Physique

Physique
La physique est la science qui essaie de comprendre, de
Physique
modéliser, voire d'expliquer les phénomènes naturels de
l'univers. Elle correspond à l'étude du monde qui nous entoure
sous toutes ses formes, des lois de sa variation et de son
évolution.
La physique développe des représentations du monde
expérimentalement vérifiables dans un domaine de définition
donné. Elle produit donc plusieurs lectures du monde,
chacune n'étant considérée comme précise que jusqu'à un
certain point. La modélisation des systèmes physiques peut
inclure ou non les processus chimiques et biologiques.
La physique telle que conceptualisée par Isaac Newton,
Sous-classe de
Sciences physiques (en),
sciences exactes
Pratiqué par
Physicien
Champs
Astrophysique, physique
expérimentale
Histoire
Histoire de la physique
aujourd’hui dénommée physique classique, butait sur
l'explication de phénomènes naturels comme le rayonnement
du corps noir (catastrophe ultraviolette) ou les anomalies de
l’orbite de la planète Mercure, ce qui posait un réel problème
aux physiciens. Les tentatives effectuées pour comprendre et
modéliser les phénomènes nouveaux auxquels on accédait à la
fin du
e
XIX
siècle révisèrent en profondeur le modèle
newtonien pour donner naissance à deux nouveaux ensembles de théories physiques. Certains diront qu'il existe donc trois
ensembles de théories physiques établies, chacune valide dans le domaine d’applications qui lui est propre :
La physique classique (monde des milieux solides, liquides et gazeux), toujours d'actualité, c'est elle qui
s’applique, par exemple, à la construction des routes, des ponts et des avions. Elle utilise les anciennes
notions de temps, d'espace, de matière et d'énergie telles que définies par Newton ;
La physique quantique (monde microscopique des particules et des champs) qui s’applique, par exemple, à la
technologie utilisée pour la production des composants électroniques (la diode à effet tunnel par exemple) ou
encore aux lasers. 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, ces deux dernières étant contredites par la
relativité générale. La physique quantique n'a jamais été prise en défaut à ce jour ;
La relativité générale (monde macroscopique des planètes, des trous noirs et de la gravité) qui s’applique, par
exemple, à la mise au point et au traitement de l'information nécessaire au fonctionnement des systèmes GPS.
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 la physique
quantique. La relativité générale n'a jamais été prise en défaut à ce jour.
D'autres estiment que chaque branche de la physique a son importance à part entière, sans forcément s'inclure dans l'un de ces
ensembles. De plus, il se trouve qu'il n'y a pas de situation physique courante où ces deux dernières théories s'appliquent en même
temps. La relativité s'applique au monde macroscopique et la physique quantique au monde microscopique. Le problème actuel
de la recherche en physique fondamentale est donc de tenter d'unifier ces deux dernières théories (voir Gravité quantique).
Les divisions anciennes en vigueur à la fin du XIXe siècle : mécanique, calorique, acoustique, optique, électricité, magnétisme sont
complétées ou remplacées par :
la taille des éléments de structure au centre de la modélisation : particules élémentaires, noyaux atomiques,
atomes, molécules, macromolécules ou polymères, grains de matière…
les caractères des interactions à l'origine des phases ou états de la matière : plasma, fluide supercritique, gaz,
liquide, solide.
La physique classique est fondée sur des théories antérieures à la relativité et aux quanta. Elle s'applique lorsque :
soit la vitesse est très inférieure à la célérité de la lumière dans le vide ;
soit la discontinuité des niveaux d'énergie est impossible à mettre en évidence.
La physique est née avec les expériences répétées de Galilée qui n'accepte, au-delà des principes et des conventions issus des
schémas mathématiques, que des résultats mesurables et reproductibles par l'expérience. La méthode choisie permet de confirmer
ou d'infirmer les hypothèses fondées sur une théorie donnée. Elle décrit de façon quantitative et modélise les êtres fondamentaux
présents dans l'univers, cherche à décrire le mouvement par 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.
Sommaire
Terminologie
Histoire
Antiquité
Moyen Âge
Renaissance
XIXe siècle
Physique moderne
État actuel
Disciplines
Théories
Méthode
Théorie et expérience
La recherche
Objectif et limites
Recherche d'un corpus fini et évolution permanente
Recherche de la simplification et l'unification des théories
Relations avec d'autres domaines
La physique et les autres sciences
La physique et la technique
Philosophie
Physique et société
Physique et genre
Vulgarisation
Notes et références
Notes
Références
Voir aussi
Bibliographie
Articles connexes
Liens externes
Terminologie
Le terme « physique » vient du grec η φυσικη (ê physikê) adopté dans le monde gréco-romain, signifiant « connaissance de la
nature ». La physika ou physica gréco-romaine est étymologiquement ce qui se rapporte à la nature ou précisément le savoir
harmonieux et cyclique sur la nature dénommée φυσις. 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'ouvrage
1
Physica d'Aristote (384-322) reprend cette terminologie.
Le terme ancien est perpétué par la tradition de la philosophie antique. Selon Platon [réf. nécessaire], la physique est l'une des trois
parties de l'enseignement de la philosophie, aux côtés de l'éthique et de la logique. Selon son élève Aristote, la philosophie se
divise en philosophie théorétique, philosophie pratique et philosophie poétique ; la physique est une des trois parties de la
philosophie théorétique, aux côtés de la mathématique et de la théologie. Aristote écrit un livre sur La Physique. Ce qui échappe à
la triple catégorisation et ne peut être catalogué dans la physique est dévolu à la métaphysique, c'est-à-dire ce qui va au-delà de la
physique.
Au
e
XII
siècle, le mot savant physique est attesté en ancien français sous la double forme fusique dès 1130 ou fisique. Il a un
double sens :
La médecine se nomme fusique. Son praticien, un médecin ou autrefois un apothicaire, est dénommé fisicien
dès 1155. En anglais le terme subsiste avec la graphie savante : a physician.
La fisique 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 ?
À la fin du quattrocento (ou
e
XV
siècle), il apparaît en tant qu'adjectif. Loys Garbin le cite dans son vocabulaire latin-français
publié à Genève en 1487, où il désigne « ce qui se rapporte à la nature » mais le substantif s'affirme comme science des choses
naturelles. L'adjectif reste d'emploi rare avant le
e
XVII
siècle. Le mot physique désigne alors les « connaissances concernant les
causes naturelles » , son étude apporte l'expression « philosophie naturelle » selon un corpus universitaire gardé par Isaac
Newton, auteur des principes mathématiques de philosophie naturelle. C'est le sens de René Descartes et de ses élèves Jacques
2
Rohault et Régis . Elle correspond alors aux sciences naturelles ou encore à la philosophie naturelle.
Des chaires de philosophie naturelle sont établies dans certaines universités, notamment au Royaume-Uni (Oxford, Édimbourg,
etc.). À Paris, on compte par exemple une chaire de philosophie naturelle au collège de Clermont, occupée notamment par
Ignace-Gaston Pardies. Maxwell occupe quelque temps une semblable chaire à Édimbourg où l'enseignement reste un fourre-tout
indigeste.
Au XVIIIe siècle, la physique désigne clairement en français la science expérimentale.
La signification ancienne de cette physique ne convient plus aux actuelles sciences exactes que sont la physique, la chimie et la
biologie, cette dernière étant la plus tardive héritière directe des sciences naturelles
Histoire
Antiquité
Moyen Âge
Renaissance
Note 1
.
Le mot physique prend son sens moderne, plus restreint et mieux défini que le
sens originel, au début du XVIIe siècle avec Galilée. Selon lui, les lois de la nature
s'écrivent en langage mathématique. Les principes d'inertie et de relativité ainsi
que les lois découvertes semblent contredire 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 de Florence 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 par expérience, 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
Portrait de Galileo Galilei par Giusto
Sustermans en 1636.
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 un cartésianisme sophistiqué, notamment grâce à l'ouverture du collège des Quatre-Nations et
les cours d'Edme Pourchot.
Les pionniers de la modélisation scientifique parmi lesquels le Français Descartes et nombre d'hydrauliciens et savants
expérimentateurs des Pays-Bas ou d'Angleterre contribuent à diffuser les bases de cette physique mathématisée qui atteint son
apogée en Angleterre avec Isaac Newton.
Dans la première édition du Dictionnaire 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 ».
La notion actuelle de science en tant qu'« ensemble ou système de connaissances sur une matière » date seulement du XVIIIe siècle.
Avant cette époque, le mot « science » signifiait simplement « la connaissance qu'on a de quelque chose » (science et savoir ont la
même étymologie) et la notion de scientifique n'existait pas. À l'inverse, le terme « philosophie » désigne dans son sens ancien
« l'étude des principes et des causes, ou le système des notions générales sur l'ensemble des choses », les sciences naturelles
étaient donc le résultat de la philosophie naturelle (voir l'exemple du titre de la revue Philosophical Transactions).
L'expression « sciences physiques » désigne actuellement l'ensemble formé par la physique (dans son sens moderne) et la chimie,
cette expression prend son sens actuel en France au début du
e
XIX
siècle, en même temps que le mot « science » prend le sens
d'« ensemble formé par les sciences mathématiques, physiques et naturelles ». Auparavant, l’expression « sciences physiques »
N t 2
était un simple synonyme de l'expression « sciences naturelles »
e
XIX
Note 2
.
siècle
Physique moderne
État actuel
Disciplines
La recherche en physique contemporaine se divise en diverses disciplines qui étudient différents aspects du monde physique.
Disciplines
Principales
théories
Quelques concepts
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 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
statistique et
Physique de la
matière
condensée
Thermodynamique, Physique du
solide, Science des matériaux,
Physique des polymères, Matière
molle, Physique mésoscopique,
Système désordonné, Biophysique
Supraconductivité,
Onde de Bloch,
Condensat
fermionique,
Liquide de Fermi
État de la matière (Solide, Liquide,
Gaz), Plasma, Condensat de
Bose-Einstein, Supercritique,
Superfluide), Conducteur,
Magnétisme, Auto-organisation
Domaine(s)
Astrophysique
et mécanique
Physique
quantique et
Physique
ondulatoire
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 est supposée juste, dans un certain domaine de validité ou
d'applicabilité. Par exemple, la théorie de la mécanique classique décrit fidèlement le mouvement d'un objet, pourvu que
1. ses dimensions soient bien plus grandes que celles d'un atome,
2. sa vitesse soit bien inférieure à la vitesse de la lumière,
3. il ne soit pas trop proche d'une masse importante, et
4. celui-ci soit dépourvu de charge électrique.
Les théories anciennes, comme la mécanique newtonienne, ont évolué engendrant des sujets de recherche originaux notamment
dans l'étude des phénomènes complexes (exemple : la théorie du chaos). Leurs principes fondamentaux 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
Mécanique
newtonienne
Cinématique, Lois du mouvement de
Newton, Mécanique analytique,
Mécanique des fluides, Mécanique du
point, Mécanique du solide,
Transformations 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,
Réversibilité
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
Relativité galiléenne, Relativité
restreinte, Relativité générale
Principe d'équivalence, Quadrivecteur,
Espace-temps, Vitesse de la lumière, Vitesse
relative, Invariance de Lorentz
Mécanique
quantique
Théorie de la
relativité
Concepts
Méthode
Théorie et expérience
Les physiciens observent, mesurent et modélisent le comportement et les
interactions de la matière à travers l'espace et le temps 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 entités
mathématiques 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.
Une théorie ou un modèle — appelé schéma une fois patiemment étayé par de
solides expériences et vérifié jusqu'en ses ultimes conséquences logiques est un
ensemble conceptuel formalisé mathématiquement, dans lequel des paramètres
physiques qu'on suppose indépendants (charge, énergie et temps, par exemple)
Sections transversales des
premières orbitales de l'atome
d'hydrogène, le code de couleurs
représentant l'amplitude de
probabilité de l'électron (noire :
amplitude zéro, blanc : amplitude
maximale).
sont exprimés sous forme de variables (q, E et t) et mesurés avec des unités
appropriées (coulomb, joule et seconde). 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.
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'envisageait pas 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 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 coïncident pas ou se heurtent avec la théorie. Elles peuvent :
soit remettre en cause la théorie — comme ce fut le cas du problème du corps noir et des représentations de
la lumière qui provoquent l'avènement de la mécanique quantique et des relativités restreinte et générale, de
façon analogue à l'ébranlement des fondements du vitalisme en chimie ou de l'effondrement de la génération
spontanée en biologie.
ou bien ne pas s'intégrer dans les théories acceptées. L'exemple de la découverte de Neptune est éclairant à
ce titre. Les astronomes pouvaient mesurer la trajectoire d'Uranus mais 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.
L'astronome allemand Johann Gottfried Galle vérifia en septembre 1846 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 du neutrino, supposée par Pauli pour expliquer le spectre continu
de la désintégration bêta, ainsi que l'apparente non-conservation du moment cinétique.
enfin elle peut faire naître la théorie de manière purement fortuite (sérendipité) : ainsi le physicien Henri
Becquerel découvre la radioactivité en 1895 en stockant par hasard des sel d'uranium près d'une plaque
photographique vierge.
La recherche
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 XXe 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.
Objectif et limites
Recherche d'un corpus fini et évolution permanente
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 mises en jeu sont faibles, mais lorsque les vitesses approchent la vitesse de la lumière ou que les masses (ou de façon
équivalente en relativité, les énergies) 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 au voisinage d'une singularité à l'intérieur d'un trou 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 du réel. De nombreux philosophes, dont Emmanuel 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 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
Albert Einstein en 1947
comme émettre des théories sur le fonctionnement d'une montre sans jamais
3
pouvoir l'ouvrir .
Recherche de la simplification et l'unification des théories
La physique possède une dimension esthétique
4, 5
. En effet, les théoriciens recherchent presque systématiquement à simplifier,
unifier et 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 les mondes 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 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, est un vecteur de beauté [réf. nécessaire] des équations et de motivation des physiciens
et, depuis le XXe siècle, le moteur principal des développements en physique théorique [réf. nécessaire].
Du point de vue expérimental, la simplification est un principe de pragmatisme. La mise au point d'une expérience requiert la
maîtrise d'un grand nombre de paramètres physiques afin de créer des conditions expérimentales précises et reproductibles. 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'un phénomène aussi simple et reproductible que possible.
Cette exigence expérimentale donne parfois un aspect artificiel à la physique, ce qui peut nuire, malheureusement, 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 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 [réf. nécessaire].
Pourtant les physiciens s'accorde à penser que cette théorie sera sublimée et intégrée un jour dans une théorie plus simple et plus
élégante, de la même manière que le système ptoléméen a disparu au profit de la théorie képlérienne, puis newtonienne.
Relations avec d'autres domaines
La physique et les autres sciences
La physique moderne est écrite en termes mathématiques, elle a depuis sa
naissance eu des relations de couple intense avec les sciences mathématiques.
Jusqu'au
e
XX
siècle, les mathématiciens étaient d'ailleurs la plupart du temps
physiciens et souvent philosophes naturalistes après la refondation kantienne. De
ce fait la physique a très souvent été la source de développements profonds en
mathématiques.
Par
exemple,
le
calcul infinitésimal
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 en relation avec d'autres sciences, en particulier la
chimie, science des molécules et des composés chimiques. Ils partagent de
nombreux domaines, tels que la mécanique quantique, la thermochimie et
l'électromagnétisme. L'étude des bases physiques des systèmes chimique,
Isaac Newton
domaine interdisciplinaire est appelé la chimie physique. Toutefois, les
phénomènes chimiques sont suffisamment vastes et variés pour que la chimie
reste considérée comme une discipline à part entière.
De nombreux autres domaines interdisciplinaires existent en physique. L'astrophysique est à la frontière avec l'astronomie, la
biophysique est à l'interface avec la biologie. La physique statistique, les microtechnologies et les nanotechnologies fortement
6
multidisciplinaires comme les MOEMS sont également interdisciplinaires.
La physique et la technique
L'histoire de l'humanité montre que la pensée technique s'est développée bien
avant les théories physiques. La roue et le levier, le travail des matériaux, en
particulier la métallurgie, ont pu être réalisés sans ce qu'on appelle la physique.
L'effort de rationalité des penseurs grecs puis arabes, le lent perfectionnement
des mathématiques du
e
XII
siècle au
e
XVI
siècle, et le moindre poids de la
scolastique ont permis les avancées remarquables du XVIIe siècle. La physique a
pu révéler sa profondeur conceptuelle [réf. nécessaire]. Les théories physiques ont
alors souvent permis le perfectionnement d'outils et de machines, ainsi que leur
mise en œuvre.
Le
e
XX
siècle voit la multiplication de technologies directement issues de
concepts théoriques développés à partir des avancées de la physique de leur
Rayon laser à travers un dispositif
optique
époque. Le cas du laser est exemplaire : son invention repose fondamentalement
sur la compréhension, par la mécanique quantique, des ondes lumineuses et de la
linéarité de leurs équations. La découverte de l'équation d'équivalence masse énergie ouvre la voie au développement des bombes
A et H, ainsi qu'à l’énergie nucléaire civile. De même L'électronique en tant que science appliquée modifie profondément le
visage de nos sociétés modernes à travers la révolution numérique et l'avènement de produits comme le téléviseur, le téléphone
portable et les ordinateurs. Elle s'appuie sur l'électromagnétisme, l'électrostatique ou la physique des semi-conducteurs et la
technique d'imagerie médicale IRM s'appuie sur la découverte des propriétés quantiques des noyaux atomiques.
Philosophie
Physique et société
Physique et genre
Le monde de la physique a longtemps été dominé par des hommes, et au début du
e
XXI
7
siècle, malgré quelques incitations et
messages montrant que les filles ont autant leur place que les garçons dans ce domaine , la désaffection des filles pour les études
8
de physique semble persister dans de nombreux pays . En outre, selon une étude récente aux États-Unis [réf. nécessaire], la plupart
des étudiantes en physique subissent diverses formes de harcèlement sexuel (allant de blagues inappropriées jusqu'à une attention
sexuelle non-souhaitée). Près de 75% des diplômées en physique disent en avoir été victimes au travail ou en étudiant sur le
terrain. Une enquête faite [réf. nécessaire] 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.
En France, les filles sont nombreuses (70 %) à s’engager vers la classe préparatoire scientifique Biologie, Chimie, Physique,
Sciences de la Terre (BCPST) en restant minoritaires dans les autres préparations scientifiques (Pons, 2007). Leur attrait pour le
9
« bio-véto » reste bien plus marqué que pour la physique , probablement en raison d'une transmission sociale des stéréotypes de
10
genre . en 1989, Archer et Freedman ont montré que du point de vue scolaire pour les parents et enseignants les matière telles
que la mécanique, la physique, la chimie et les mathématiques étaient encore considérées comme masculines, pendant que
11
l’anglais, la biologie, la psychologie, le français et la sociologie étaient jugées être des matières féminines .
Vulgarisation
La vulgarisation 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 sociopoligique important au
12
moment de la révolution française et plus encore avec la révolution industrielle . Les chercheurs en physiques ont aussi une
mission de vulgarisation, dont au CNRS en France par exemple
l'école et l'enseignement
14
13
mais l'essentiel de la vulgarisation se fait progressivement via
15
pour l'acquisition des savoirs de base (qui ont beaucoup évolué depuis deux siècles ) puis via les
médias tout au long de la vie.
En complément de la littérature de vulgarisation scientifique et du travail (publications, conférences...) de certaines sociétés
savantes puis des expositions universelles ; après que la radio puis la télévision aient participé à cette vulgarisation ; à partir des
16
années 1990 les NTIC puis le WEB 2.0 ont bouleversé la vulgarisation scientifique (et de la physique en particulier ).
Aujourd'hui de nombreux sites internets (Wikipédia...) permettent de trouver toutes les informations utiles, du niveau basique à
celui de l'expertise et la visualisation de données (data visualisation) a beaucoup progressé.
Certains musées se sont spécialisés dans le domaine de la physique, avec par exemple en France le Palais de la Découverte
17
Dans la sphère de l'éducation universitaire Richard Feynman a permis par ses ouvrages de construire ex nihilo, une expérience
empirique de la physique moderne.
Notes et références
Notes
1. 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.
2. Ainsi Georges Cuvier, dans son Rapport 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. »
Références
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2. Selon Le Littré
3. A. Einstein et L. Infeld, L'évolution des idées en physique, Payot, trad. fr. 1978, p. 34-35 : « 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 (…) ».
4. Benjamin Bradu, La beauté des équations en physique (http://lasciencepourtous.cafe-sciences.org/articles/la-bea
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Voir aussi
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Notons que la Physique d'Aristote n'a rien à voir avec la science moderne dénommée la physique. La taxonomie aristotélicienne,
d'essence philosophique, a même été le plus farouche adversaire de la science moderne.
Articles connexes
Généralités
Concepts fondamentaux de la physique
Recherche scientifique
Liste des expériences scientifiques
Disciplines apparentées
De nombreux domaines de recherche combinent la physique avec d'autres disciplines.
Acoustique
Aérodynamique
Astronomie
Biophysique
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Analyse dimensionnelle
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Liens externes
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(fr) Cours de Physique en PDF (http://doc.forumed.org/physique/).
(fr) Dossiers scientifiques (http://www.cea.fr/fr/magazine/dossiers.asp), CEA
(fr) La Physique au lycée (http://www.cnrs.fr/diffusion/phototheque/physiqueaulycee/), CNRS
(fr) La Société Française de Physique (http://www.sfpnet.fr/)
(en) Condensé de la plupart des aspects de la physique (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.h
tml), Hyperphysics - Georgia State University
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