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Physique
Par Michel Vonlanthen
Mis à jour le 22 août 2023

La physique a débuté avec la mesure du temps, par l'invention du cadran solaire et du sablier.
Puis Archimède (287-212 av JC) découvrit le principe d'Archimède: "Tout corps plongé dans un liquide subit une poussée (de bas en haut) égale au volume de liquide déplacé".
Eratosthène (276-194 av JC) calcula la circonférence de la Terre. A l'aide d'un menhir, il mesura l'angle du soleil à midi à Alexandrie et trouva 7 degrés. Au même moment, à Syène, le soleil était parfaitement vertical, il arrivait au fond d'un puit. En faisant des proportions, il calcula la circonférence de la terre est arriva au nombre de 40'349 kilomètres, soit à 10% près de la vérité.
Au Moyen-âge, le physicien-astronome Alhazan (965-1039) invente le premier télescope à eau. Il parvient à expliquer certains phénomènes optiques, le principe de l'inertie et de l'attraction des masses.
Galillée (1564-1642) invente la lunette astronomique et explique le mouvement des planètes ainsi que le principe de l'inertie "Un objet soumis à aucune force, ou à des forces dont la résultante est nulle, est au repos ou en mouvement rectiligne uniforme". Ce qui deviendra plus tard la première loi de Newton. La fameuse phrase "Et pourtant elle tourne" lui est attribuée.
René Descartes (1596-1650) découvre mathématiquement les lois de la réflexion et de la réfraction de la lumière.
Isaac Newton (1643-1723) invente le télescope de Newton et décompose la lumière au moyen d'un prisme et trouve que la lumière blanche est composée de toutes les couleurs. Il explique mathématiquement les mouvements des corps au moyen de vecteurs et énonce les principes de la loi de la gravitation universelle.
Leibniz (1646-1716) découvre les lois de la conservation de l'énergie.
La thermodynamique (en grec thermo=chaleur) devient une spécialité de la physique qui explique les mouvements et l'énergie.
Maxwell (1831-1879) découvre les théories de l'électro-magnétisme: un fil parcouru par un courant électrique dégage du magnétisme. C'est le déplacement des électrons libres (le courant électrique) qui induit un champ magnétique.
Edward Morley (1838-1923) et Albert Abrahm Michelson (1852-1931) bouleversent la dynamique en déclarant que la vitesse de la lumière est constante. Un observateur arrêté et un autre se mouvant à grande vitesse verront un photon se déplacer à la même vitesse, ce qui est contraire aux lois de la mécanique classique dans laquelle un observateur mouvant verra, dans le même sens, un photon se déplacer moins vite qu'un observateur arrêté.
C'est Albert Einstein (1879-1955) qui expliquera ce phénomène grâce à sa théorie de la relativité restreinte. Selon lui, la vitesse de la lumière ne change pas, un mouvement est la conséquence de la déformation de l'espace et du temps. Plus on s'approche de la vitesse de la lumière et plus le temps ralentit. Entre 1905 et 1915, il concilie la relativité restreinte et la gravitation avec la relativité générale en démontrant que la gravitation est une déformation de l'espace-temps (E=MC2). Avec cette nouvelle théorie, les lois de la mécanique Newtonienne ne s'appliquent plus aux corps se déplaçant à très haute vitesse.
Au début du 19ème siècle, on découvre la composition de l'atome grâce à la cristallographie aux rayons X. Il est composé d'un noyau fait de protons (positifs) et de neutrons (sans charge) autour duquel tournent les électrons (négatifs).
Le nombre de protons (ou numéro atomique) détermine le type d'élément chimique de l'atome selon la table périodique des éléments (de Mendeleiev). Un seul atome, c'est l'Hydrogène, 6 le Carbone, 8 l'Oxygène, etc.
Au repos, le nombre de protons, donc de neutrons, est le même que le nombre d'électrons de l'atome. On appelle isotope un atome dont le nombre de neutrons est différent. L'équilibre électrique de l'atome n'est pas modifié puisque le neutron est neutre. Par contre certaines caractéristique de l'atome le sont, comme par exemple, son poids (qui augmente avec le nombre de neutrons), sa température de fusion, sa viscosité etc..
On utilise par exemple le carbone 14 pour dater les matières carbonées par le fait que le carbone perd ses neutrons instables lorsqu'il meurt selon une courbe précisément définie. En mesurant son nombre de neutrons restants, on obtient la position de sa mort sur la courbe de décroissance, et donc l'année de son décès pour un être vivant ou de sa combustion pour un charbon de bois.
Un matériau de même numéro atomique peut contenir plusieurs isotopes et on peut les séparer grâce aux différentes caractéristiques qu'ils ont. Par exemple on peut séparer les isotopes 235 et 238 de l'Uranium, dont les poids diffèrent, afin d'obtenir du combustible pour les centrales atomiques. Cela s'appelle enrichissement et cela se fait au moyens de milliers de centrifugeuses montées en série.
C'est Marie Curie (1867-1934) qui a donné le nom de radioactivité au phénomène de l'émission spontanée d'énergie que possèdent certains éléments comme le polonium (Marie était polonaise d'origine) et le radium.
Henri Becquerel (1852-1908) avait découvert l'activité de l'uranium en 1896 et Pierre Curie (1859-1906) et son épouse Marie réussirent à extraire le polonium et le radium du minerai d'uranium, bien plus radioactifs que ce dernier. Marie Curie devait d'ailleurs en mourir, avec les doigts rongés par la radioactivité.
Ernest Rutherford (1871-1937) fera d'extraordinaires découvertes dans la physique nucléaire: il découvre les rayons ionisants, les rayons Alpha et Beta, que le noyau de l'atome est positif et responsable de la masse de celui-ci.
Hubble (1889-1953) découvre les trous noirs et que les galaxies s'éloignent les unes des autres (contrairement aux théories de la mécanique newtonienne) à partir du "big bang"
Cela pose la question de l'avant et de l'après. Qu'avait-il avant le big bang? Et jusqu'à quand l'expansion de l'univers aura-t-elle lieu? S'il n'y avait rien avant le big bang, il faudrait alors prendre en compte l'existence de Dieu! Mais un courant de pensée explique cela différemment. L'univers serait en expansion jusqu'à ce que les forces de la gravité deviennent tellement faibles du fait de l'éloignement des étoiles que le mouvement s'inverse et que l'univers se contracte jusqu'à atteindre le point du big bang. A ce moment-là le mouvement s'inverse et l'univers repart en expansion. En quelque sorte un mouvement perpétuel qui permettrait d'éviter de devoir imaginer le concept de Dieu pour expliquer le monde.
Au début du 20ème siècle, on pensait que l'atome n'était composée que de protons, de neutrons et d'électrons, c'était la physique classique, newtonienne. Mais on n'arrivait pas à expliquer certains phénomènes. Einstein émit alors sa théorie de la relativité, qui explique le comportement de la matière lorsque sa vitesse approche celle de la lumière. En 1900, Max Planck (1858-1947) découvrit les quantas de matières, les éléments les plus petits de celle-ci parce qu'indivisibles, c'est le domaine de l'infiniment petit, celui de la physique quantique.
A l'échelle d'un atome, chacun de ses composants a une valeur absolue de masse et de vitesse. Si on agrandit encore tout cela, on s'aperçoit alors que certaines particules n'ont plus de valeurs absolues à un moment donné mais semblent varier comme si elles se trouvaient sur la trajectoire d'une onde. Elles ne sont plus de la matière (corpuscule), mais onde (ondulatoire). On ne peut mesurer ni leur énergie ni leur vitesse car si on le fait, on obtient des valeurs qui semblent aléatoires mais qui en réalité se trouvent figées à ce moment-là à un point de la trajectoire de l'onde. Hors de toute intervention humaine, la corpuscule quantique n'a pas d'état défini, c'est une onde, mais lorsqu'on la mesure, elle se fige et devient un "grain de matière" qui a alors une masse et une vitesse. C'est cette particularité qui est difficile à comprendre car elle n'est pas du tout intuitive.
Le graal des physiciens, que tous recherchent, est de réussir à unifier les théories et de n'en faire plus qu'une seule. Car pour le moment, on en a trois différentes: la physique quantique pour expliquer l'infiniment petit, la relativité restreinte pour expliquer ce qui se déplace près de la vitesse de la lumière et la physique classique, newtonienne, pour le reste.
En physique des particules, plus on cherche et plus on trouve de particules différentes. Mais ce sont des particules qui ont des durées de vie très courtes, de nano ou des picosecondes la plupart du temps. Le CERN, le Centre Européen de Recherches Nucléaires qui possède le plus grand accélérateur du monde, vient de découvrir le Boson de Higgs, du nom du savant qui avait théoriquement défini son existence. Mais hélas cela n'éclaire pas plus le "grand merdier" (titre du livre le Louis Leprince-Ringuet) de la physique actuelle.
Par contre la recherche fondamentale et sur les applications de la physique quantique sont impressionnantes. Grâce à elle on a réussi à expliquer l'électromagnétisme et découvrir le transistor, le laser, les diodes électroluminescentes, etc.
Reste la phrase d'un des inventeurs de la physique quantique, Richard Feynman: "Je crois pouvoir affirmer que personne ne comprend vraiment la physique quantique".
Pour en savoir plus
▼ Du plus complexe au plus simple ▼
Complexe, grand = fragile
SOCIOLOGIE -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Etudie la société, ensemble d'organismes vivants
BIOLOGIE -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Etudie les organismes vivants.
Les principaux caractères universels du vivant sont :
CHIMIE ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Etudie les atomes, les molécules, les réactions chimiques et les forces qui favorisent les réactions chimiques.
Atome
Formé d'un noyau composé de protons (+) et de neutrons (neutres) autour duquel gravitent des électrons (-) disposées en couches circulaires autour du noyau.
Le nombre de protons (= nombre d'électrons) détermine l'identité chimique de l'atome. Le tableau périodique des éléments (de Mendeleev) en donne le classement exhaustif.
Le nombre de neutrons ne change pas l'identité chimique mais il modifie les propriétés de l'atome s'il diffère du nombre de protons (= isotope). On connaît actuellement environ 325 isotopes naturels et 1200 isotopes créés artificiellement.
Molécule
Formée d'atomes. Plus petite partie qui conserve toutes les caractéristique d'un corps composé.
PHYSIQUE ---------------------------------------------------------------------------------
Science qui essaie de comprendre, de modéliser et d'expliquer les phénomènes naturels de l'Univers
PHYSIQUE NUCLEAIRE -----------------------------------------------------------------------------------------------
Etudie le noyau de l'atome
Noyau
Constitué de neutrons (neutre) et de protons (+).
PHYSIQUE DES PARTICULES --------------------------------------------------------------------------------------
Etudie les particules élémentaires au sein du noyau
Quarks
Particule élémentaire, un constituant de la matière observable.
Les quarks s'associent entre eux pour former des hadrons, particules composites, dont les protons et les neutrons sont des exemples connus, parmi d'autres.
En raison d'une propriété dite de confinement (effet quantique), les quarks ne peuvent être isolés, et n'ont pas pu être observés directement; tout ce que l'on sait des quarks provient donc indirectement de l'observation des hadrons.
PHYSIQUE CLASSIQUE -----------------------------------------------------------------------------------------------
Etudie les milieux solides, liquides et gazeux lorsque leur vitesse est très inférieure à celle de la lumière
RELATIVITE GENERALE ----------------------------------------------------------------------------------------------
Etudie les milieux solides, liquides et gazeux lorsque leur vitesse proche de celle de la lumière
PHYSIQUE QUANTIQUE -----------------------------------------------------------------------------------------------
Etudie les mondes microscopiques (les plus petits qui existent) et les champs.
Difficile à comprendre car contre intuitive.
Quanta
La plus petite partie d'un corps. Ne se divise pas
Simple, petit = robuste
Les expériences célèbres
de la physique quantique