Branches de la physique
La physique est une discipline scientifique qui cherche à construire et à tester expérimentalement des théories de l’univers physique. Ces théories varient dans leur portée et peuvent être organisées en plusieurs branches distinctes, qui sont décrites dans cet article.
Mécanique classique
La mécanique classique est un modèle de la physique des forces agissant sur les corps ; comprend des sous-domaines pour décrire les comportements des solides, des gaz et des fluides. Elle est souvent appelée « mécanique newtonienne », d’après Isaac Newton et ses lois du mouvement. Elle comprend également l’approche classique telle que donnée par les méthodes hamiltoniennes et de Lagrange. Elle traite du mouvement des particules et du système général de particules.
Il existe de nombreuses branches de la mécanique classique, telles que : la statique, la dynamique, la cinématique, la mécanique des continuums (qui inclut la mécanique des fluides), la mécanique statistique, etc.
- Mécanique : Branche de la physique dans laquelle on étudie l’objet et les propriétés d’un objet sous forme d’un mouvement sous l’action de la force.
Thermodynamique et mécanique statistique
Le premier chapitre de The Feynman Lectures on Physics porte sur l’existence des atomes, que Feynman considérait comme l’énoncé le plus compact de la physique, dont la science pourrait facilement résulter même si toutes les autres connaissances étaient perdues. En modélisant la matière comme des collections de sphères dures, il est possible de décrire la théorie cinétique des gaz, sur laquelle repose la thermodynamique classique.
La thermodynamique étudie les effets des changements de température, de pression et de volume sur les systèmes physiques à l’échelle macroscopique, ainsi que le transfert d’énergie sous forme de chaleur. Historiquement, la thermodynamique s’est développée à partir du désir d’augmenter l’efficacité des premiers moteurs à vapeur.
Le point de départ de la plupart des considérations thermodynamiques est les lois de la thermodynamique, qui postulent que l’énergie peut être échangée entre les systèmes physiques sous forme de chaleur ou de travail. Elles postulent également l’existence d’une quantité nommée entropie, qui peut être définie pour tout système. En thermodynamique, les interactions entre de grands ensembles d’objets sont étudiées et catégorisées. Les concepts de système et d’environnement sont essentiels à cet égard. Un système est composé de particules, dont les mouvements moyens définissent ses propriétés, qui sont à leur tour reliées les unes aux autres par des équations d’état. Les propriétés peuvent être combinées pour exprimer l’énergie interne et les potentiels thermodynamiques, qui sont utiles pour déterminer les conditions d’équilibre et les processus spontanés.
Electromagnétisme et photonique
∇ ⋅ D = ρ f ∇ ⋅ B = 0 ∇ × E = – ∂ B ∂ t ∇ × H = J f + ∂ D ∂ t {\displaystyle {\begin{aligned}&\nabla \cdot \mathbf {D} =\rho _{f}&\nabla \cdot \mathbf {B} =0\\&\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} {\{\c&H30D3F00↩}
\Nabla \times \mathbf {H} =\mathbf {J} _{f}+{\frac {\partial \mathbf {D} }{\partial t}}\end{aligned}}}
Équations de l’électromagnétisme de Maxwell
L’étude des comportements des électrons, des milieux électriques, des aimants, des champs magnétiques et des interactions générales de la lumière.
Mécanique relativiste
La théorie de la relativité restreinte jouit d’une relation avec l’électromagnétisme et la mécanique ; c’est-à-dire que le principe de relativité et le principe d’action stationnaire en mécanique peuvent être utilisés pour dériver les équations de Maxwell, et vice versa.
La théorie de la relativité restreinte a été proposée en 1905 par Albert Einstein dans son article « Sur l’électrodynamique des corps en mouvement ». Le titre de l’article fait référence au fait que la relativité restreinte résout une incohérence entre les équations de Maxwell et la mécanique classique. La théorie est basée sur deux postulats : (1) que les formes mathématiques des lois de la physique sont invariantes dans tous les systèmes inertiels ; et (2) que la vitesse de la lumière dans le vide est constante et indépendante de la source ou de l’observateur. La réconciliation de ces deux postulats nécessite une unification de l’espace et du temps dans le concept d’espace-temps dépendant du cadre.
La relativité générale est la théorie géométrique de la gravitation publiée par Albert Einstein en 1915/16. Elle unifie la relativité restreinte, la loi de la gravitation universelle de Newton et l’intuition que la gravitation peut être décrite par la courbure de l’espace et du temps. En relativité générale, la courbure de l’espace-temps est produite par l’énergie de la matière et du rayonnement.
Mécanique quantique, physique atomique et physique moléculaire
La mécanique quantique est la branche de la physique qui traite des systèmes atomiques et subatomiques et de leur interaction en se basant sur l’observation que toutes les formes d’énergie sont libérées en unités ou en paquets discrets appelés « quanta ». De manière remarquable, la théorie quantique ne permet généralement qu’un calcul probable ou statistique des caractéristiques observées des particules subatomiques, comprises en termes de fonctions d’onde. L’équation de Schrödinger joue en mécanique quantique le rôle que les lois de Newton et la conservation de l’énergie jouent en mécanique classique – c’est-à-dire qu’elle prédit le comportement futur d’un système dynamique – et est une équation d’onde qui sert à résoudre les fonctions d’onde.
Par exemple, la lumière, ou le rayonnement électromagnétique émis ou absorbé par un atome n’a que certaines fréquences (ou longueurs d’onde), comme on peut le voir dans le spectre de raies associé à l’élément chimique représenté par cet atome. La théorie quantique montre que ces fréquences correspondent à des énergies déterminées des quanta de lumière, ou photons, et résultent du fait que les électrons de l’atome ne peuvent avoir que certaines valeurs d’énergie autorisées, ou niveaux ; lorsqu’un électron passe d’un niveau autorisé à un autre, un quantum d’énergie est émis ou absorbé, dont la fréquence est directement proportionnelle à la différence d’énergie entre les deux niveaux. L’effet photoélectrique a encore confirmé la quantification de la lumière.
En 1924, Louis de Broglie a proposé que non seulement les ondes lumineuses présentent parfois des propriétés de type particule, mais que les particules peuvent également présenter des propriétés de type onde. Deux formulations différentes de la mécanique quantique ont été présentées à la suite de la suggestion de de Broglie. La mécanique ondulatoire d’Erwin Schrödinger (1926) implique l’utilisation d’une entité mathématique, la fonction d’onde, qui est liée à la probabilité de trouver une particule en un point donné de l’espace. La mécanique matricielle de Werner Heisenberg (1925) ne fait pas mention de fonctions d’onde ou de concepts similaires, mais il a été démontré qu’elle était mathématiquement équivalente à la théorie de Schrödinger. Une découverte particulièrement importante de la théorie quantique est le principe d’incertitude, énoncé par Heisenberg en 1927, qui place une limite théorique absolue sur la précision de certaines mesures ; en conséquence, l’hypothèse des scientifiques précédents selon laquelle l’état physique d’un système pouvait être mesuré exactement et utilisé pour prédire les états futurs a dû être abandonnée. La mécanique quantique a été combinée avec la théorie de la relativité dans la formulation de Paul Dirac. D’autres développements incluent la statistique quantique, l’électrodynamique quantique, qui concerne les interactions entre les particules chargées et les champs électromagnétiques ; et sa généralisation, la théorie quantique des champs.
Théorie des cordes
Un candidat possible pour la théorie du tout, cette théorie combine la théorie de la relativité générale et la mécanique quantique pour en faire une seule théorie. Cette théorie peut prédire les propriétés des objets, petits et grands. Cette théorie est actuellement en phase de développement.
Optique et acoustique
L’optique est l’étude des mouvements de la lumière, notamment la réflexion, la réfraction, la diffraction et l’interférence.
L’acoustique est la branche de la physique impliquant l’étude des ondes mécaniques dans différents milieux.
Physique de la matière condensée
L’étude des propriétés physiques de la matière dans une phase condensée.
Physique des particules à haute énergie et physique nucléaire
La physique des particules étudie la nature des particules, tandis que la physique nucléaire étudie les noyaux atomiques.
Cosmologie
La cosmologie étudie comment l’univers est né, et son destin éventuel. Elle est étudiée par les physiciens et les astrophysiciens.
Domaines interdisciplinaires
Dans les domaines interdisciplinaires, qui définissent partiellement des sciences à part entière, appartiennent par ex. la
- agrophysique est une branche de la science à la limite de l’agronomie et de la physique
- l’astrophysique, la physique dans l’univers, notamment les propriétés et les interactions des corps célestes en astronomie.
- la biophysique, l’étude des interactions physiques des processus biologiques.
- physique chimique, la science des relations physiques en chimie.
- physique computationnelle, l’application des ordinateurs et des méthodes numériques aux systèmes physiques.
- éconophysique, traitant des processus physiques et de leurs relations dans la science de l’économie.
- physique environnementale, la branche de la physique concernée par la mesure et l’analyse des interactions entre les organismes et leur environnement.
- physique de l’ingénierie, la discipline combinée de la physique et de l’ingénierie.
- géophysique, les sciences des relations physiques sur notre planète.
- physique mathématique, les mathématiques relatives aux problèmes physiques.
- physique médicale, l’application de la physique en médecine à la prévention, au diagnostic et au traitement.
- chimie physique, traitant des processus physiques et de leurs relations dans la science de la chimie physique.
- physical oceanography, is the study of physical conditions and physical processes within the ocean, especially the motions and physical properties of ocean waters
- psychophysics, the science of physical relations in psychology
- quantum computing, the study of quantum-mechanical computation systems.
- sociophysics or social physics, is a field of science which uses mathematical tools inspired by physics to understand the behavior of human crowds
Summary
The table below lists the core theories along with many of the concepts they employ.
| Theory | Major subtopics | Concepts |
|---|---|---|
| Classical mechanics | Newton’s laws of motion, Lagrangian mechanics, Hamiltonian mechanics, kinematics, statics, dynamics, chaos theory, acoustics, fluid dynamics, continuum mechanics | Density, dimension, gravity, space, time, motion, length, position, velocity, accélération, invariance galiléenne, masse, momentum, impulsion, force, énergie, vitesse angulaire, moment angulaire, moment d’inertie, couple, loi de conservation, oscillateur harmonique, onde, travail, puissance, lagrangien, hamiltonien, angles de Tait-Bryan, angles d’Euler, pneumatique, hydraulique | Électromagnétisme | Électrostatique, électrodynamique, électricité, magnétisme, magnétostatique, équations de Maxwell, optique | Capacité, charge électrique, courant, conductivité électrique, champ électrique, permittivité électrique, potentiel électrique, résistance électrique, champ électromagnétique, induction électromagnétique, rayonnement électromagnétique, surface gaussienne, champ magnétique, flux magnétique, monopôle magnétique, perméabilité magnétique |
| Thermodynamique et mécanique statistique | Moteur thermique, théorie cinétique | Constante de Boltzmann, variables conjuguées, enthalpie, entropie, équation d’état, théorème d’équipartition, énergie libre thermodynamique, chaleur, loi des gaz idéaux, énergie interne, lois de la thermodynamique, relations de Maxwell, processus irréversible, modèle d’Ising, action mécanique, fonction de partition, pression, processus réversible, processus spontané, fonction d’état, ensemble statistique, température, équilibre thermodynamique, potentiel thermodynamique, processus thermodynamique, état thermodynamique, système thermodynamique, viscosité, volume, travail, matériau granulaire | Mécanique quantique | Formulation intégrale du chemin, théorie de la diffusion, équation de Schrödinger, théorie quantique des champs, mécanique statistique quantique | Approximation adiabatique, rayonnement du corps noir, principe de correspondance, particule libre, hamiltonien, espace de Hilbert, particules identiques, mécanique matricielle, constante de Planck, effet d’observateur, opérateurs, quanta, quantification, intrication quantique, oscillateur harmonique quantique, nombre quantique, effet tunnel quantique, chat de Schrödinger, équation de Dirac, spin, fonction d’onde, mécanique ondulatoire, dualité onde-particule, énergie du point zéro, principe d’exclusion de Pauli, principe d’incertitude d’Heisenberg |
| Relativité | Relativité restreinte, relativité générale, équations de champ d’Einstein | Covariance, collecteur d’Einstein, principe d’équivalence, quatre-momentum, quatre-vecteur, principe général de relativité, mouvement géodésique, gravité, gravito-électromagnétisme, cadre de référence inertiel, invariance, contraction de longueur, collecteur lorentzien, transformation de Lorentz, équivalence masse-énergie, métrique, diagramme de Minkowski, espace de Minkowski, principe de relativité, longueur propre, temps propre, cadre de référence, énergie au repos, masse au repos, relativité de la simultanéité, espace-temps, principe spécial de relativité, vitesse de la lumière, tenseur contrainte-énergie, dilatation du temps, paradoxe des jumeaux, ligne du monde |
- ^ Feynman, Richard Phillips ; Leighton, Robert Benjamin ; Sands, Matthew Linzee (1963). Les conférences de Feynman sur la physique. p. 1. ISBN 978-0-201-02116-5… Feynman commence par l’hypothèse atomique, comme son énoncé le plus compact de toute la connaissance scientifique : « Si, lors d’un cataclysme quelconque, toutes les connaissances scientifiques devaient être détruites et qu’une seule phrase soit transmise aux générations suivantes […], quelle déclaration contiendrait le plus d’informations en un minimum de mots ? Je crois que c’est … que toutes les choses sont composées d’atomes – de petites particules qui se déplacent en mouvement perpétuel, s’attirant les unes les autres lorsqu’elles sont un peu éloignées, mais se repoussant lorsqu’elles sont serrées les unes contre les autres. … » vol. I p. I-2
- ^ Perot, Pierre (1998). De A à Z de la thermodynamique. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856552-9.
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