Physique

Histoire

L'astronomie ancienne

L'astronomie est la plus ancienne des sciences naturelles. Les Sumériens et les anciens Égyptiens étudiaient les étoiles, principalement dans un but de prédiction et de religion. Les premières cartes des étoiles de Babylone datent d'environ 1200 avant JC. Le fait que les événements astronomiques soient périodiques remonte également aux Babyloniens. Leur compréhension n'était pas scientifique, mais leurs observations ont influencé l'astronomie ultérieure. Une grande partie de l'astronomie est venue de Mésopotamie, de Babylone, de l'Égypte ancienne et de la Grèce antique. Les astronomes égyptiens ont construit des monuments qui montraient comment les objets dans le ciel se déplaçaient, et la plupart des noms des constellations de l'hémisphère nord proviennent des astronomes grecs.

Philosophie naturelle

La philosophie naturelle a débuté en Grèce vers 650 avant J.-C., lorsqu'un mouvement de philosophes a remplacé la superstition par le naturalisme, qui réfutait le spirituel. Leucippe et son étudiant Démocrite ont suggéré l'idée de l'atome à cette époque.

La physique dans le monde islamique médiéval

Les érudits islamiques ont continué à étudier la physique aristotélicienne pendant l'âge d'or islamique. L'une de leurs principales contributions a été l'astronomie d'observation. Certains, comme Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi et Avicenne, ont travaillé sur l'optique et la vision. Dans le Livre d'optique, Ibn al-Haytham a rejeté les idées grecques antérieures concernant la vision et a proposé une nouvelle théorie. Il a étudié comment la lumière pénètre dans l'œil et a développé la camera obscura. Les scientifiques européens ont ensuite construit des lunettes, des loupes, des télescopes et des appareils photo à partir de ce livre.

Physique classique

La physique est devenue un domaine d'étude distinct après la révolution scientifique. Les expériences de Galilée ont contribué à la création de la physique classique. Bien qu'il n'ait pas inventé le télescope, il l'utilisait pour regarder le ciel nocturne. Il a soutenu l'idée de Copernic selon laquelle la Terre se déplaçait autour du Soleil (héliocentrisme). Il a également étudié la gravité. Isaac Newton a utilisé les idées de Galilée pour créer ses trois lois du mouvement et sa loi de la gravitation universelle. Ensemble, ces lois expliquaient le mouvement des corps tombant près de la terre et le mouvement de la terre et des planètes autour du soleil.

En quelques siècles, la révolution industrielle battait son plein et de nombreuses autres découvertes ont été faites dans de nombreux domaines scientifiques. Les lois de la physique classique sont suffisamment bonnes pour étudier des objets qui se déplacent beaucoup plus lentement que la vitesse de la lumière, et qui ne sont pas microscopiques. Lorsque les scientifiques ont commencé à étudier la mécanique quantique, ils ont dû créer un nouvel ensemble de lois, ce qui a marqué le début de la physique moderne.

La physique moderne

En faisant des recherches sur les particules, les scientifiques ont découvert ce que la mécanique classique ne pouvait pas expliquer. La mécanique classique prévoyait que la vitesse de la lumière variait, mais les expériences ont montré que la vitesse de la lumière restait la même. C'est ce qu'a prédit la théorie de la relativité spéciale d'Albert Einstein. Einstein avait prédit que la vitesse des radiations électromagnétiques dans l'espace vide serait toujours la même. Sa vision de l'espace-temps a remplacé l'idée ancienne selon laquelle l'espace et le temps étaient deux choses bien distinctes.

Max Planck a inventé la mécanique quantique pour expliquer pourquoi le métal libère des électrons lorsque vous l'éclairez et pourquoi la matière émet des radiations. La mécanique quantique s'applique à de très petites choses comme les électrons, les protons et les neutrons qui composent un atome. Des gens comme Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger et Paul Dirac ont continué à travailler sur la mécanique quantique et nous avons fini par obtenir le modèle standard.

Définition

La physique est l'étude de l'énergie et de la matière dans l'espace et le temps et de la façon dont elles sont liées entre elles. Les physiciens supposent l'existence de la masse, de la longueur, du temps et du courant électrique, puis définissent (donnent la signification de) toutes les autres quantités physiques en fonction de ces unités de base. La masse, la longueur, le temps et le courant électrique ne sont jamais définis, mais les unités standard utilisées pour les mesurer sont toujours définies. Dans le Système International d'Unités (abrégé SI du Système International français), le kilogramme est l'unité de base de la masse, le mètre est l'unité de base de la longueur, la seconde est l'unité de base du temps et l'ampère est l'unité de base du courant électrique. A ces quatre unités s'ajoutent trois autres : la mole, qui est l'unité de la quantité de matière, la candela qui mesure l'intensité lumineuse (la puissance d'éclairage) et le kelvin, l'unité de température.

La physique étudie la façon dont les choses bougent et les forces qui les font bouger. Par exemple, la vitesse et l'accélération sont utilisées par la physique pour montrer comment les choses se déplacent. Les physiciens étudient également les forces de la gravité, de l'électricité, du magnétisme et les forces qui maintiennent les choses ensemble.

La physique étudie de très grandes choses et de très petites choses. Par exemple, les physiciens peuvent étudier les étoiles, les planètes et les galaxies, mais ils peuvent aussi étudier de petits morceaux de matière, comme les atomes et les électrons, ainsi que le son, la lumière et d'autres ondes. Ils peuvent également étudier l'énergie, la chaleur et la radioactivité, et même l'espace et le temps. La physique aide les gens à comprendre non seulement comment les objets se déplacent, mais aussi comment ils changent de forme, comment ils font du bruit, à quel point ils sont chauds ou froids, et de quoi ils sont faits au plus petit niveau.

Physique et mathématiques

La physique est une science quantitative car elle est basée sur la mesure avec des nombres. Les mathématiques sont utilisées en physique pour créer des modèles qui tentent de prédire ce qui se passera dans la nature. Ces prédictions sont comparées à la façon dont le monde réel fonctionne. Les physiciens s'efforcent toujours d'améliorer leurs modèles du monde.

Succursales

La mécanique classique contient des sujets majeurs tels que les lois du mouvement de Newton, la mécanique lagrangienne, la mécanique hamiltonienne, la cinématique, la statique, la dynamique, la théorie du chaos, l'acoustique, la dynamique des fluides, la mécanique du continuum. La mécanique classique concerne les forces agissant sur un corps dans la nature, l'équilibre des forces, le maintien de l'état d'équilibre, etc.

L'électromagnétisme est l'étude des charges sur un corps particulier. Il contient des sous-thèmes tels que l'électrostatique, l'électrodynamique, l'électricité, le magnétisme, la magnétostatique, les équations de Maxwell, l'optique .

La thermodynamique et la mécanique statistique sont liées à la température. Elle comprend des sujets principaux tels que le moteur thermique, la théorie cinétique. Elle utilise des termes tels que chaleur(Q), travail(W) et énergie interne (U). La première loi de la thermodynamique nous donne la relation entre eux par l'équation suivante (ΔU = Q - W)

La mécanique quantique est l'étude de la particule au niveau atomique en tenant compte du modèle atomique. Elle comprend les sous-thèmes suivants : formulation de l'intégrale des chemins, théorie de la diffusion, équation de Schrödinger, théorie quantique des champs, mécanique statistique quantique.

Relativité

Connaissances avancées

Description générale

La physique est la science de la matière et de ses interactions. La matière est toute matière physique dans l'univers. Tout est fait de matière. La physique est utilisée pour décrire l'univers physique qui nous entoure, et pour prédire comment il se comportera. La physique est la science qui s'occupe de la découverte et de la caractérisation des lois universelles qui régissent la matière, le mouvement et les forces, l'espace et le temps, ainsi que d'autres caractéristiques du monde naturel.

L'étendue et les objectifs de la physique

Le champ de la physique est large, des plus petits composants de la matière et des forces qui la maintiennent ensemble, aux galaxies et à des choses encore plus grandes. Il n'y a que quatre forces qui semblent opérer sur toute cette gamme. Cependant, même ces quatre forces (la gravité, l'électromagnétisme, la faible force associée à la radioactivité, et la forte force qui maintient ensemble les protons et les neutrons dans un atome) sont considérées comme les différentes parties d'une même force.

La physique est principalement axée sur l'objectif de rendre toujours plus simples, plus générales et plus précises les règles qui définissent le caractère et le comportement de la matière et de l'espace lui-même. L'un des principaux objectifs de la physique est d'élaborer des théories qui s'appliquent à tout ce qui se trouve dans l'univers. En d'autres termes, la physique peut être considérée comme l'étude de ces lois universelles qui définissent, au niveau le plus élémentaire possible, le comportement de l'univers physique.

La physique utilise la méthode scientifique

La physique utilise la méthode scientifique. C'est-à-dire que les données provenant des expériences et des observations sont collectées. Des théories qui tentent d'expliquer ces données sont produites. La physique utilise ces théories non seulement pour décrire des phénomènes physiques, mais aussi pour modéliser des systèmes physiques et prédire comment ces systèmes physiques se comporteront. Les physiciens comparent ensuite ces prédictions à des observations ou à des preuves expérimentales pour montrer si la théorie est bonne ou mauvaise.

Les théories qui sont bien étayées par des données et qui sont particulièrement simples et générales sont parfois appelées lois scientifiques. Bien entendu, toutes les théories, y compris celles dites lois, peuvent être remplacées par des lois plus précises et plus générales, lorsqu'un désaccord avec les données est constaté.

La physique est quantitative

La physique est plus quantitative que la plupart des autres sciences. C'est-à-dire que de nombreuses observations en physique peuvent être représentées sous forme de mesures numériques. La plupart des théories en physique utilisent les mathématiques pour exprimer leurs principes. La plupart des prévisions issues de ces théories sont numériques. Cela s'explique par le fait que les domaines abordés par la physique fonctionnent mieux avec des approches quantitatives que d'autres domaines. Les sciences ont également tendance à devenir plus quantitatives avec le temps, à mesure qu'elles se développent, et la physique est l'une des sciences les plus anciennes.

Domaines de la physique

La physique classique comprend normalement les domaines de la mécanique, de l'optique, de l'électricité, du magnétisme, de l'acoustique et de la thermodynamique. La physique moderne est un terme normalement utilisé pour couvrir les domaines qui reposent sur la théorie quantique, notamment la mécanique quantique, la physique atomique, la physique nucléaire, la physique des particules et la physique de la matière condensée, ainsi que les domaines plus modernes de la relativité générale et spéciale, mais ces deux derniers sont souvent considérés comme des domaines de la physique classique car ils ne reposent pas sur la théorie quantique. Bien que cette différence se retrouve dans des écrits plus anciens, elle ne présente guère d'intérêt nouveau car les effets quantiques sont désormais considérés comme importants, même dans des domaines qui étaient auparavant qualifiés de classiques.

Approches en physique

Il existe de nombreuses approches pour étudier la physique, et de nombreux types d'activités différentes en physique. Il existe deux grands types d'activités en physique : la collecte de données et l'élaboration de théories.

Les données de certains sous-domaines de la physique se prêtent à des expériences. Par exemple, la physique de la matière condensée et la physique nucléaire bénéficient de la possibilité de réaliser des expériences. La physique expérimentale se concentre principalement sur une approche empirique. Parfois, des expériences sont réalisées pour explorer la nature, et dans d'autres cas, des expériences sont réalisées pour produire des données à comparer avec les prédictions des théories.

D'autres domaines de la physique comme l'astrophysique et la géophysique sont essentiellement des sciences d'observation car la plupart de leurs données doivent être collectées de manière passive plutôt que par l'expérimentation. Toutefois, les programmes d'observation dans ces domaines utilisent bon nombre des mêmes outils et technologies que ceux utilisés dans les sous-domaines expérimentaux de la physique.

La physique théorique utilise souvent des approches quantitatives pour élaborer les théories qui tentent d'expliquer les données. Ainsi, les physiciens théoriques utilisent souvent des outils issus des mathématiques. La physique théorique peut souvent impliquer la création de prédictions quantitatives des théories physiques, et la comparaison de ces prédictions de manière quantitative avec les données. La physique théorique crée parfois des modèles de systèmes physiques avant que les données ne soient disponibles pour tester et soutenir ces modèles.

Ces deux activités principales en physique, la collecte de données, la production de théories et les tests, font appel à de nombreuses compétences différentes. Cela a conduit à une forte spécialisation en physique, et à l'introduction, au développement et à l'utilisation d'outils provenant d'autres domaines. Par exemple, les physiciens théoriciens utilisent dans leur travail les mathématiques et l'analyse numérique, les statistiques et les probabilités, ainsi que des logiciels informatiques. Les physiciens expérimentaux développent des instruments et des techniques de collecte de données, en utilisant l'ingénierie et l'informatique et de nombreux autres domaines technologiques. Souvent, les outils issus de ces autres domaines ne sont pas tout à fait adaptés aux besoins de la physique et doivent être modifiés ou des versions plus avancées doivent être réalisées.

Il est fréquent qu'une nouvelle physique soit découverte si les physiciens expérimentaux réalisent une expérience que les théories actuelles ne peuvent expliquer, ou que les physiciens théoriciens génèrent des théories qui peuvent ensuite être mises à l'épreuve par les physiciens expérimentaux.

La physique expérimentale, l'ingénierie et la technologie sont liées. Les expériences nécessitent souvent des outils spécialisés tels que des accélérateurs de particules, des lasers, et d'importantes applications industrielles telles que les transistors et l'imagerie par résonance magnétique sont issues de la recherche appliquée.

Physiciens

D'éminents physiciens théoriciens

Parmi les physiciens théoriciens célèbres, on peut citer

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