PRINCIPES
1.1. Analyse dimensionnelle
1.2. Notations scientifiques
1.3. Temps
1.4. Longueur
1.5. Masse
1.6. Énergie
1.7. Charge
1.8. Distributions
2.1. Constantes universelles
2.2. Constantes physiques
2.3. Constantes physico-chimiques
2.4. Constantes astrophysiques
2.5. Constantes de Planck
3.1. Principe de causalité
3.1.1. Trilemne de Fries
3.2. Principe de conservation de l'énergie
3.3. Principe de moindre action
3.4.1. Invariance par translation dans l'espace
3.4.2. Invariance par rotation dans l'espace
3.4.3. Invariance par translation dans le temps
3.4.4. Théorème de Noether
3.5. Principe de Curie
En introduisant la mécanique nous faisons enfin, après une longue incursion préalable et obligatoire dans la mathématique, nos premiers pas dans le domaine de la physique théorique... version simplifiée...
Comme nous l'avons déjà dit, la physique est donc une science fondamentale qui a une profonde influence sur toutes les autres sciences et sur la société humaine et qui a pour objectif d'expliquer le comment et non le pourquoi (voir l'introduction du site pour plus de détails). Les futurs physiciens et les futurs ingénieurs ne sont ainsi pas les seuls qui doivent avoir parfaitement compris ses idées fondamentales, mais tous ceux qui envisagent une carrière scientifique (y compris les étudiants qui se spécialisent en biologie, en chimie et en mathématiques) doivent avoir acquis la même compréhension.
Le but premier de ce site, nous insistons..., est donc de donner à l'étudiant une vue unifiée de la physique en présentant ce que nous pensons être les idées fondamentales constituant l'essentiel (minimum minimorum) de la physique contemporaine.
Jusqu'à présent, la physique est enseignée comme si elle était une juxtaposition de plusieurs sciences, plus ou moins bien reliées, mais sans aucun réel souci d'unité. Nous avons rejeté ce mode de présentation (pour l'avoir subi pendant nos études) et avons opté pour une présentation logique et unifiée en faisant au besoin à chaque fois référence à un chapitre du site qui contiendrait les démonstrations des outils mathématiques utilisés ou d'une autre théorie physique sous-jacente.
Ce site diffère des supports habituels de physique utilisés à l'université non seulement dans sa conception mais aussi dans son contenu. Nous y avons inclus des sujets fondamentaux que nous ne trouvons pas dans la plupart des cours de physique générale et les avons soigneusement développés et démontrés tout en présentant de la manière la plus pédagogique et rigoureuse possible dans la section de mathématique du site, les outils nécessaires à leurs développements.
Nous insistons sur le fait que tout étudiant devrait connaître les bases de la logique, l'arithmétique, l'algèbre, l'analyse vectorielle, le calcul tensoriel, le calcul différentiel et intégral et la géométrie analytique et différentiel avant toute étude des phénomènes physiques ceci afin de travailler avec rigueur et toute la compréhension nécessaires aux raisonnements mathématiques qui vont être introduits à partir de maintenant (les mathématiques sont les fondations de l'immense édifice de la physique théorique). Effectivement, pas un des outils ou résultats mathématiques présentés jusqu'à maintenant ne sera pas utilisé dans ce qui va suivre.
Rappelons tout de même que la "physique" est donc la "science exacte/déductive" qui s'occupe de modéliser mathématiquement au mieux les phénomènes naturels, artificiels, observables ou non-observables. En de plus brefs termes, nous pourrions parler de description de la "réalité" (quant à savoir s'il s'agit de la réalité sensible ou vraie...).
Lorsque nous voulons prédire ou décrire un phénomène physique concret, nous pouvons généralement passer par un modèle analytique où les différentes grandeurs sont exprimées par des indéterminées (valeurs abstraites) et les lois de la physique par des fonctions, dans la mesure où elles sont connues (le cas échéant, nous pouvons faire une hypothèse et la tester). En mettant en équation un phénomène physique, nous traduisons la réalité en une expérience mathématique, virtuelle, selon certaines règles. Nous procédons à une simulation de la réalité portée sur des grandeurs exprimées.
Les différentes "lois" sont élaborées historiquement très souvent sur des faits d'abord empiriques et sont vérifiées expérimentalement par la suite (voir la méthode hypotético-déductive dans le chapitre de Théorie De La Démonstration). En admettant que ces lois soient valables dans le contexte, nous pouvons donc nous attendre à ce que l'expérience mathématique soit en adéquation avec les faits expérimentaux attendus (ou inversement). Bien sûr, une expérience virtuelle n'est pas réelle et ne saurait exprimer la réalité dans toute sa subtilité. Ce n'est qu'un modèle ! Il est donc clair que la prédiction d'un phénomène physique peut diverger des faits expérimentaux réels.
Il convient aussi de préciser que la plupart des modèles théoriques que nous allons exposer sur ce site et qui font usage de l'analyse vectorielle peuvent êtres récrits avec les outils de l'analyse tensorielle et basés sur un raisonnement propre au formalisme Lagrangien (voir chapitre de Mécanique Analytique pour ce savoir ce qu'est cela...). Or, ces dernières méthodes ne peuvent êtres facilement utilisées pour une introduction simple à la physique car elles demandent des efforts supplémentaires de la part du lecteur et beaucoup plus de papier (souvent en tout cas) et de temps pour les mêmes résultats. Cependant, et nous y reviendrons, ces méthodes sont aujourd'hui incontournables et de première importance dans les différents domaines de la physique moderne comme la mécanique des fluides, la relativité générale, la physique quantique des champs, l'analyse de systèmes chaotiques et bien d'autres.
Avant de commencer notre étude des phénomènes physiques, il nous faut définir les concepts sur lesquels se base la physique théorique. Ainsi, nous verrons dans l'ordre que :
- L'être humain a créé un système d'unités de mesures et de dimensions de bases, dont les grandeurs représentatives sont arbitraires à un coefficient près, propres à identifier chaque phénomène physique de façon simple
- Certains concepts indissociables de la vision de notre environnement nous amènent à poser des hypothèses et des principes (à postuler quelque chose donc..) qui sont relatifs à notre réalité sensible tout en étant transposable à tout autre réalité de ce type.
- La physique fondamentale nous amène à considérer les fondements de la nature en tant que concepts mathématiques abstraits. Ainsi, notre observation commune nous donne une vue concrète de l'Univers alors que la physique théorique nous en donne une vue abstraite.
Nous pouvons alors êtes amenés à nous poser cependant la question suivante : les faits déterminent-ils quelle théorie est vraie ?
En observant la nature, nous pouvons constater des faites : ce sont des données que nous ne créons pas. Les astronomes par exemple, constatent la position des objets célestes. Nous comprenons un fait dans la mesure où il apparaît comme la conséquence de l'ordre des choses décrit par une théorie. Mais les théories gardent toujours le statut d'hypothèses : même lorsqu'une théorie s'accorde avec l'ensemble des faits observés, cela ne prouve pas qu'elle soit vraie. En effet, il existe toujours une infinité de théorie possibles qui sont toutes compatibles avec tous les faites observés. Nous disons alors que les faits "sous-déterminent" les théories : les faites imposent des contraintes sur les théories, au sens où, seules les théories compatibles avec les faites observés, sont acceptables. Mais ces contraintes seront toujours assez faibles pour laisser le chois parmi une infinité de théories.
Bien entendu, les scientifiques n'envisagent réellement qu'un nombre fini de théories, en fonction de ce qui paraît le plus simple dans un cadre conceptuel donné. A l'époque de Kepler, il existait par exemple trois grandes théories pour expliquer les mouvements des planètes, toutes compatibles avec les faits observés. Selon la théorie ptoléméenne, les orbites des planètes sont circulaires ou situées sur un épicycle autour de la Terre, immobile au centre de l'Univers. Dans la théorie copernicienne, le Soleil occupe le centre, les orbites des planètes et de la Terre étant situées sur des cercles et épicycles. Enfin, dans la théorie képlérienne, les orbites des planètes sont des ellipses dont le Soleil occupe un foyer.
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