Sciences physiques

La physique (du grec φυσικη, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ; c'est le sens de René Descartes et de ses élèves Jacques Rohault et Régis^[1]. Elle correspond alors aux sciences naturelles ou encore à la philosophie naturelle. Au XXI^e siècle, sa signification est plus restreinte : elle décrit de façon à la fois quantitative et conceptuelle les composants fondamentaux de l'univers, 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. La signification ancienne de la physique rassemble l'actuelle physique, la chimie et les sciences naturelles actuelles^[2].

La physique n'accepte comme résultat que ce qui est mesurable et reproductible par expérience. Cette méthode permet de confirmer ou d'infirmer les hypothèses fondées sur une théorie donnée.

Étymologie et évolution du sens

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).

Le terme « physique » vient du grec φυσικη, signifiant « nature ».

Pour Platon, la physique est l'une des trois parties de l'enseignement de la philosophie, aux côtés de l'éthique et de la logique. Pour 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.

Au XII^e siècle, lorsque le mot est apparu en français ancien, la physique avait un double sens : médecine (exemple : un médecin en anglais est un physician), et, en tant qu'adjectif, « ce qui se rapporte à la nature » .

À partir de la fin du XV^e siècle, le mot physique a désigné les « connaissances concernant les causes naturelles » et l'on désignait son étude par l'expression « philosophie naturelle » selon un corpus universitaire qui reposait sur la philosophie d'Aristote (exemples : La Physique d'Aristote et Principes mathématiques de philosophie naturelle de Newton).

Des chaires de philosophie naturelle furent établies dans certaines universités, notamment au Royaume-Uni (Oxford, Edimbourg, etc.) À Paris, on compta par exemple une chaire de philosophie naturelle au collège de Clermont, occupée notamment par Ignace-Gaston Pardies.

Le mot physique prit son sens moderne, qui est plus restreint que le sens originel, à partir du XVII^e siècle (avec Galilée et Descartes), et surtout de la physique classique qui est née avec Newton. À l'université de Paris, l'aristotélisme domina les cours de philosophie naturelle jusque dans les années 1690, à partir desquelles il fut progressivement remplacé par le cartésianisme, notamment grâce à l'ouverture du collège des Quatre-Nations et les cours d'Edme Pourchot.

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 » apparait, 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 plus 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 XVIII^e 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 XIX^e 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 » était un simple synonyme de l'expression « sciences naturelles »^[3].

Disciplines

La recherche en physique contemporaine est divisée en diverses disciplines qui étudient des aspects différents du monde physique.

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) que sa vitesse soit bien inférieure à la vitesse de la lumière, (3) qu'il ne soit pas trop proche d'une masse importante, et (4) que celui-ci soit dépourvu de charge. Les théories anciennes, comme par exemple la mécanique newtonienne, sont encore des sujets de recherche notamment dans l'étude des phénomènes complexes (exemple : la théorie du chaos). Elles 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.

Méthodes

Théorie et expérience

Les physiciens observent, mesurent et modélisent le comportement et les interactions de la matière à travers l'espace et le temps (définis comme « phénomènes physiques »).

Une théorie ou un modèle 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 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 coïncidant pas avec la théorie peuvent, ou bien remettre en cause la théorie — comme ce fut le cas du problème du corps noir qui provoqua l'avènement de la mécanique quantique et la disparition du vitalisme ou de l'atomisme thermodynamique — ou bien pousser la théorie et le modèle à intégrer de nouveaux éléments. L'exemple de la découverte de Neptune est édifiante à ce titre. Les astronomes pouvaient faire une première expérience, celle de mesurer la trajectoire d'Uranus. Or 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, ce qui fut avéré après une seconde expérience qui consista à braquer un télescope à l'endroit annoncé. 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.

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 XX^e 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

Albert Einstein en 1947

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 et son permanent renouveau naît dans l'impossibilité évidente 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 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 comme émettre des théories sur le fonctionnement d'une horloge sans jamais pouvoir l'ouvrir^{[réf. nécessaire]}.

Recherche de la simplification et l'unification des théories

La physique possède une dimension esthétique. 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 (comme l'énergie se conserve quand les équations du système sont invariantes temporellement), est un vecteur de beauté des équations et de motivation des physiciens et, depuis le XX^e siècle, le moteur principal des développements en physique théorique.

Du point de vue expérimental, la simplification est un principe de pragmatisme. En effet la mise au point d'une expérience requiert de maîtriser un grand nombre de paramètres physiques afin de créer des conditions expérimentales précisément fixées. La plupart des situations se présentant spontanément dans la nature sont très confuses et irrégulières. Outre des figures exceptionnelles comme l'arc-en-ciel, qui cause un fort étonnement chez le profane, le monde à notre échelle mêle de nombreux principes et théories appartenant à des domaines disjoints du corpus. Les concepts de la physique sont longs à acquérir par les physiciens eux-mêmes. Une certaine préparation du dispositif expérimental permet donc la manifestation d'un phénomène aussi épurée que possible. En somme, un arc-en-ciel bien contrasté et net, pour prendre une image poétique. Cette exigence expérimentale donne malheureusement un aspect artificiel à la physique, en particulier lors de son enseignement à un jeune public. Paradoxalement rien ne semble aussi éloigné du cours de la nature qu'une expérience de physique, seule la simplification y est pourtant 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. Toutefois, tout le monde s'accorde chez les physiciens pour penser que cette théorie sera sublimée et intégrée un jour dans une théorie plus simple et plus élégante, comme le système ptoléméen a disparu au profit de la théorie keplerienne, puis newtonienne.

Physique, sciences et techniques

La physique et les autres sciences

Leibniz

Isaac Newton

La physique étant écrite en termes mathématiques, elle a depuis sa naissance eu des relations plus que profondes avec celles-là. Jusqu'au XX^e siècle, les mathématiciens étaient d'ailleurs la plupart du temps physiciens (et souvent philosophes). De ce fait la physique a très souvent été la source de développements profonds en mathématiques. Par exemple, le calcul différentiel, 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. Ce domaine interdisciplinaire est appelé la chimie physique. Toutefois, les phénomènes chimiques sont suffisamment vastes et variés pour que la chimie soit généralement considérée comme une discipline à part entière.

De nombreux autres domaines interdisciplinaires existent en physique. On peut mentionner par exemple l'astrophysique à la frontière avec l'astronomie, la biophysique qui est à l'interface entre la biologie et la physique statistique entre autres, et plus récemment les nanotechnologies.

La physique et la technique

Rayon laser à travers un dispositif optique

L'histoire de l'humanité montre que la pensée technique s'est développée bien avant les théories physiques, et à plus forte raison mathématisées. La roue et le levier, le travail des matériaux, en particulier la métallurgie, ont pu être réalisés sans ce qu'on appelle la physique. C'est par l'effort de rationalité des penseurs grecs puis arabes et, par la suite, le perfectionnement des mathématiques, que la physique a pu révéler sa profondeur conceptuelle. Les théories physiques ont alors souvent permis le perfectionnement d'outils et de machines, ainsi que de leur utilisation.

Il faut attendre le XIX^e siècle pour que des théories donnent naissance à des techniques qui n'auraient pu voir le jour sans elles. 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. On peut évidemment citer la bombe A et la bombe H comme créations techniques dépendant entièrement de la physique de leur époque. Le GPS ne fonctionne que par l'intégration des relativités restreinte et générale dans les calculs.

Physique et religions

Portrait de Galileo Galilei par Giusto Sustermans en 1636.

Il est arrivé dans l'Histoire que les résultats obtenus par la physique, et par certaines autres sciences également, entrent en conflit avec les religions. Celles-ci définissent en effet un ensemble de croyances qui, en général, incluent une représentation du monde, de l'univers et de ses composants.

Le prototype de ce problème fut, au XVII^e siècle, la controverse ptoléméo-copernicienne, et la condamnation de Galilée (1633) qui entraîna un certain mouvement de rejet de la religion chrétienne (catholique) plus particulièrement, jugée « obscurantiste » par certains philosophes du Siècle des Lumières. L'un des enjeux de ce problème était que certains passages de la Bible, par exemple le psaume 93 (92) sur Dieu roi de l'univers, que l'on pourrait qualifier de « cosmologiques », étaient rédigés dans un sens géocentrique, ou à tout le moins ambigu, de sorte que, pris à la lettre, ils entraient en conflit avec les théories de la physique définies par Galilée, Kepler et Newton. Par ailleurs Giordano Bruno fut brûlé à Rome pour avoir affirmé, entre autres, que l'univers était infini et défendu le copernicisme.

Dans un premier temps, les scientifiques du XVII^e siècle réagirent soit en rejetant la philosophie première de la scolastique, basée sur la métaphysique d'Aristote (Descartes dans Méditations sur la philosophie première), soit en adhérant à des mouvements dissidents du christianisme (cas de Pascal, qui donna sa caution à Port-Royal pour rédiger une traduction de la Bible en français selon des vues jansénistes). Cette version fut la seule élaborée au XVII^e siècle, et aucun théologien catholique ne fut à la hauteur pour produire une version plus conséquente au XVII^e et au XVIII^e siècles, de sorte que cette Bible servit de référence à bon nombre d'intellectuels, dont des écrivains, jusqu'au XIX^e siècle.

En réalité, l'Église, en la personne du pape Benoît XIV, autorisa la théorie de l'héliocentrisme dès le XVIII^e siècle (en 1741 et en 1757), réhabilitant implicitement Galilée, ce qui passa relativement inaperçu dans le contexte du Siècle des Lumières.^{[réf. nécessaire]}

La situation commença à se clarifier au XIX^e siècle, une fois passée la Révolution française et dès que le christianisme put se réorganiser, lorsque les chrétiens (protestants et catholiques) se rendirent compte que la controverse posait des problèmes d'exégèse (revenir aux textes d'origine en grec ou hébreu) et d'herméneutique (définir des règles d'interprétation qui ne soient pas littérales). Ceci conduisit à des encycliques sur l'étude des textes bibliques (par Léon XIII, puis Pie XII), définissant les rapports entre la science et la religion, puis à des traductions canoniques de la Bible à partir du XX^e siècle (Bible de Jérusalem). Après deux siècles où il n'y eut que trois traductions de la Bible en français, le XIX^e siècle fournit ainsi 19 traductions de la Bible en français, et le XX^e siècle, 22 traductions.

Plus qu'une réhabilitation de Galilée (que tous les papes modernes considérèrent comme un grand savant^{[réf. nécessaire]}), le groupe de travail voulu par Jean-Paul II fut l'occasion de clarifier les relations réciproques entre la religion et la science. Aujourd'hui, l'Église catholique romaine ne se préoccupe pas des questions de structure physique de l'univers. Les questions de foi interviennent plutôt lors de l'application des théories dans la vie quotidienne.

Nombreux ont été les physiciens qui étaient ou bien très religieux, ou bien ordonnés eux-mêmes. Par exemple, Nicolas Copernic était moine, Edme Mariotte était prêtre et Georges Lemaître abbé. L'explication tient sans doute au fait que les religieux de ces époques étaient pratiquement les seuls lettrés.

Par ailleurs, certaines religions ont encouragé le développement de la recherche scientifique, comme ce fut le cas de l'islam entre le IX^e et le XV^e siècle, qui le fit d'ailleurs pour des raisons religieuses (voir Sciences et techniques islamiques), en profitant très largement de l'apport des civilisations soumises par l'Islam (perse, chaldéenne, byzantine et indienne, entre autres).

Au XXI^e siècle, un grand nombre de physiciens, et de scientifiques plus généralement, admettent volontiers avoir des convictions religieuses^[4].

On constate que, aux États-Unis, comme en Europe, on a réalisé qu'il ne faut pas prendre au pied de la lettre les descriptions bibliques, ce qui est la position commune des catholiques et des protestants, prise depuis le XIX^e siècle.^{[réf. nécessaire]}

Notes et références

Voir aussi

Vulgarisation physique

La vulgarisation physique a pour objectif de présenter la physique en un langage dénué de termes techniques, non expliqué préalablement, et sans utiliser d'objets mathématiques non-étudiés au préalable.

C'est surtout Richard Feynman, qui par ses ouvrages, permettra de construire à partir de "rien", une expérience empirique de la physique moderne.

Toutefois, la physique ne fait que rarement l'objet de vulgarisation dans des journaux ou journaux télévisés.

Articles connexes

Généralités

• Concepts fondamentaux de la physique
• Liste de physiciens célèbres
• Recherche scientifique
• Liste des expériences scientifiques

Disciplines apparentées

De nombreux domaines de recherche combinent la physique avec d'autres disciplines.

• Acoustique
• Aérodynamique
• Astronomie
• Biophysique
• Chimie physique
• Éconophysique
• Électronique
• Géophysique
• Mécanique
• Physique informatique
• Physique mathématique
• Sciences des matériaux

Domaines voisins

• Astronomie
• Biologie
• Chimie
• Cosmologie
• Géologie
• Mathématiques
• Médecine

Histoire et philosophie

• Épistémologie
• Histoire de la physique
• Liste de physiciens
• Prix Nobel de physique
• Grandes expériences de la physique

Outils et méthodes

• Analyse dimensionnelle
• Méthodes mathématiques en physique
• Métrologie
• Méthode expérimentale
• Simulation informatique
• Expérimentation assistée par ordinateur

Tableaux et banques de données

• Constantes physiques
• Conversion des unités
• Ordres de grandeur
• Système international d'unités
• Liste des grands nombres

Liens externes

• (fr) La Catégorie physique de l’annuaire dmoz
• (fr) FAQ de physique, Palais de la Découverte
• (fr) Dossiers scientifiques, CEA
• (fr) La Physique au lycée, CNRS

Bibliographie

• La Physique d'Aristote

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