Laphysique est unescience qui étudie,modélise et formalise lesphénomènes naturels de l'Univers. Elle correspond à l'étude du monde qui nous entoure sous toutes ses formes, des lois de ses variations et de leur évolution.
La physique développe desreprésentations du mondeexpérimentalement vérifiables dans un domaine de définition donné. Elle produit plusieurs lectures du monde, chacune n'étant considérée comme précise que jusqu'à un certain point. La modélisation dessystèmes physiques peut inclure ou non les processuschimiques etbiologiques.
laphysique quantique (monde microscopique des particules et des champs) s'applique, par exemple, à la technologie utilisée pour la production des composants électroniques (ladiode à effet tunnel par exemple) ou auxlasers. 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 physique quantique n'a jamais été prise en défaut ;
larelativité générale (monde macroscopiquedes planètes, des trous noirs et de la gravité) s'applique, par exemple, à la mise au point et au traitement de l'information nécessaire au fonctionnement des systèmesGPS. 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, ces deux dernières étant contredites par laphysique quantique. La relativité générale n'a jamais été prise en défaut[a].
Laphysique classique, fondée sur des théories antérieures à la relativité et auxquanta, reste correcte quand :
la discontinuité des niveaux d'énergie ne se manifeste pas de façon quantitativement significative ;
Elle doit être remplacée par laphysique quantique quand la première condition n'est pas remplie (par laphysique quantique relativiste quand la deuxième ne l'est pas non plus). Elle doit être remplacée par larelativité restreinte quand seule la deuxième condition n'est pas remplie, et par larelativité générale quand la troisième ne l'est pas. Il n'existe actuellement aucune théorie physique aboutie s'appliquant aux situations où la première et la troisième conditions ne sont pas remplies (gravité quantique), mais de telles situations ne se produisent pas dans la pratique et sont même actuellement hors de portée de l'expérimentation.
Laphysique classique est en continuité avec larelativité restreinte (elle en est un cas particulier pour les vitesses faibles devant la vitesse de la lumière), avec la relativité générale (elle en est un cas particulier pour les champs gravitationnels suffisamment peu intenses) et avec la physique quantique (elle en est un cas particulier quand la discontinuité des niveaux d'énergie peut être négligée), mais on sait que la relativité générale et la physique quantique sont contradictoires. Leur remplacement par une théorie cohérente est aujourd'hui le principal problème de laphysique théorique, par souci de cohérence logique et parce que la première et la troisième conditions ne sont pas remplies dans l'Univers primordial (Big Bang) ni à proximité d'untrou noir.
La physique est née avec les expériences répétées deGalilée qui n'accepte, au-delà des principes et des conventions issus des schémas mathématiques, que des résultatsmesurables etreproductibles par l'expérience. La méthode choisie permet de confirmer ou d'infirmer leshypothèses fondées sur unethéorie donnée. Elle décrit de façon quantitative et modélise les êtres fondamentaux présents dans l'Univers, cherche à décrire le mouvement par lesforces qui s'y exercent et leurs effets. Elle développe des théories en utilisant l'outil desmathématiques pour décrire et prévoir l'évolution de systèmes.
Le termephysique vient dugrecφυσική /physikế adopté dans lemonde gréco-romain, signifiant « connaissance de la nature ». Enlatin, laphysika ouphysica gréco-romaine est étymologiquement ce qui se rapporte à la nature ou précisément le savoir harmonieux et cyclique sur lanature dénomméeφύσις /phusis. Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature qui se perpétue en restant essentiellement la même avec le retour des saisons ou des générations vivantes. L'ouvragePhysica d'Aristote (384-322av. J.-C.)[1] reprend cette terminologie.
lamédecine se nommefusique. Son praticien, un médecin ou autrefois unapothicaire, est dénomméfisicien dès 1155. En anglais, le terme subsiste avec la graphiephysician.
lafisique 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 signification ancienne de cette physique ne convient plus aux actuellessciences dites « exactes » que sont la physique, la chimie et la biologie, cette dernière étant la plus tardive héritière directe des sciences naturelles[b].
Le mot physique prend sonsens moderne, plus restreint que le sens originel, au début duXVIIe siècle avecGalilée. Selon lui, les lois de la nature s'écrivent en langagemathématique. Il découvre plusieurs lois, comme l'inertie et la relativité des vitesses qui contredisent le sens commun.
L'élève de Galilée,Evangelista Torricelli, montre que la science ne se contente pas de calculer des trajectoires balistiques, mais elle peut aussi expliquer des phénomènes singuliers qu'on lui soumet et mettre au point des techniques. Les fontainiers deFlorence ne parvenaient pas à hisser par une seule puissante pompe aspirante l'eau de l'Arno à des hauteurs dépassant trente-deux pieds, soit une dizaine de mètres. Torricelli, consulté par ses maîtres artisans dépités, constate avec eux le fait troublant, mais en procédant parexpérience, il découvre le vide et détermine les capacités maximales d'élévation d'une batterie de pompes.
À l'université de Paris, l'aristotélisme fournit un classement des natures et causes des phénomènes observés, et ordonne la Nature de manière rigoureuse dans les cours de philosophie naturelle jusque dans les années 1690, à partir desquelles il est progressivement remplacé par uncartésianisme sophistiqué, notamment grâce à l'ouverture ducollège des Quatre-Nations et les cours d'Edme Pourchot.
Les pionniers de la modélisation scientifique parmi lesquels le FrançaisDescartes et plusieurs expérimentateurs desPays-Bas ou d'Angleterre contribuent à diffuser les bases de la physique mathématisée qui atteint son apogée en Angleterre avecIsaac Newton.
Dans la première édition duDictionnaire de l'Académie française, datant de 1694, le nom « physique » est désigné comme la « science qui a pour objet la connaissance des choses naturelles, ex :La physique fait partie de la philosophie;la physique est nécessaire à un médecin ». L'adjectif « physique » est défini, en outre, comme signifiant « naturel, ex :l'impossibilité physique s'oppose à l'impossibilité morale ». 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.»
Le Littré donne des définitions apparemment précises. En tant qu'adjectif, il définit les phénomènes physiques comme « ceux qui ont lieu entre les corps visibles, à des distances appréciables, et qui n'en changent pas les caractères » et les propriétés physiques, comme « qualités naturelles des corps qui sont perceptibles aux sens, telles que l'état solide ou gazeux, la forme, la couleur, l'odeur, la saveur, la densité, etc. ». Les sciences physiques sont définies comme « celles qui étudient les caractères naturels des corps, les forces qui agissent sur eux et les phénomènes qui en résultent ». En tant que nom, la physique est définie comme « science du mouvement et des actions réciproques des corps, en tant que ces actions ne sont pas de composition et de décomposition, ce qui est le propre de la chimie ».
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 est supposée juste, dans un certain domaine de validité ou d'applicabilité. Par exemple, lathéorie de lamécanique classique décrit fidèlement le mouvement d'un objet, pourvu que
ses dimensions soient bien plus grandes que celles d'unatome ;
Les théories anciennes, comme la mécanique newtonienne, ont évolué engendrant des sujets de recherche originaux, notamment dans l'étude des phénomènescomplexes (exemple : lathéorie du chaos). Leurs principes fondamentaux constituent la base de toute recherche en physique et tout étudiant en physique, quelle que soit sa spécialité, acquiert les bases de chacune d'entre elles.
Lesphysiciens observent, mesurent etmodélisent le comportement et les interactions de lamatière à travers l'espace et letemps de façon à faire émerger des lois générales quantitatives. Le temps — défini par la durée, l'intervalle et la construction corrélative d'échelles — et l'espace — ensemble des lieux où s'opère le mouvement et où l'être ou l'amas matériel, c'est-à-dire la particule, la molécule ou le grain, le corps de matière… ou encore l'opérateur se positionnent à un instant donné — sont des faits réels constatés, transformés en entitésmathématiques abstraites et physiques mesurables pour être intégrées logiquement dans le schéma scientifique. Ce n'est qu'à partir de ces constructions qu'il est possible d'élaborer des notions secondaires à valeurs explicatives. Ainsi l'énergie, une description d'états abstraite, un champ de force ou une dimension fractale peuvent caractériser des « phénomènes physiques » variés. La métrologie est ainsi une branche intermédiaire capitale de la physique.
Unethéorie ou unmodèle — appelé « schéma » une fois patiemment étayé par de solides expériences et vérifié jusqu'en ses ultimes conséquences logiques[réf. souhaitée] — 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 ett) et mesurés avec des unités appropriées (coulomb,joule etseconde). 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.
Uneexpérience 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 pas des choses au hasard ; il faut qu'il ait à l'esprit l'universconceptuel 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'envisageait pas une telle quantification. Cette expérience a dû attendreGalilée pour être faite. Un autre exemple d'expérience dictée nettement par un cadre conceptuel théorique est la découverte desquarks dans le cadre de laphysique des particules. Le physicien des particulesGell-Mann a remarqué que les particules soumises à laforce forte se répartissaient suivant une structure mathématique élégante, mais que trois positions fondamentales (au sens mathématique de lathéorie des représentations) de cette structure n'étaient pas réalisées. Il postula donc l'existence de particules plus fondamentales (au sens physique) que lesprotons et lesneutrons. Des expériences permirent par la suite, en suivant cette théorie, de mettre en évidence leur existence.
Inversement, des expériences fines ou nouvelles ne coïncident pas ou se heurtent avec la théorie. Elles peuvent :
soit remettre en cause la théorie — comme ce fut le cas du problème ducorps noir et des représentations de la lumière qui provoquent l'avènement de lamécanique quantique et des relativités restreinte et générale, de façon analogue à l'ébranlement des fondements duvitalisme en chimie ou de l'effondrement de lagénération spontanée en biologie ;
soit ne pas s'intégrer dans les théories acceptées. L'exemple de la découverte deNeptune est éclairant à ce titre. Les astronomes pouvaient mesurer la trajectoire d'Uranus mais la théorie d'Isaac 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. L'astronome allemand Johann Gottfried Galle vérifia en que les calculs de Le Verrier et Adams étaient bons en observant Neptune à l'endroit prédit. Il est clair 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 est l'existence duneutrino, supposée parWolfgang Pauli pour expliquer le spectre continu de ladésintégration β, ainsi que l'apparente non-conservation dumoment cinétique ;
soit enfin, faire naître la théorie de manière purement fortuite (sérendipité) : ainsi le physicienHenri Becquerel découvre la radioactivité en 1895 en stockant par hasard des sels d'uranium près d'une plaque photographique vierge.
Lasimulation informatique occupe une place très importante dans la recherche en physique et ce depuis les débuts de l'informatique. Elle permet en effet la résolutionapprochée de problèmes mathématiques qui ne peuvent pas être traités analytiquement. Beaucoup de théoriciens sont aussi des numériciens.
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 théorienewtonienne de la gravitation est valide dans des conditions où lesvitesses sont petites et que lesmasses mises en jeu sont faibles, mais lorsque les vitesses approchent lavitesse de la lumière ou que les masses (ou de façon équivalente enrelativité, les énergies) deviennent importantes, elle doit céder la place à larelativité générale. Par ailleurs, celle-ci est incompatible avec lamécanique quantique lorsque l'échelle d'étude estmicroscopique et dans des conditions d'énergie très grande (par exemple au moment duBig Bang ou au voisinage d'unesingularité à l'intérieur d'untrou noir).
La physique théorique trouve donc ses limites dans la mesure où son renouveau permanent vient de l'impossibilité d'atteindre un état de connaissance parfait et sans faille duréel. De nombreux philosophes, dontEmmanuel Kant, ont mis en garde contre toute croyance qui viserait à penser que la connaissance humaine des phénomènes peut coïncider avec le réel, s'il existe. La physique ne décrit pas le monde, ses conclusions ne portent pas sur le monde lui-même, mais sur le modèle qu'on déduit des quelques paramètres étudiés. Elle est une science exacte en ce que la base des hypothèses et des paramètres considérés conduisent de façon exacte aux conclusions tirées.
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 lescauses premières deslois physiques, mais seulement d'en expliquer lecomment dans une approchepositiviste.Albert Einstein dit ainsi du travail du physicien que faire de la physique, c'est comme émettre des théories sur le fonctionnement d'une montre sans jamais pouvoir l'ouvrir[5].[d].
Recherche de la simplification et l'unification des théories
Du point de vue expérimental, la simplification est un principe de pragmatisme. La mise au point d'uneexpérience requiert la maîtrise d'un grand nombre de paramètres physiques afin de créer des conditions expérimentales précises etreproductibles. La plupart des situations dans la nature se présentent spontanément comme confuses et irrégulières. Ainsi l'arc-en-ciel (qui cause un fort étonnement chez le profane) ne peut s'expliquer que par la compréhension de nombreux phénomènes appartenant à des domaines disjoints du corpus physique. Les concepts de la physique sont longs à acquérir, même pour les physiciens. Une préparation du dispositif expérimental permet donc la manifestation d'unphénomène aussi simple et reproductible que possible. Cetteexigence expérimentale donne parfois un aspect artificiel à la physique, ce qui peut nuire à son enseignement auprès du jeune public. Paradoxalement, rien ne semble aussi éloigné du cours de la nature qu'une expérience de physique, et pourtant seule la simplification est recherchée.
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 dePtolémée, fondée 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. Lemodèle standard décrivant les particules élémentaires comporte également une trentaine de paramètres arbitraires, et pourtant a été vérifié expérimentalement très précisément. À son tour, les physiciens s'accordent à penser que cette théorie sera sublimée et intégrée un jour dans une théorie plus simple et plus élégante, de la même manière que lesystème ptoléméen a disparu au profit des théoriesképlérienne,newtonienne puisrelativiste.
Les sciences physiques sont en relation avec d'autres sciences, en particulier lachimie, science desmolécules et des composés chimiques. Ils partagent de nombreux domaines, tels que lamécanique quantique, lathermochimie et l'électromagnétisme. L'étude des bases physiques des systèmes chimiques, domaineinterdisciplinaire, est lachimie physique. Toutefois, les phénomènes chimiques sont suffisamment vastes et variés pour que la chimie reste considérée comme une discipline à part entière.
Le monde de la physique a longtemps été dominé par des hommes et, au début duXXIe siècle, malgré quelques incitations et messages montrant que les filles ont autant leur place que les garçons dans ce domaine[9], la désaffection des filles pour les études de physique semble persister dans de nombreux pays[10].En outre, selon une étude récente aux États-Unis, la plupart des étudiantes en physique subissent diverses formes de harcèlement sexuel (allant de blagues déplacées aux sollicitations sexuelles). Près de 75 % des diplômées en physique disent en avoir été victimes au travail ou en étudiant sur le terrain. Une enquête menée auprès d'étudiantes participant à une série de conférences américaines pour les femmes étudiant la physique (en premier cycle) a révélé que, sur 455 répondantes, 338 disent avoir subi une forme de harcèlement sexuel.[réf. nécessaire]
En France, les filles sont nombreuses (70 %) à s'engager vers laClasse préparatoire biologie, chimie, physique et sciences de la Terre (BCPST) en restant minoritaires dans les autres préparations scientifiques (Pons, 2007). Leur attrait pour le « bio-véto » reste bien plus marqué que pour la physique[11], probablement en raison d'une transmission sociale des stéréotypes de genre[12]. En 1989, Archer et Freedman ont montré que du point de vue scolaire, pour les parents et enseignants, les matières telles que la mécanique, la physique, la chimie et les mathématiques étaient encore considérées comme « masculines », pendant que l'anglais, la biologie, la psychologie, le français et la sociologie étaient jugées être des matières « féminines »[13].
En 2022, les biographies de soixante-quinze physiciennes françaises, dont un grand nombre ont reçu les distinctions duCNRS et d'autres institutions prestigieuses, montrent l'étendue de leurs champs de recherche. Ces biographies sont consultables dans Wikipédia.
Lavulgarisation en physique cherche à faire comprendre les principes et objets physiques sans utiliser de termes ou concepts non expliqué préalablement. De nombreuses équipes participent régulièrement à des rencontres entre le grand public et les chercheurs, où différents sujets et résultats scientifiques sont expliqués. Elle est devenue en Europe un enjeu sociopolitique important au moment de la révolution française et plus encore avec la révolution industrielle[15]. Les chercheurs en physiques ont aussi une mission de vulgarisation, par exemple ceux du CNRS en France[16], mais l'essentiel de la vulgarisation se fait progressivement à travers l'école et l'enseignement[17] pour l'acquisition des savoirs de base (qui ont beaucoup évolué depuis deux siècles[18]) puis à travers les médias tout au long de la vie.
Certains musées se sont spécialisés dans le domaine de la physique, avec par exemple en France lePalais de la découverte[20]
Dans la sphère de l'éducation universitaire,Richard Feynman a permis par ses ouvrages de construireex nihilo une expérience empirique de la physique moderne.
↑En français, l'expression « sciences naturelles » a une signification plus restreinte qu'en anglais ou en allemand, langues dans lesquelles elle a gardé son sens plus général englobant la physique actuelle et la chimie.
↑AinsiGeorges Cuvier, dans sonRapport historique sur les progrès des sciences naturelles depuis 1789 utilise les deux expressions sans distinction, il décrit les sciences physiques/naturelles ainsi : « placées entre les sciences mathématiques et les sciences morales, elles commencent où les phénomènes ne sont plus susceptibles d'être mesurés avec précision, ni les résultats d'être calculés avec exactitude ; elles finissent, lorsqu'il n'y a plus à considérer que les opérations de l'esprit et leur influence sur la volonté. »
↑Françoise Balibar a publié de nombreux ouvrages concernant Albert Einstein, la théorie de la relativité, l'histoire et l'épistémologie des sciences physiques. Elle a dirigé l'équipe duCNRS chargée des six volumes de l'édition en français desŒuvres choisies d'Einstein.
↑Jacqueline Bloch s'intéresse au couplage ultime entre lumière et matière en lien étroit avec les nanotechnologies des semi-conducteurs. Elle a notamment fait des découvertes importantes dans l'étude de la physique des polaritons.
« Dans l'effort que nous faisons pour comprendre le monde, nous ressemblons quelque peu à l'homme qui essaie de comprendre le mécanisme d'une montre fermée. Il voit le cadran et les aiguilles en mouvement, il entend le tic-tac, mais il n'a aucun moyen d'ouvrir le boîtier. S'il est ingénieux il pourra se former quelque image du mécanisme, qu'il rendra responsable de tout ce qu'il observe, mais il ne sera jamais sûr que son image soit la seule capable d'expliquer ses observations. Il ne sera jamais en état de comparer son image avec le mécanisme réel (…)A. Einstein etL. Infeld »
— L'évolution des idées en physique (trad. fr), Payot,,p. 34-35
↑F. Robine, « Pourquoi les filles sont l'avenir de la science… »,Bulletin de l'Union des professeurs de physique et de chimie,no 100,,p. 421-436(lire en ligne[PDF]).
↑C. Fontanini, « Qu'est-ce qui fait courir les filles vers la classe préparatoire scientifique Biologie, Chimie, Physique et Sciences de la Terre (BCPST) ? »,Questions vives, recherches en éducation,université de Provence, Département des Sciences de l'éducation,vol. 8,no 15,(lire en ligne).
↑L. Morge et M.-C. Toczek, « L'expression des stéréotypes de sexe dans les situations d'entrée des séquences d'investigation en physique-chimie »,Didaskalia,no 35,(lire en ligne[PDF]).
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HenriVolkringer,Les étapes de la physique, Gauthier Villars,, 216 p.
LaPhysique d'Aristote n'a rien à voir avec la science moderne appelée « physique ». La taxonomie aristotélicienne, d'essence philosophique, a même été le plus farouche adversaire de la science moderne.
