fisique

La physique est la science qui tente de comprendre, de modéliser, voire d'expliquer les phénomènes naturels de l'univers. Elle correspond à l'étude du monde qui nous entoure sous toutes ses formes, des lois de sa variation et de son évolution. La modélisation des systèmes peut laisser de côté les processus chimiques et biologiques ou les inclure. La physique développe des représentations du monde expérimentalement vérifiables dans un domaine de définition donné. Elle produit donc plusieurs lectures du monde, chacune n'étant considérée comme vraie que jusqu'à un certain point. La physique telle que conceptualisée par Isaac Newton, considérée comme le modèle absolu et aujourd’hui désignée comme la physique classique, n'arrivait pas à expliquer des phénomènes naturels comme, par exemple, le rayonnement du corps noir(catastrophe ultraviolette) ou les anomalies de l’orbite de la planète Mercure, ce qui posait un réel problème aux physiciens. Les tentatives effectuées pour comprendre et modéliser les phénomènes nouveaux auxquels on accédait à la fin du XIX^e siècle révisèrent en profondeur le modèle newtonien pour donner naissance à deux nouveaux ensembles de théories physiques. Certains diront qu'il existe donc trois ensembles de théories physiques établies, chacune valide dans le domaine d’applications qui lui est propre :

• La physique classique (monde des milieux solides, liquides et gazeux), toujours d'actualité, c'est elle qui s’applique, par exemple, à la construction des routes, des ponts et des avions. Elle utilise les anciennes notions de temps, d'espace, de matière et d'énergie telles que définies par Isaac Newton ;
• La physique quantique (monde microscopique des particules et des champs) qui s’applique, par exemple, à la technologie utilisée pour la production des composants électroniques (la diode à effet tunnel par exemple), la construction des lecteurs de DVD et aux LASER. Elle se fonde sur de nouvelles définitions de l'énergie et de la matière mais conserve les anciennes notions de temps et d'espace de la physique classique, ces deux dernières étant contredites par la relativité générale. La physique quantique n'a jamais été prise en défaut à ce jour ;
• La relativité générale (monde macroscopique des planètes, des trous noirs et de la gravité) qui s’applique, par exemple, à la mise au point et au traitement de l'information nécessaire au fonctionnement des systèmes GPS. Elle se fonde sur de nouvelles définitions du temps et de l'espace mais conserve les anciennes notions d'énergie et de matière de la physique classique, ces deux dernières étant contredites par la physique quantique. La relativité générale n'a jamais été prise en défaut à ce jour.

D'autres estiment que chaque branche de la physique a son importance à part entière, sans forcément s'inclure dans l'un de ces ensembles. De plus, il se trouve qu'il n'y a pas de situation physique courante où ces deux dernières théories s'appliquent en même temps. La relativité s'applique au monde macroscopique et la physique quantique au monde microscopique. Le problème actuel de la recherche en physique fondamentale est donc de tenter d'unifier ces deux dernières théories (voir Gravité quantique).

Les divisions anciennes en mécanique, calorique, acoustique, optique, électricité, magnétisme sont complétées ou remplacées par :

• la taille des éléments de structure au centre de la modélisation : particules élémentaires, noyaux atomiques, atomes, molécules,macromolécules ou polymères, grains de matière…
• les caractères des interactions à l'origine des phases ou états de la matière : plasma, gaz, liquide, solide.

La physique classique est fondée sur des théories antérieures à la relativité et aux quanta. Elle s'applique lorsque :

• soit la vitesse est très inférieure à la célérité de la lumière dans le vide ;
• soit la discontinuité des niveaux d'énergie est impossible à mettre en évidence.

La physique est née avec les expériences répétées de Galilée qui n'accepte, au-delà des principes et des conventions issus des schémas mathématiques, que des résultats mesurables et reproductibles par l'expérience. La méthode choisie permet de confirmer ou d'infirmer leshypothèses fondées sur une théorie donnée. Elle décrit de façon quantitative et modélise les êtres fondamentaux présents dans l'univers, cherche à décrire le mouvement par les forces qui s'y exercent et leurs effets. Elle développe des théories en utilisant l'outil des mathématiquespour décrire et prévoir l'évolution de systèmes.

Le mot physique a une longue histoire, il provient de φυσικη, formée sur l'étymon grec φυσις, la nature. La physika ou physica gréco-romaine est étymologiquement ce qui se rapporte à la nature ou précisément le savoir harmonieux et cyclique sur la nature dénommée φυσις. Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature qui se perpétue en restant essentiellement la même avec le retour des saisons ou des générations vivantes ; c'est le sens de René Descartes et de ses élèves Jacques Rohault et Régis1. Elle correspond alors aux sciences naturelles ou encore à la philosophie naturelle. La signification de cette physique ancienne ne convient plus aux actuelles sciences exactes que sont la physique, la chimie et la biologie, cette dernière étant la plus tardive héritière directe des sciences naturelles2.

Étymologie et évolution du sens[modifier | modifier le code]

Sections transversales des premières orbitales de l'atome d'hydrogène, le code de couleurs représentant l'amplitude de probabilitéde l'électron (noire : amplitude zéro, blanc : amplitude maximale).

C'est vraisemblablement l'ouvrage Physica d'Aristote (384-322)3 qui est à l'origine de ce mot.

Le terme « physique » vient du grec η φυσικη (ê physikê) adopté dans le monde gréco-romain, signifiant « connaissance de la nature ». Ce nom est obtenu en substantivant l'adjectif φυσικος, -η, -ον qui se traduisait alors par « qui concerne la nature ». La racine de ces termes est φυσις (physis), la nature au sens des Grecs anciens.

Le terme ancien est perpétué par la tradition de la philosophie antique. Selon Platon^{[réf. nécessaire]}, la physique est l'une des trois parties de l'enseignement de la philosophie, aux côtés de l'éthique et de lalogique. Selon son élève 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. Aristote écrit un livre sur La Physique. Ce qui échappe à la triple catégorisation et ne peut être catalogué dans la physique est dévolu à la métaphysique, c'est-à-dire ce qui va au-delà de la physique.

Au xii^e siècle, le mot savant physique est attesté en ancien français sous la double forme fusique dès 1130 ou fisique. Il a un double sens :

• La médecine se nomme fusique. Son praticien, un médecin ou autrefois un apothicaire, est dénomméfisicien dès 1155. En anglais le terme subsiste avec la graphie savante : a physician.
• La fisique est aussi la connaissance des choses de la nature. Le praticien ne soigne-t-il pas avec les dons de la nature, les herbes et les plantes, les substances minérales, animales ou végétales ?

Il n'apparaît en tant qu'adjectif qu'à la fin du quattrocento ou xv^e siècle. Loys Garbin le cite dans son vocabulaire latin-français publié à Genève en 1487, où il désigne « ce qui se rapporte à la nature » et le substantif s'affirme dorénavant science des choses naturelles. L'adjectif reste d'emploi rare avant le xvii^e siècle. Le mot physique désigne alors les « connaissances concernant les causes naturelles » et, à l'instar de la force promue par hypothèse cause du mouvement, son étude apporte l'expression « philosophie naturelle » selon un corpus universitaire gardé par Isaac Newton, auteur des principes mathématiques de philosophie naturelle. Au xviii^e siècle, la physique désigne clairement en français la science expérimentale.

Des chaires de philosophie naturelle sont établies dans certaines universités, notamment au Royaume-Uni (Oxford, Edimbourg, etc.) À Paris, on compte par exemple une chaire de philosophie naturelle au collège de Clermont, occupée notamment par Ignace-Gaston Pardies. Maxwelloccupe quelque temps une semblable chaire à Edimbourg où l'enseignement reste un fourre-tout indigeste.

Histoire : naissance d'une science moderne[modifier | modifier le code]

Le mot physique prend son sens moderne, plus restreint et mieux défini que le sens originel, au début du xvii^e siècle avec Galilée. Selon lui, les lois de la nature s'écrivent en langage mathématique. Les principes d'inertie et de relativité ainsi que les lois découvertes semblent contredire le sens commun. La notion mathématique de mouvement que l'expérience engendre a totalement échappé à Aristote et aux prestigieux philosophes antiques.

Portrait de Galileo Galilei par Giusto Sustermans en 1636.

L'élève de Galilée, Torricelli, montre que la science ne se contente pas de calculer des trajectoires balistiques, mais elle peut aussi expliquer des phénomènes singuliers qu'on lui soumet et mettre au point des techniques. Les fontainiers de Florence ne parvenaient pas à hisser par une seule puissante pompe aspirante l'eau de l'Arno à des hauteurs dépassant trente-deux pieds, soit une dizaine de mètres. Torricelli, consulté par ses maîtres artisans dépités, constate avec eux le fait troublant, mais en procédant par expérience, il découvre le vide et détermine les capacités maximales d'élévation d'une batterie de pompes. Et les pionniers de la modélisation scientifique parmi lesquels le Français Descarteset nombre d'hydrauliciens et savants expérimentateurs des Pays-Bas ou d'Angleterre contribuent à diffuser les bases de cette physique classique qui atteint son apogée en Angleterre avec les théories d'Isaac Newton. Les corrélations des observations aux modèles sont maintenant freinées par la lourdeur de l'outil mathématique. Le hiératisme conservateur du Newton auréolé de gloire et sa longue frilosité à publier plombent la science anglaise qui possède pourtant une première grande avance. Le continent européen, en particulier l'Europe rhénane, choisit une notation souple initiée par Leibniz et s'impose en mathématique et physique, disciplines souvent très peu dissociables. Ainsi les Bernoulli, Huyghens … jusqu'à Gauss font-ils rayonner la physique continentale.

À l'université de Paris, les professeurs ne sont nullement des chercheurs confrontés à des situations concrètes et triviales de terrain, l'aristotélisme fournissant des cadres de classement et un ordre apparemment rigoureux domine encore les cours de philosophie naturelle jusque dans les années 1690, à partir desquelles il est progressivement remplacé par un cartésianismesophistiqué, 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.»

La science n'a pu éviter deux terribles écueils qui ont énormément paralysé sa croissance : le positivisme illustré par l'influence d'Auguste Comte et d'Émile Littré et les dérives philosophiques, heureuses si elles n'étaient limitées qu'à l'emploi de la catégorie philosophie naturelle.

Le Littré donne des définitions apparemment 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 »4.