Physique théorique - Theoretical physics

Représentation visuelle d'un trou de ver Schwarzschild . Les trous de ver n'ont jamais été observés, mais il est prédit qu'ils existent grâce à des modèles mathématiques et à la théorie scientifique .

La physique théorique est une branche de la physique qui utilise des modèles mathématiques et des abstractions d'objets et de systèmes physiques pour rationaliser, expliquer et prédire les phénomènes naturels . Cela contraste avec la physique expérimentale , qui utilise des outils expérimentaux pour sonder ces phénomènes.

L'avancement de la science dépend généralement de l'interaction entre les études expérimentales et la théorie . Dans certains cas, la physique théorique adhère à des normes de rigueur mathématique tout en accordant peu de poids aux expériences et aux observations. Par exemple, tout en développant la relativité restreinte , Albert Einstein était préoccupé par la transformation de Lorentz qui laissait les équations de Maxwell invariantes, mais n'était apparemment pas intéressé par l' expérience de Michelson-Morley sur la dérive de la Terre à travers un éther lumineux . Inversement, Einstein a reçu le prix Nobel pour avoir expliqué l' effet photoélectrique , auparavant un résultat expérimental dépourvu de formulation théorique.

Aperçu

Une théorie physique est un modèle d'événements physiques. Elle est jugée par la mesure dans laquelle ses prédictions concordent avec les observations empiriques. La qualité d'une théorie physique se juge également sur sa capacité à faire de nouvelles prédictions qui peuvent être vérifiées par de nouvelles observations. Une théorie physique diffère d'un théorème mathématique en ce que, bien que les deux soient basés sur une certaine forme d' axiomes , le jugement de l'applicabilité mathématique n'est basé sur l'accord avec aucun résultat expérimental. Une théorie physique diffère également d'une théorie mathématique , en ce sens que le mot «théorie» a une signification différente en termes mathématiques.

Les équations pour une variété d'Einstein , utilisées en relativité générale pour décrire la courbure de l' espace - temps

Une théorie physique implique une ou plusieurs relations entre diverses quantités mesurables. Archimède s'est rendu compte qu'un navire flotte en déplaçant sa masse d'eau, Pythagore a compris la relation entre la longueur d'une corde vibrante et le ton musical qu'elle produit. D'autres exemples incluent l' entropie comme mesure de l'incertitude concernant les positions et les mouvements des particules invisibles et l' idée de mécanique quantique que (l' action et) l' énergie ne sont pas continuellement variables.

La physique théorique comprend plusieurs approches différentes. À cet égard, la physique théorique des particules constitue un bon exemple. Par exemple: les « phénoménologues » pourraient employer des formules ( semi- ) empiriques et des heuristiques pour s'accorder avec les résultats expérimentaux, souvent sans compréhension physique profonde . Les «modélisateurs» (également appelés «modélistes») ressemblent souvent à des phénoménologues, mais tentent de modéliser des théories spéculatives qui présentent certaines caractéristiques souhaitables (plutôt que sur des données expérimentales), ou d'appliquer les techniques de modélisation mathématique à des problèmes de physique. Certains tentent de créer des théories approximatives, appelées théories efficaces , car les théories pleinement développées peuvent être considérées comme insolubles ou trop compliquées . D'autres théoriciens peuvent essayer d' unifier , formaliser, réinterpréter ou généraliser des théories existantes, ou en créer de toutes nouvelles. Parfois, la vision fournie par les systèmes mathématiques purs peut fournir des indices sur la façon dont un système physique pourrait être modélisé; par exemple, la notion, due à Riemann et à d'autres, que l' espace lui-même pourrait être courbé. Les problèmes théoriques qui nécessitent une investigation informatique sont souvent la préoccupation de la physique computationnelle .

Les progrès théoriques peuvent consister à mettre de côté d'anciens paradigmes incorrects (par exemple, la théorie de l' éther de la propagation de la lumière, la théorie calorique de la chaleur, la combustion consistant en un phlogistique en évolution ou des corps astronomiques tournant autour de la Terre ) ou peuvent être un modèle alternatif qui fournit des réponses qui sont plus précis ou qui peuvent être plus largement appliqués. Dans ce dernier cas, un principe de correspondance sera nécessaire pour récupérer le résultat antérieurement connu . Cependant, les progrès peuvent parfois suivre des chemins différents. Par exemple, une théorie essentiellement correcte peut nécessiter des révisions conceptuelles ou factuelles; la théorie atomique , postulée pour la première fois il y a des millénaires (par plusieurs penseurs en Grèce et en Inde ) et la théorie des deux fluides de l'électricité en sont deux cas. Cependant, une exception à tout ce qui précède est la dualité onde-particule , une théorie combinant des aspects de différents modèles opposés via le principe de complémentarité de Bohr .

Relation entre les mathématiques et la physique

Les théories physiques sont acceptées si elles sont capables de faire des prédictions correctes et pas (ou peu) de prédictions incorrectes. La théorie devrait avoir, au moins comme objectif secondaire, une certaine économie et élégance (comparée à la beauté mathématique ), une notion parfois appelée « rasoir d'Occam » d'après le philosophe anglais du XIIIe siècle Guillaume d'Occam (ou Ockham), dans lequel le la plus simple de deux théories qui décrivent la même matière tout aussi adéquatement est préférée (mais la simplicité conceptuelle peut signifier une complexité mathématique). Ils sont également plus susceptibles d'être acceptés s'ils relient un large éventail de phénomènes. Tester les conséquences d'une théorie fait partie de la méthode scientifique .

Les théories physiques peuvent être regroupées en trois catégories: les théories dominantes , les théories proposées et les théories marginales .

Histoire

Informations complémentaires: Histoire de la physique

La physique théorique a commencé il y a au moins 2300 ans, sous la philosophie présocratique , et s'est poursuivie par Platon et Aristote , dont les vues ont régné pendant un millénaire. Pendant l'essor des universités médiévales , les seules disciplines intellectuelles reconnues étaient les sept arts libéraux du Trivium comme la grammaire , la logique et la rhétorique et du Quadrivium comme l' arithmétique , la géométrie , la musique et l' astronomie . Au Moyen Âge et à la Renaissance , le concept de science expérimentale , contrepoint à la théorie, a commencé avec des savants comme Ibn al-Haytham et Francis Bacon . Au fur et à mesure que la révolution scientifique s'accélérait, les concepts de matière , d'énergie, d'espace, de temps et de causalité ont lentement commencé à acquérir la forme que nous connaissons aujourd'hui, et d'autres sciences se sont détournées de la rubrique de la philosophie naturelle . Ainsi commença l'ère moderne de la théorie avec le changement de paradigme copernicien en astronomie, bientôt suivi par les expressions de Johannes Kepler pour les orbites planétaires, qui résumaient les observations méticuleuses de Tycho Brahe ; les œuvres de ces hommes (aux côtés de Galilée) peuvent peut-être être considérées comme constituant la Révolution scientifique.

La grande poussée vers le concept moderne de l'explication a commencé avec Galilée , l'un des rares physiciens qui était à la fois un théoricien accompli et un grand expérimentateur . La géométrie analytique et la mécanique de Descartes ont été incorporées dans le calcul et la mécanique d' Isaac Newton , un autre théoricien / expérimentateur du plus haut niveau, écrivant Principia Mathematica . Il contenait une grande synthèse des travaux de Copernic, Galilée et Kepler; ainsi que les théories de Newton sur la mécanique et la gravitation, qui ont régné en tant que visions du monde jusqu'au début du 20e siècle. Simultanément, des progrès ont également été réalisés dans l'optique (en particulier la théorie des couleurs et l'ancienne science de l'optique géométrique ), grâce à Newton, Descartes et les Hollandais Snell et Huygens. Aux XVIIIe et XIXe siècles, Joseph-Louis Lagrange , Leonhard Euler et William Rowan Hamilton étendront considérablement la théorie de la mécanique classique. Ils ont repris l'entrelacement interactif des mathématiques et de la physique commencé deux millénaires plus tôt par Pythagore.

Parmi les grandes réalisations conceptuelles des XIXe et XXe siècles figuraient la consolidation de l'idée d' énergie (ainsi que sa conservation globale) par l'inclusion de la chaleur , de l' électricité et du magnétisme , puis de la lumière . Les lois de la thermodynamique , et surtout l'introduction du concept singulier d' entropie, ont commencé à fournir une explication macroscopique des propriétés de la matière. La mécanique statistique (suivie de la physique statistique et de la mécanique statistique quantique ) est apparue comme une ramification de la thermodynamique à la fin du 19e siècle. Un autre événement important du XIXe siècle a été la découverte de la théorie électromagnétique , unifiant les phénomènes auparavant séparés de l'électricité, du magnétisme et de la lumière.

Les piliers de la physique moderne , et peut-être les théories les plus révolutionnaires de l'histoire de la physique, ont été la théorie de la relativité et la mécanique quantique . La mécanique newtonienne a été subsumée sous la relativité restreinte et la gravité de Newton a reçu une explication cinématique par la relativité générale . La mécanique quantique a conduit à une compréhension du rayonnement du corps noir (qui était en effet une motivation originale pour la théorie) et des anomalies dans les chaleurs spécifiques des solides - et enfin à une compréhension des structures internes des atomes et des molécules . La mécanique quantique a rapidement cédé la place à la formulation de la théorie quantique des champs (QFT), commencée à la fin des années 1920. Au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, de nouveaux progrès ont suscité un regain d'intérêt pour QFT, qui avait stagné depuis les premiers efforts. La même période a également vu de nouvelles attaques sur les problèmes de supraconductivité et de transitions de phase, ainsi que les premières applications de QFT dans le domaine de la matière condensée théorique. Les années 60 et 70 ont vu la formulation du modèle standard de physique des particules utilisant QFT et des progrès en physique de la matière condensée ( fondements théoriques de la supraconductivité et des phénomènes critiques , entre autres ), parallèlement aux applications de la relativité aux problèmes d'astronomie et de cosmologie respectivement .

Toutes ces réalisations dépendaient de la physique théorique comme force motrice à la fois pour suggérer des expériences et pour consolider les résultats - souvent par une application ingénieuse des mathématiques existantes, ou, comme dans le cas de Descartes et Newton (avec Leibniz ), en inventant de nouvelles mathématiques. Les études de Fourier sur la conduction thermique ont conduit à une nouvelle branche des mathématiques: les séries infinies et orthogonales .

La physique théorique moderne tente d'unifier les théories et d'expliquer les phénomènes dans de nouvelles tentatives de compréhension de l' Univers , de l' échelle cosmologique à l' échelle des particules élémentaires . Là où l'expérimentation ne peut être faite, la physique théorique tente toujours de progresser grâce à l'utilisation de modèles mathématiques.

Théories dominantes

Les théories traditionnelles (parfois appelées théories centrales ) sont l'ensemble des connaissances des points de vue factuels et scientifiques et possèdent une qualité scientifique habituelle des tests de répétabilité, de cohérence avec la science et l'expérimentation bien établies existantes. Il existe des théories dominantes qui sont des théories généralement acceptées basées uniquement sur leurs effets expliquant une grande variété de données, bien que la détection, l'explication et la composition possible soient des sujets de débat.

Exemples

Théories proposées

Les théories de la physique proposées sont généralement des théories relativement nouvelles qui traitent de l'étude de la physique qui incluent des approches scientifiques, des moyens pour déterminer la validité des modèles et de nouveaux types de raisonnement utilisés pour arriver à la théorie. Cependant, certaines théories proposées incluent des théories qui existent depuis des décennies et qui ont échappé aux méthodes de découverte et de test. Les théories proposées peuvent inclure des théories marginales en cours d'établissement (et, parfois, de plus en plus acceptées). Les théories proposées n'ont généralement pas été testées. En plus des théories comme celles énumérées ci-dessous, il existe également différentes interprétations de la mécanique quantique , qui peuvent ou non être considérées comme des théories différentes, car il est discutable si elles donnent des prédictions différentes pour les expériences physiques, même en principe.

Exemples

Théories marginales

Les théories marginales incluent tout nouveau domaine d'activité scientifique en cours d'établissement et certaines théories proposées. Cela peut inclure des sciences spéculatives. Cela comprend les domaines de la physique et les théories physiques présentés conformément à des preuves connues, et un ensemble de prédictions associées ont été faites selon cette théorie.

Certaines théories marginales deviennent une partie largement acceptée de la physique. D'autres théories marginales finissent par être réfutées. Certaines théories marginales sont une forme de protoscience et d'autres une forme de pseudoscience . La falsification de la théorie originale conduit parfois à une reformulation de la théorie.

Exemples

Expériences de pensée vs expériences réelles

Article principal: Expérience de pensée

Les expériences de «pensée» sont des situations créées dans son esprit, posant une question semblable à «supposons que vous soyez dans cette situation, en supposant que c'est vrai, que suivrait-il?». Ils sont généralement créés pour étudier des phénomènes qui ne sont pas facilement expérimentés dans des situations de tous les jours. Des exemples célèbres de telles expériences de pensée sont le chat de Schrödinger , l' expérience de pensée EPR , de simples illustrations de la dilatation du temps , etc. Celles-ci conduisent généralement à de véritables expériences destinées à vérifier que la conclusion (et donc les hypothèses) des expériences de pensée sont correctes. L'expérience de pensée EPR a conduit aux inégalités de Bell , qui ont ensuite été testées à divers degrés de rigueur , conduisant à l'acceptation de la formulation actuelle de la mécanique quantique et du probabilisme comme hypothèse de travail .

Voir également

Remarques

Les références

Lectures complémentaires

Le livre le plus vendu en trois volumes couvrant l'étendue de la physique. Référence pour les étudiants (sous) diplômés et les chercheurs professionnels.
Célèbre série de livres traitant des concepts théoriques de la physique couvrant 10 volumes, traduits dans de nombreuses langues et réimprimés au cours de nombreuses éditions. Souvent appelé simplement "Landau et Lifschits" ou "Landau-Lifschits" dans la littérature.
Un ensemble de conférences données en 1909 à l'Université de Columbia .
Une série de leçons d'un maître éducateur de physiciens théoriciens.

Liens externes