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.
