche interdisciplinaires, tels que la biophysique et la chimie quantique, et les frontières de la physique ne sont pas définies de manière rigide. Les nouvelles idées en physique expliquent souvent les mécanismes fondamentaux d’autres sciences tout en ouvrant de nouvelles voies de recherche dans des domaines tels que les mathématiques et la philosophie.
La physique apporte également des contributions significatives grâce aux progrès des nouvelles technologies qui découlent des avancées théoriques. Par exemple, les progrès dans la compréhension de l’électromagnétisme ou de la physique nucléaire ont conduit directement au développement de nouveaux produits qui ont radicalement transformé la société moderne, comme la télévision, les ordinateurs, les appareils électroménagers et les armes nucléaires ; les progrès de la thermodynamique ont conduit au développement de l’industrialisation, et les progrès de la mécanique ont inspiré le développement du calcul.
Histoire
Astronomie ancienne
L'astronomie est la plus ancienne des sciences naturelles. Les premières civilisations remontant à plus de 3 000 avant notre ère, comme les Sumériens, les anciens Égyptiens et la civilisation de la vallée de l'Indus, possédaient toutes une connaissance prédictive et une compréhension de base des mouvements du Soleil, de la Lune et des étoiles. Les étoiles et les planètes étaient souvent une cible de culte, censées représenter leurs dieux. Même si les explications de ces phénomènes étaient souvent peu scientifiques et manquaient de preuves, ces premières observations ont jeté les bases de l’astronomie ultérieure.
Selon Asger Aaboe, les origines de l’astronomie occidentale se trouvent en Mésopotamie, et tous les efforts occidentaux dans les sciences exactes descendent de l’astronomie babylonienne tardive. Les astronomes égyptiens ont laissé des monuments témoignant de leur connaissance des constellations et des mouvements des corps célestes, tandis que le poète grec Homère a écrit sur divers objets célestes dans son Iliade et son Odyssée ; Plus tard, des astronomes grecs ont donné des noms, encore utilisés aujourd'hui, pour la plupart des constellations visibles depuis l'hémisphère nord.
Philosophie naturelle
La philosophie naturelle trouve ses origines en Grèce pendant la période archaïque (650 avant notre ère – 480 avant notre ère), lorsque des philosophes présocratiques comme Thalès rejetaient les explications non naturalistes des phénomènes naturels et proclamaient que chaque événement avait une cause naturelle. Ils proposèrent des idées vérifiées par la raison et l'observation, et nombre de leurs hypothèses se révélèrent fructueuses expérimentalement ; par exemple, l'atomisme s'est avéré correct environ 2000 ans après sa première proposition par Leucippe et son élève Démocrite.
La physique dans le monde islamique médiéval
L'érudition islamique avait hérité de la physique aristotélicienne des Grecs et l'a développée davantage au cours de l'âge d'or islamique, en mettant particulièrement l'accent sur l'observation et le raisonnement a priori, développant les premières formes de la méthode scientifique.
Les innovations les plus notables concernaient le domaine de l'optique et de la vision, issues des travaux de nombreux scientifiques comme Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn Al-Haitham, Al-Farisi et Avicenne. L'ouvrage le plus remarquable était le Livre de l'Optique (également connu sous le nom de Kitāb al-Manāẓir) écrit par Ibn Al-Haitham, dans lequel il fut non seulement le premier à réfuter l'idée grecque antique sur la vision, mais il proposa également une nouvelle théorie. Dans le livre, il a également été le premier à étudier le phénomène de la caméra sténopé et à approfondir le fonctionnement de l'œil lui-même. En utilisant les dissections et les connaissances d'anciens chercheurs, il a pu commencer à expliquer comment la lumière pénètre dans l'œil, est focalisée et projetée vers l'arrière de l'œil : et a ensuite construit la première chambre noire au monde des centaines d'années avant le développement moderne. de la photographie.
Le Livre d'Optique en sept volumes (Kitab al-Manathir) a énormément influencé la réflexion dans toutes les disciplines, depuis la théorie de la perception visuelle jusqu'à la nature de la perspective dans l'art médiéval, tant en Orient qu'en Occident, pendant plus de 600 ans. De nombreux érudits européens et confrères polymathes ultérieurs, de Robert Grosseteste et Léonard de Vinci à René Descartes, Johannes Kepler et Isaac Newton, lui furent redevables. En effet, l’influence de l’Optique d’Ibn al-Haytham se classe à côté de celle de l’ouvrage du même titre de Newton, publié 700 ans plus tard.
La traduction du Livre de l’Optique a eu un impact énorme sur l’Europe. À partir de là, les érudits européens ultérieurs ont pu construire les mêmes dispositifs qu'Ibn Al Haytham et comprendre le fonctionnement de la lumière. À partir de là, des objets aussi importants que des lunettes, des loupes, des télescopes et des appareils photo ont été développés.
Physique classique
La physique est devenue une science à part entière lorsque les premiers Européens modernes ont utilisé des méthodes expérimentales et quantitatives pour découvrir ce qui est aujourd’hui considéré comme les lois de la physique.
Les développements majeurs de cette période comprennent le remplacement du modèle géocentrique du système solaire par le modèle copernicien héliocentrique, les lois régissant le mouvement des corps planétaires déterminées par Johannes Kepler entre 1609 et 1619, les travaux pionniers sur les télescopes et l'astronomie d'observation de Galileo Galilei en les XVIe et XVIIe siècles, et la découverte et l'unification par Isaac Newton des lois du mouvement et de la gravitation universelle qui porteront son nom. Newton a également développé le calcul, l’étude mathématique du changement, qui a fourni de nouvelles méthodes mathématiques pour résoudre des problèmes physiques.
La découverte de nouvelles lois en thermodynamique, en chimie et en électromagnétisme est le résultat d’efforts de recherche accrus au cours de la révolution industrielle, alors que les besoins énergétiques augmentaient. Les lois qui composent la physique classique restent très largement utilisées pour les objets à l'échelle quotidienne se déplaçant à des vitesses non relativistes, car elles fournissent une approximation très proche dans de telles situations, et des théories telles que la mécanique quantique et la théorie de la relativité simplifient leurs équivalents classiques dans de telles situations. Balance. Cependant, les imprécisions de la mécanique classique pour les très petits objets et les très grandes vitesses ont conduit au développement de la physique moderne au XXe siècle.
Physique moderne
La physique moderne a débuté au début du XXe siècle avec les travaux de Max Planck sur la théorie quantique et la théorie de la relativité d'Albert Einstein. Ces deux théories sont nées d’inexactitudes de la mécanique classique dans certaines situations. La mécanique classique prédisait une vitesse variable de la lumière, qui ne pouvait pas être résolue avec la vitesse constante prédite par les équations de l'électromagnétisme de Maxwell ; cet écart a été corrigé par la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, qui a remplacé la mécanique classique pour les corps en mouvement rapide et a permis une vitesse constante de la lumière. Le rayonnement du corps noir posait un autre problème à la physique classique, qui fut corrigé lorsque Planck proposa que l'excitation des oscillateurs matériels n'est possible que par étapes discrètes proportionnelles à leur fréquence ; ceci, associé à l'effet photoélectrique et à une théorie complète prédisant les niveaux d'énergie discrets des orbitales électroniques, a conduit à la théorie de la mécanique quantique prenant le relais de la physique classique à très petite échelle.
La mécanique quantique sera lancée par Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger et Paul Dirac. De ces premiers travaux et de travaux dans des domaines connexes, le modèle standard de la physique des particules a été dérivé. Suite à la découverte d'une particule aux propriétés cohérentes avec le boson de Higgs au CERN en 2012, toutes les particules fondamentales prédites par le modèle standard, et aucune autre, semblent exister ; cependant, la physique au-delà du modèle standard, avec des théories telles que la supersymétrie, constitue un domaine de recherche actif. Les domaines des mathématiques en général sont importants pour ce domaine, comme l'étude des probabilités.
Philosophie
À bien des égards, la physique découle de la philosophie grecque antique. Depuis la première tentative de Thalès pour caractériser la matière, jusqu'à la déduction de Démocrite selon laquelle la matière devrait être réduite à un état invariant, l'astronomie ptolémaïque d'un firmament cristallin et le livre d'Aristote Physique (un des premiers livres de physique, qui tentait d'analyser et de définir le mouvement à partir de d'un point de vue philosophique), divers philosophes grecs ont avancé leurs propres théories sur la nature. La physique était connue comme philosophie naturelle jusqu’à la fin du XVIIIe siècle.
Au XIXe siècle, la physique est devenue une discipline distincte de la philosophie et des autres sciences. La physique, comme le reste de la science, s'appuie sur la philosophie des sciences et sa « méthode scientifique » pour faire progresser notre connaissance du monde physique. La méthode scientifique utilise un raisonnement a priori ainsi qu'un raisonnement a posteriori et l'utilisation de l'inférence bayésienne pour mesurer la validité d'une théorie donnée.
Le développement de la physique a répondu à de nombreuses questions des premiers philosophes, mais a également soulevé de nouvelles questions. L'étude des questions philosophiques entourant la physique, la philosophie de la physique, implique des questions telles que la nature de l'espace et du temps, le déterminisme et des perspectives métaphysiques telles que l'empirisme, le naturalisme et le réalisme.
De nombreux physiciens ont écrit sur les implications philosophiques de leurs travaux, par exemple Laplace, qui défendait le déterminisme causal, et Erwin Schrödinger, qui a écrit sur la mécanique quantique. Le physicien mathématicien Roger Penrose a été qualifié de platonicien par Stephen Hawking, un point de vue abordé par Penrose dans son livre The Road to Reality. Hawking se qualifie de « réductionniste éhonté » et conteste les vues de Penrose.
Théories de base
Bien que la physique traite une grande variété de systèmes, certaines théories sont utilisées par tous les physiciens. Chacune de ces théories a été testée expérimentalement à de nombreuses reprises et s'est avérée être une approximation adéquate de la nature. Par exemple, la théorie de la mécanique classique décrit avec précision le mouvement des objets, à condition qu’ils soient beaucoup plus gros que les atomes et se déplacent à une vitesse bien inférieure à la vitesse de la lumière. Ces théories continuent de faire l’objet de recherches actives aujourd’hui. La théorie du chaos, un aspect remarquable de la mécanique classique, a été découverte au XXe siècle, trois siècles après la formulation originale de la mécanique classique par Isaac Newton (1642-1727).
Ces théories centrales sont des outils importants pour la recherche sur des sujets plus spécialisés, et tout physicien, quelle que soit sa spécialisation, est censé les maîtriser. Ceux-ci incluent la mécanique classique, la mécanique quantique, la thermodynamique et la mécanique statistique, l'électromagnétisme et la relativité restreinte.
Physique classique
La physique classique comprend les branches et sujets traditionnels reconnus et bien développés avant le début du XXe siècle : la mécanique classique, l'acoustique, l'optique, la thermodynamique et l'électromagnétisme. La mécanique classique s'intéresse aux corps soumis à des forces et aux corps en mouvement et peut être divisée en statique (étude des forces sur un ou plusieurs corps non soumis à une accélération), cinématique (étude du mouvement sans égard à ses causes) et dynamique (étude du mouvement et des forces qui l'influencent) ; la mécanique peut également être divisée en mécanique des solides et mécanique des fluides (connues ensemble sous le nom de mécanique des continus), cette dernière comprenant des branches telles que l'hydrostatique, l'hydrodynamique, l'aérodynamique et la pneumatique. L'acoustique est l'étude de la manière dont le son est produit, contrôlé, transmis et reçu. Les branches modernes importantes de l'acoustique comprennent les ultrasons, l'étude des ondes sonores de très haute fréquence au-delà de la portée de l'audition humaine ; la bioacoustique, la physique des cris et de l'audition des animaux, et l'électroacoustique, la manipulation des ondes sonores audibles à l'aide de l'électronique. L'optique, l'étude de la lumière, s'intéresse non seulement à la lumière visible mais également aux rayonnements infrarouges et ultraviolets, qui présentent tous les phénomènes de la lumière visible à l'exception de la visibilité, par exemple la réflexion, la réfraction, l'interférence, la diffraction, la dispersion et la polarisation de la lumière. . La chaleur est une forme d'énergie, l'énergie interne possédée par les particules qui composent une substance ; la thermodynamique traite des relations entre la chaleur et d'autres formes d'énergie. L'électricité et le magnétisme ont été étudiés comme une branche unique de la physique depuis que leur lien intime a été découvert au début du XIXe siècle ; un courant électrique donne naissance à un champ magnétique et un champ magnétique changeant induit un courant électrique. L'électrostatique traite des charges électriques au repos, l'électrodynamique des charges en mouvement et la magnétostatique des pôles magnétiques au repos.
Physique moderne
La physique classique s'intéresse généralement à la matière et à l'énergie à l'échelle normale d'observation, tandis qu'une grande partie de la physique moderne s'intéresse au comportement de la matière et de l'énergie dans des conditions extrêmes ou à très grande ou très petite échelle. Par exemple, les études de physique atomique et nucléaire importent à la plus petite échelle à laquelle les éléments chimiques peuvent être identifiés. La physique des particules élémentaires est à une échelle encore plus petite puisqu'elle concerne les unités les plus élémentaires de la matière ; cette branche de la physique est également connue sous le nom de physique des hautes énergies en raison des énergies extrêmement élevées nécessaires pour produire de nombreux types de particules dans les accélérateurs de particules. À cette échelle, les notions ordinaires et de bon sens d’espace, de temps, de matière et d’énergie ne sont plus valables.
Les deux principales théories de la physique moderne présentent une image différente des concepts d’espace, de temps et de matière par rapport à celle présentée par la physique classique. La mécanique classique considère la nature comme continue, tandis que la théorie quantique s'intéresse à la nature discrète de nombreux phénomènes aux niveaux atomique et subatomique et aux aspects complémentaires des particules et des ondes dans la description de ces phénomènes. La théorie de la relativité s'intéresse à la description de phénomènes qui se déroulent dans un cadre de référence en mouvement par rapport à un observateur ; la théorie de la relativité restreinte s'intéresse au mouvement relatif uniforme en ligne droite et la théorie de la relativité générale au mouvement accéléré et à son lien avec la gravitation. La théorie quantique et la théorie de la relativité trouvent toutes deux des applications dans tous les domaines de la physique moderne.
Différence entre la physique classique et moderne
Alors que la physique vise à découvrir des lois universelles, ses théories se situent dans des domaines d’applicabilité explicites. En gros, les lois de la physique classique décrivent avec précision des systèmes dont les échelles de longueur importantes sont supérieures à l'échelle atomique et dont les mouvements sont beaucoup plus lents que la vitesse de la lumière. En dehors de ce domaine, les observations ne correspondent pas aux prédictions fournies par la mécanique classique. Albert Einstein a contribué au cadre de la relativité restreinte, qui a remplacé les notions de temps et d'espace absolus par l'espace-temps et a permis une description précise des systèmes dont les composants ont des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Max Planck, Erwin Schrödinger et d'autres ont introduit la mécanique quantique, une notion probabiliste de particules et d'interactions qui a permis une description précise des échelles atomiques et subatomiques. Plus tard, la théorie quantique des champs a unifié la mécanique quantique et la relativité restreinte. La relativité générale a permis un espace-temps dynamique et incurvé, avec lequel les systèmes hautement massifs et la structure à grande échelle de l'univers peuvent être bien décrits. La relativité générale n'a pas encore été unifiée avec les autres descriptions fondamentales ; plusieurs théories candidates de la gravité quantique sont en cours de développement.
Relation avec d'autres domaines
Conditions préalables
Les mathématiques fournissent un langage compact et précis utilisé pour décrire l'ordre dans la nature. Cela a été noté et préconisé par Pythagore, Platon, Galilée et Newton.
La physique utilise les mathématiques pour organiser et formuler des résultats expérimentaux. A partir de ces résultats, des solutions précises ou estimées, des résultats quantitatifs à partir desquels de nouvelles prédictions peuvent être faites et confirmées ou infirmées expérimentalement. Les résultats des expériences de physique sont des mesures numériques. Les technologies basées sur les mathématiques, comme le calcul, ont fait de la physique computationnelle un domaine de recherche actif.
L'ontologie est une condition préalable à la physique, mais pas aux mathématiques. Cela signifie que la physique s’intéresse en fin de compte aux descriptions du monde réel, tandis que les mathématiques s’intéressent aux modèles abstraits, même au-delà du monde réel. Ainsi, les énoncés physiques sont synthétiques, tandis que les énoncés mathématiques sont analytiques. Les mathématiques contiennent des hypothèses, tandis que la physique contient des théories. Les énoncés mathématiques doivent être logiquement vrais, tandis que les prédictions des énoncés physiques doivent correspondre aux données observées et expérimentales.
La distinction est claire, mais pas toujours évidente. Par exemple, la physique mathématique est l’application des mathématiques à la physique. Ses méthodes sont mathématiques, mais son sujet est physique. Les problèmes dans ce domaine commencent par un « modèle mathématique d'une situation physique » (système) et une « description mathématique d'une loi physique » qui sera appliquée à ce système. Chaque énoncé mathématique utilisé pour résoudre un problème a une signification physique difficile à trouver. La solution mathématique finale a une signification plus facile à trouver, car c’est ce que recherche le solveur.
La physique est une branche de la science fondamentale et non une science pratique. La physique est également appelée « science fondamentale » parce que les sujets d'étude de toutes les branches des sciences naturelles comme la chimie, l'astronomie, la géologie et la biologie sont limités par les lois de la physique, de la même manière que la chimie est souvent appelée la science centrale en raison de son rôle dans reliant les sciences physiques. Par exemple, la chimie étudie les propriétés, les structures et les réactions de la matière (l'accent mis par la chimie sur l'échelle atomique la distingue de la physique). Les structures se forment parce que les particules exercent des forces électriques les unes sur les autres, les propriétés incluent les caractéristiques physiques de substances données et les réactions sont liées par des lois de la physique, comme la conservation de l'énergie, de la masse et de la charge.
La physique est appliquée dans des secteurs comme l’ingénierie et la médecine.
Application et influence
La physique appliquée est un terme général désignant la recherche en physique destinée à un usage particulier. Un programme de physique appliquée contient généralement quelques cours dans une discipline appliquée, comme la géologie ou le génie électrique. Cela diffère généralement de l'ingénierie dans la mesure où un physicien appliqué ne conçoit pas quelque chose en particulier, mais utilise plutôt la physique ou mène des recherches en physique dans le but de développer de nouvelles technologies ou de résoudre un problème.
L'approche est similaire à celle des mathématiques appliquées. Les physiciens appliqués utilisent la physique dans la recherche scientifique. Par exemple, les personnes travaillant sur la physique des accélérateurs pourraient chercher à construire de meilleurs détecteurs de particules pour la recherche en physique théorique.
La physique est largement utilisée en ingénierie. Par exemple, la statique, un sous-domaine de la mécanique, est utilisée dans la construction de ponts et autres structures statiques. La compréhension et l'utilisation de l'acoustique aboutissent à un contrôle du son et à de meilleures salles de concert ; de même, l'utilisation de l'optique crée de meilleurs dispositifs optiques. Une compréhension de la physique permet de créer des simulateurs de vol, des jeux vidéo et des films plus réalistes, et est souvent essentielle dans les enquêtes médico-légales.
Avec le consensus standard selon lequel les lois de la physique sont universelles et ne changent pas avec le temps, la physique peut être utilisée pour étudier des choses qui seraient normalement embourbées dans l’incertitude. Par exemple, dans l'étude de l'origine de la Terre, on peut raisonnablement modéliser la masse, la température et le taux de rotation de la Terre, en fonction du temps, ce qui permet d'extrapoler vers l'avant ou vers l'arrière dans le temps et ainsi de prédire des événements futurs ou antérieurs. Il permet également des simulations en ingénierie qui accélèrent considérablement le développement d’une nouvelle technologie.
Mais il existe également une interdisciplinarité considérable dans les méthodes des physiciens, de sorte que de nombreux autres domaines importants sont influencés par la physique (par exemple les domaines de l'éconophysique et de la sociophysique).
Recherche
Méthode scientifique
Les physiciens utilisent la méthode scientifique pour tester la validité d'une théorie physique. En utilisant une approche méthodique pour comparer les implications d’une théorie avec les conclusions tirées des expériences et observations associées, les physiciens sont mieux à même de tester la validité d’une théorie de manière logique, impartiale et reproductible. À cette fin, des expériences sont réalisées et des observations sont faites afin de déterminer la validité ou l’invalidité de la théorie.
Une loi scientifique est un énoncé verbal ou mathématique concis d'une relation qui exprime un principe fondamental d'une théorie, telle que la loi de la gravitation universelle de Newton.
Théorie et expérience
Les théoriciens cherchent à développer des modèles mathématiques qui à la fois concordent avec les expériences existantes et prédisent avec succès les résultats expérimentaux futurs, tandis que les expérimentateurs conçoivent et réalisent des expériences pour tester les prédictions théoriques et explorer de nouveaux phénomènes. Bien que la théorie et l’expérience soient développées séparément, elles dépendent fortement l’une de l’autre. Les progrès en physique surviennent souvent lorsque les expérimentateurs font une découverte que les théories existantes ne peuvent expliquer, ou lorsque de nouvelles théories génèrent des prédictions vérifiables expérimentalement, qui inspirent de nouvelles expériences.
Les physiciens qui travaillent à l'interaction de la théorie et de l'expérience sont appelés phénoménologues, qui étudient les phénomènes complexes observés lors de l'expérience et s'efforcent de les relier à une théorie fondamentale.
La physique théorique s'est historiquement inspirée de la philosophie ; l'électromagnétisme a été unifié de cette façon. Au-delà de l’univers connu, le domaine de la physique théorique traite également de questions hypothétiques, telles que les univers parallèles, un multivers et des dimensions supérieures. Les théoriciens invoquent ces idées dans l’espoir de résoudre des problèmes particuliers avec les théories existantes. Ils explorent ensuite les conséquences de ces idées et travaillent à l’élaboration de prédictions testables.
La physique expérimentale se développe et est élargie par l'ingénierie et la technologie. Les physiciens expérimentaux impliqués dans la recherche fondamentale conçoivent et réalisent des expériences avec des équipements tels que des accélérateurs de particules et des lasers, tandis que ceux impliqués dans la recherche appliquée travaillent souvent dans l'industrie développant des technologies telles que l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et les transistors. Feynman a noté que les expérimentateurs peuvent rechercher des domaines qui ne sont pas bien explorés par les théoriciens.
Portée et objectifs
La physique couvre un large éventail de phénomènes, depuis les particules élémentaires (telles que les quarks, les neutrinos et les électrons) jusqu'aux plus grands superamas de galaxies. Ces phénomènes comprennent les objets les plus élémentaires qui composent toutes les autres choses. C’est pourquoi la physique est parfois appelée la « science fondamentale ». La physique vise à décrire les différents phénomènes qui se produisent dans la nature en termes de phénomènes plus simples. Ainsi, la physique vise à la fois à relier les choses observables par les humains aux causes profondes, puis à relier ces causes entre elles.
Par exemple, les anciens Chinois observaient que certaines roches (magnétite et magnétite) étaient attirées les unes vers les autres par une force invisible. Cet effet fut plus tard appelé magnétisme, qui fut étudié pour la première fois rigoureusement au XVIIe siècle. Mais avant même que les Chinois ne découvrent le magnétisme, les Grecs de l’Antiquité connaissaient d’autres objets, comme l’ambre, qui, lorsqu’ils étaient frottés avec de la fourrure, provoquaient une attraction invisible similaire entre les deux. Ce phénomène a également été étudié rigoureusement pour la première fois au XVIIe siècle et a fini par être appelé électricité. Ainsi, la physique en est venue à comprendre deux observations de la nature en termes de causes profondes (électricité et magnétisme). Cependant, d’autres travaux menés au XIXe siècle ont révélé que ces deux forces n’étaient que deux aspects différents d’une seule force : l’électromagnétisme. Ce processus d'« unification » des forces se poursuit aujourd'hui, et l'électromagnétisme et la force nucléaire faible sont désormais considérés comme deux aspects de l'interaction électrofaible. La physique espère trouver une raison ultime (la théorie du tout) expliquant pourquoi la nature est telle qu'elle est (voir la section Recherches en cours ci-dessous pour plus d'informations).
Domaines de recherche
La recherche contemporaine en physique peut être largement divisée en physique des particules ; la physique de la matière condensée; physique atomique, moléculaire et optique ; astrophysique; et physique appliquée. Certains départements de physique soutiennent également la recherche sur l'enseignement de la physique et la sensibilisation à la physique.
Depuis le XXe siècle, les différents domaines de la physique sont devenus de plus en plus spécialisés et aujourd'hui, la plupart des physiciens travaillent dans un seul domaine tout au long de leur carrière. Les « universalistes » comme Albert Einstein (1879-1955) et Lev Landau (1908-1968), qui ont travaillé dans de multiples domaines de la physique, sont désormais très rares.
Les principaux domaines de la physique, ainsi que leurs sous-domaines et les théories et concepts qu'ils emploient, sont présentés dans le tableau suivant.
La physique des particules
La physique des particules est l'étude des constituants élémentaires de la matière et de l'énergie et des interactions entre eux. De plus, les physiciens des particules conçoivent et développent les accélérateurs, les détecteurs et les programmes informatiques à haute énergie nécessaires à cette recherche. Ce domaine est également appelé « physique des hautes énergies » car de nombreuses particules élémentaires n'apparaissent pas naturellement mais sont créées uniquement lors de collisions à haute énergie entre d'autres particules.
Actuellement, les interactions des particules élémentaires et des champs sont décrites par le modèle standard. Le modèle prend en compte les 12 particules de matière connues (quarks et leptons) qui interagissent via les forces fondamentales fortes, faibles et électromagnétiques. La dynamique est décrite en termes de particules de matière échangeant des bosons de jauge (gluons, bosons W et Z et photons, respectivement). Le modèle standard prédit également une particule connue sous le nom de boson de Higgs. En juillet 2012, le CERN, le laboratoire européen de physique des particules, a annoncé la détection d'une particule cohérente avec le boson de Higgs, partie intégrante du mécanisme de Higgs.
La physique nucléaire est le domaine de la physique qui étudie les constituants et les interactions des noyaux atomiques. Les applications les plus connues de la physique nucléaire sont la production d'énergie nucléaire et la technologie des armes nucléaires, mais la recherche a fourni des applications dans de nombreux domaines, notamment ceux de la médecine nucléaire et de l'imagerie par résonance magnétique, de l'implantation ionique dans l'ingénierie des matériaux et de la datation au radiocarbone en géologie et en archéologie. .
Physique atomique, moléculaire et optique
La physique atomique, moléculaire et optique (AMO) est l'étude des interactions matière-matière et lumière-matière à l'échelle des atomes et des molécules uniques. Les trois domaines sont regroupés en raison de leurs interrelations, de la similitude des méthodes utilisées et de la communauté de leurs échelles énergétiques pertinentes. Les trois domaines comprennent à la fois des traitements classiques, semi-classiques et quantiques ; ils peuvent traiter leur sujet d'un point de vue microscopique (contrairement à une vue macroscopique).
La physique atomique étudie les couches électroniques des atomes. Les recherches actuelles se concentrent sur les activités liées au contrôle quantique, au refroidissement et au piégeage des atomes et des ions, à la dynamique des collisions à basse température et aux effets de la corrélation électronique sur la structure et la dynamique. La physique atomique est influencée par le noyau (voir, par exemple, la division hyperfine), mais les phénomènes intra-nucléaires tels que la fission et la fusion sont considérés comme faisant partie de la physique des hautes énergies.
La physique moléculaire se concentre sur les structures multiatomiques et leurs interactions internes et externes avec la matière et la lumière. La physique optique se distingue de l'optique dans la mesure où elle tend à se concentrer non pas sur le contrôle des champs lumineux classiques par des objets macroscopiques, mais sur les propriétés fondamentales des champs optiques et leurs interactions avec la matière dans le domaine microscopique.
La physique de la matière condensée
La physique de la matière condensée est le domaine de la physique qui traite des propriétés physiques macroscopiques de la matière. Elle s'intéresse en particulier aux phases « condensées » qui apparaissent lorsque le nombre de particules dans un système est extrêmement important et que les interactions entre elles sont fortes.
Les exemples les plus connus de phases condensées sont les solides et les liquides, qui résultent de la liaison exercée par la force électromagnétique entre les atomes. Les phases condensées plus exotiques incluent le superfluide et le condensat de Bose-Einstein trouvés dans certains systèmes atomiques à très basse température, la phase supraconductrice présentée par les électrons de conduction dans certains matériaux et les phases ferromagnétiques et antiferromagnétiques des spins sur les réseaux atomiques.
La physique de la matière condensée constitue le domaine le plus vaste de la physique contemporaine. Historiquement, la physique de la matière condensée est issue de la physique du solide, qui est aujourd’hui considérée comme l’un de ses principaux sous-domaines. Le terme physique de la matière condensée a apparemment été inventé par Philip Anderson lorsqu'il a renommé son groupe de recherche – anciennement théorie du solide – en 1967. En 1978, la Division de physique du solide de l'American Physical Society a été rebaptisée Division de physique de la matière condensée. . La physique de la matière condensée recoupe largement la chimie, la science des matériaux, la nanotechnologie et l’ingénierie.
Astrophysique
L'astrophysique et l'astronomie sont l'application des théories et des méthodes de la physique à l'étude de la structure stellaire, de l'évolution stellaire, de l'origine du système solaire et des problèmes de cosmologie associés. L'astrophysique étant un vaste sujet, les astrophysiciens appliquent généralement de nombreuses disciplines de la physique, notamment la mécanique, l'électromagnétisme, la mécanique statistique, la thermodynamique, la mécanique quantique, la relativité, la physique nucléaire et des particules, ainsi que la physique atomique et moléculaire.
La découverte par Karl Jansky en 1931 que les signaux radio étaient émis par les corps célestes a lancé la science de la radioastronomie. Plus récemment, les frontières de l’astronomie ont été repoussées par l’exploration spatiale. Les perturbations et les interférences de l'atmosphère terrestre rendent les observations spatiales nécessaires pour l'astronomie infrarouge, ultraviolette, gamma et X.
La cosmologie physique est l'étude de la formation et de l'évolution de l'univers à ses plus grandes échelles. La théorie de la relativité d'Albert Einstein joue un rôle central dans toutes les théories cosmologiques modernes. Au début du XXe siècle, la découverte par Hubble de l'expansion de l'univers, comme le montre le diagramme de Hubble, a donné lieu à des explications rivales connues sous le nom d'univers stationnaire et de Big Bang.
Le Big Bang a été confirmé par le succès de la nucléosynthèse du Big Bang et la découverte du fond diffus cosmologique en 1964. Le modèle du Big Bang repose sur deux piliers théoriques : la relativité générale d'Albert Einstein et le principe cosmologique. Les cosmologistes ont récemment établi le modèle ΛCDM de l’évolution de l’univers, qui inclut l’inflation cosmique, l’énergie noire et la matière noire.
De nombreuses possibilités et découvertes devraient émerger des nouvelles données du télescope spatial Fermi à rayons gamma au cours de la prochaine décennie et réviser ou clarifier considérablement les modèles existants de l'univers. En particulier, le potentiel d’une formidable découverte concernant la matière noire est possible au cours des prochaines années. Fermi recherchera des preuves que la matière noire est composée de particules massives en interaction faible, complétant des expériences similaires avec le Grand collisionneur de hadrons et d'autres détecteurs souterrains.
IBEX donne déjà lieu à de nouvelles découvertes astrophysiques : « Personne ne sait ce qui crée le ruban ENA (atomes neutres énergétiques) » le long du choc final du vent solaire, « mais tout le monde s'accorde à dire qu'il s'agit de l'image classique de l'héliosphère – dans laquelle le La poche enveloppante du système solaire remplie de particules chargées du vent solaire traverse le « vent galactique » impétueux du milieu interstellaire sous la forme d’une comète – c’est faux. »
Les recherches en cours
La recherche en physique progresse continuellement sur de nombreux fronts.
En physique de la matière condensée, un problème théorique important non résolu est celui de la supraconductivité à haute température. De nombreuses expériences sur la matière condensée visent à fabriquer des spintroniques et des ordinateurs quantiques fonctionnels.
En physique des particules, les premiers éléments de preuve expérimentale d’une physique au-delà du modèle standard ont commencé à apparaître. Au premier rang de ces éléments figurent les indications selon lesquelles les neutrinos ont une masse non nulle. Ces résultats expérimentaux semblent avoir résolu le problème de longue date des neutrinos solaires, et la physique des neutrinos massifs reste un domaine de recherche théorique et expérimentale active. Les accélérateurs de particules ont commencé à sonder des échelles d'énergie de l'ordre du TeV, dans lesquelles les expérimentateurs espèrent trouver des preuves de l'existence de