La Physique Quantique

La Physique Quantique

Mis à jour le vendredi 6 décembre 2013
La Remise en Cause de la Théorie Classique

La Physique !

Nous allons commencer notre voyage en 1850, et voir où en était la physique à ce moment-là et dans quel contexte la physique quantique a émergé. Mais d'ailleurs, c'est quoi la physique ? Vous allez le découvrir ! :)

C'est quoi la physique ?

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Galilée

Pourquoi la mer apparait bleue ? Pourquoi le bout d'une flamme est bleu ? Pourquoi les objets tombent ?... Certains hommes ont voulu trouver une réponse à ces questions, et savoir quelles lois universelles régissent le monde. Comme ces lois devaient être vraies et applicables partout, on a nommé la pratique de cette recherche du vrai "science" du latin scientia qui signifie connaissance, savoir du vrai.

Parmi les scientifiques, certains se posaient des questions sur les objets qui les entourent, soit disant inanimés (je dis soit disant car même dans un verre d'eau, tout n'est pas inanimé), ces scientifiques s’appellent les physiciens. D'ailleurs, le mot physique provient de φυσικη (prononcez phusikè) qui veut dire en grec "l'étude de la nature" ou encore "conforme à la nature".

Les physiciens se différencient des chimistes dans la mesure où les physiciens étudient les caractéristiques des objets sans les décomposer en atomes, en molécules : une balle, une voiture. On cherche à prédire leur température, leur vitesse, la pression qui s’exerce sur eux. La chimie étudie la matière, comment les molécules s'assemblent entre elles, etc.
Lorsque l'on se rapproche de l'infiniment petit, cette distinction entre les deux se fait de manière de plus en plus difficile.

Revenons à la physique : pendant des siècles, les physiciens ont étudié ce qui les entourait, un des premiers grands physiciens étant Galilée; Il fut suivi de Newton, qui découvrit (entre autres) la loi de gravitation universelle (pourquoi les pommes tombent :) ), puis de Huygens, Descartes, etc.

Les Différentes Branches de la Physique

Nous allons détailler les principales branches de la physique, et citer les découvertes majeures effectuées dans chaque d'entre elles :

Science

Description

L' Optique

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L'optique est une science qui étudie le comportement de la lumière : de quoi est-elle composée ? Newton, par son expérience des prismes montrera que la lumière est composée de plusieurs couleurs. Est-elle une particule où une onde ? Pour Newton, c'est une particule, pour Huygens, c'est une onde. Au XIXème siècle, la théorie ondulatoire semble l'emporter. Quelles lois expliquent le changement de direction de la lumière lorsque celle-ci passe d'un milieu transparent à un autre (la réfraction) ? Descartes montrera que ce changement de direction est bien prévisible.

La Thermodynamique

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Le mot "thermodynamique provient du grec $$\vartheta\varepsilon\rho\mu o\sigma$$ (thermos) : la chaleur et $$\delta\upsilon\nu\alpha\mu o\varsigma$$ (dunamos) : la force. C'est la science de la chaleur. Comment créer une échelle de température? Après de nombreuses inventions de thermomètres par Galilée et d'autres physiciens, l'échelle de température toujours utilisée de nos jours est basée sur les travaux de Celsius, ou encore ceux de Kelvin. Le zéro absolu ? C'est dans l'esprit de Guillaume Amontons qu'il est né : d'après lui, on ne pourrait dépasser une température de -273,15 °C. Comment se déplace dans l'air un gaz chaud où un gaz froid ? Sadi Carnot va nous l'expliquer en mettant au point de meilleures machines à vapeur. D'où vient l'énergie émise par un feu de bois ? Le premier principe de la thermodynamique nous renseigne à ce sujet.

L' Électromagnétisme

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L'électromagnétisme est une science apparue au XIXème siècle pour expliquer que les phénomènes magnétiques (l'attraction d'un aimant par exemple) et les phénomènes électriques sont liés. Faites tourner un aimant dans une bobine de cuivre où faites tourner une bobine de cuivre autour d'un aimant, et du courant électrique traversera la bobine. Les lois régissant ces phénomènes sont les lois de Maxwell. Si la lumière arrive à traverser le vide, c'est car c'est une onde électromagnétique, c'est à dire une onde magnétique et une onde électrique qui évoluent en parallèle et s'alimentent l'une l'autre. Le champ électrique entraine un champ magnétique et vice versa.

L' Astrophysique

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Sans doute une des plus ancienne des sciences : l'étude des astres. Un grand nombre de scientifiques grecs, romains et arabes étudièrent le ciel, Ptolémée en dessina d'ailleurs une carte, présentant la terre comme le centre du monde. Cette vision peu scientifique fut rectifiée par Copernic au XVIème. Galilée reprit ses écrits et les fit connaitre, les précisant. Il fut contraint d'abjurer par l'inquisition. Kepler découvrit que la trajectoire des planètes n'est pas ronde mais elliptique (ovale). Newton par la loi de gravitation universelle unifia physique et astrophysique. Les découvertes continuèrent, précisant de plus en plus les modèles de notre univers. Aujourd'hui encore, l'astrophysique reste une des sciences où l'on connait le moins de choses !

La Mécanique Newtonienne

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La mécanique est également une science du date de très longtemps. La mécanique trouve ses sources ans l'antiquité avec les découvertes d'Archimède par exemple. La mécanique des "forces" (tous les objets sont soumis à des forces qui les font évoluer dans l'espace) viendra plus tard avec Galilée, puis Newton, dont la découverte la plus connue est celle du principe de gravitation universelle, exprimé avec la formule : $$E_{A/B}=E_{B/A}=\frac{G\times m_A\times m _B}{d ^2}$$. C'est loin d'être se seule découverte, la plupart de celles-ci étant répertoriées dans ses livres de Mathématiques.

Cette liste est non exhaustive, et bien d'autres branches de la physique existent !

Divisons le monde !

Une galaxie, une planète, une mer, un éléphant, un arbre, un chat, une fourmi, une molécule, un atome... Les physiciens vont devoir étudier tous ces éléments, tous obéissent à des lois quasi identiques d'ailleurs. Mais il y a un problème. La voie lactée mesure 100 000 années-lumière de diamètre, soit 9 460 895 288 762 850 000 000 m. On a du mal à se le représenter. Dans l'autre sens, un atome mesure 0,000000000062 m. Très dur à se représenter également.
C'est pourquoi au XXème siècle, les physiciens ont divisé le monde en 3 niveaux :

  • L'univers : c'est infiniment grand, les galaxies, les planètes

  • Le monde macroscopique : c'est tout ce qui est à notre échelle : une pomme, une fourmi, un éléphant

  • Le monde microscopique : c'est l'infiniment petit, ce qu'on ne peut pas voir à l’œil nu : un atome, une molécule

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Les physiciens vont étudier ces milieux séparément, pour éviter de s'emmêler les pinceaux. :) Mais bon, en général, les lois restent les mêmes. les galaxies comme les arbres obéissant aux mêmes lois de gravitation. Seuls les ordres de grandeur changent.

Au XIXème siècle, les physiciens pensent avoir tout découvert, et le monde de la physique semble bien calme, ne vous inquiétez pas, cela ne va pas durer. ;)

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