la physique

La physique est une science , les phénomènes fondamentaux de la nature étudiés. Afin d'expliquer leurs propriétés et leur comportement à l'aide de modèles et de lois quantitatifs , elle traite notamment de la matière et de l' énergie et de leurs interactions dans l' espace et le temps .

Expliquer signifie ici classer, comparer, attribuer des phénomènes plus généraux ou inférer des lois générales de la nature . Cela nécessite souvent la formation de nouveaux termes adaptés , parfois aussi ceux qui ne sont plus accessibles à l'observation directe. La physique ne peut pas fournir d'explications au sens philosophique du « pourquoi » la nature se comporte ainsi. Au lieu de cela, il traite du "comment". Par exemple, elle ne peut pas expliquer pourquoi les foules s'attirent. Ce comportement ne peut être décrit qu'avec différents modèles. Newton a fait cela en supposant qu'il y a une attraction entre les corps. Einstein avait une idée complètement différente, qui a expliqué la gravité en disant que la matière courbe l'espace-temps.

Le fonctionnement de la physique consiste en l'interaction de méthodes expérimentales et de modélisation théorique . Les théories physiques font leurs preuves dans l'application aux systèmes de la nature, en ce qu'elles permettent des prédictions sur des états ultérieurs avec la connaissance de leurs états initiaux. Le progrès de la connaissance résulte du jeu de l'observation ou de l'expérimentation avec la théorie. Une théorie nouvelle ou développée peut mieux expliquer des résultats connus ou pas du tout pour la première fois et peut également stimuler de nouvelles expériences et observations, dont les résultats confirment ou contredisent ensuite la théorie. Des résultats inattendus d'observations ou d'expérimentations donnent lieu à des développements théoriques sous diverses formes, allant de l'amélioration progressive à l'abandon complet d'une théorie acceptée de longue date.

Les découvertes et les modèles de la physique sont utilisés intensivement en chimie , géologie , biologie , médecine et ingénierie .

Histoire du concept et de la discipline de la physique

La discipline de la physique dans sa forme actuelle a ses origines dans la philosophie , qui s'est intéressée aux raisons et aux causes de toutes choses au sens le plus large depuis les temps anciens. D' Aristote au début du XIXe siècle, la physique était comprise comme la branche de la philosophie qui traite des réalités de la nature comme la science de la nature, l'histoire naturelle, la chimie ou les mathématiques appliquées . Par rapport aux tentatives purement philosophiques d'expliquer les processus naturels, le type de connaissance que l'on peut acquérir par l'observation systématique et précise, c'est-à-dire empiriquement, n'a longtemps joué aucun rôle. Dès le milieu du XIIIe et dans le courant du XIVe siècle, des philosophes et des naturalistes individuels - pour la plupart une seule et même personne comme Roger Bacon - plaident pour que l'on accorde plus de poids à la connaissance de la nature que l'on peut obtenir par l'observation. Aux XVIe et XVIIe siècles, avec Galileo Galilei et Isaac Newton en particulier, ces tendances ont conduit au développement d'une méthodologie de la connaissance physique qui est avant tout orientée vers des normes empiriques voire expérimentales et, en cas de doute, donne même la priorité à ces sur les principes philosophiques traditionnels. Cette approche a été initialement appelée « philosophie expérimentale » et a rapidement conduit à des succès significatifs dans la compréhension de nombreux processus naturels différents. Néanmoins, ce n'est qu'au 19ème siècle qu'elle a enfin pu s'imposer en physique et ainsi l'ériger en discipline indépendante dans son sens actuel.

Du point de vue de sa méthode, de son domaine disciplinaire, de sa localisation scientifique systématique et institutionnelle, la physique se divise essentiellement en deux grands domaines. La physique théorique s'intéresse principalement aux descriptions mathématiques formelles et aux lois de la nature . Il fait abstraction des processus et des phénomènes dans la nature réelle sous la forme d'un système de modèles , de théories générales et de lois naturelles ainsi que d' hypothèses choisies intuitivement . Lorsqu'elle formule des théories et des lois, elle utilise souvent les méthodes des mathématiques et de la logique . L'objectif est de prédire théoriquement le comportement d'un système afin que celui-ci puisse être vérifié par comparaison avec les processus et phénomènes de la nature réelle. Cette vérification sous forme de mesures reproductibles sur des expériences physiques spécifiquement conçues ou par l' observation de phénomènes naturels est le domaine de la physique expérimentale . Le résultat de la vérification détermine la validité et le pouvoir prédictif du modèle et des termes, hypothèses et méthodes choisis dans celui-ci.

La physique est étroitement liée à l' ingénierie et aux autres sciences naturelles de l' astronomie et de la chimie à la biologie et aux géosciences . La physique est souvent considérée comme une science fondamentale ou fondamentale qui traite le plus étroitement avec les principes de base qui déterminent les processus naturels. La démarcation avec les autres sciences naturelles a surgi historiquement, mais devient de plus en plus difficile, notamment avec l'émergence de nouvelles disciplines scientifiques.

Dans la physique d'aujourd'hui , la frontière de la chimie marquée par la physique atomique et moléculaire et la chimie quantique est fluide. Pour la distinguer de la biologie, la physique a souvent été qualifiée de science de la nature inanimée par rapport à la nature animée, mais cela implique une limitation qui n'existe pas en physique. Les sciences de l'ingénieur se distinguent de la physique par leur relation étroite avec l'application technique pratique, puisqu'en physique la compréhension des mécanismes fondamentaux est au premier plan. L'astronomie n'a aucun moyen de réaliser des expériences de laboratoire et dépend donc uniquement de l'observation de la nature, qui sert ici à la distinguer de la physique.

méthodologie

L' acquisition de connaissances en physique est étroitement liée entre l'expérience et la théorie, c'est-à-dire qu'elle consiste en l' acquisition et l'évaluation de données empiriques et, en même temps, la création de modèles théoriques pour les expliquer . Néanmoins, des spécialisations se sont développées au cours du 20e siècle, qui façonnent particulièrement la physique professionnelle aujourd'hui. En conséquence, la physique expérimentale et la physique théorique peuvent être grossièrement distinguées l'une de l'autre.

Physique expérimentale

Alors que certaines sciences naturelles, telles que l'astronomie et la météorologie , doivent se limiter méthodologiquement en grande partie aux observations de leur objet d'investigation, en physique, l'accent est mis sur l'expérimentation. La physique expérimentale essaie de traquer les lois à travers la conception, la construction, la mise en œuvre et l'évaluation des expériences et de les décrire à l'aide de modèles empiriques. D'une part, il essaie d'innover en physique, d'autre part, il vérifie les prédictions faites par la physique théorique.

La base d'une expérience physique est d' exprimer les propriétés d'un système physique préalablement préparé, par exemple une pierre lancée, un volume de gaz enfermé ou une particule lors d'un processus de collision en mesurant sous forme numérique, par exemple la vitesse d'impact, comme la pression résultante (étant donné les conditions aux limites) ou en tant que Longueur des traces de particules observables dans le détecteur.

Plus précisément, soit seules les propriétés indépendantes du temps ( statiques ) d'un objet sont mesurées, soit le développement temporel ( dynamique ) du système est examiné, par exemple en déterminant les valeurs de début et de fin d'une variable mesurée avant et après le cours. d'un processus ou en déterminant des valeurs intermédiaires continues.

Physique théorique

La physique théorique cherche à retracer mathématiquement les modèles empiriques de la physique expérimentale jusqu'aux théories de base connues ou, si cela n'est pas possible, à développer des hypothèses pour une nouvelle théorie, qui peut ensuite être testée expérimentalement. Il tire également des prédictions vérifiables empiriquement à partir de théories déjà connues.

Lors de l'élaboration d'un modèle, la réalité est fondamentalement idéalisée ; on se concentre d'abord uniquement sur une image simplifiée afin d'en arpenter et de rechercher les aspects. Une fois que le modèle a mûri pour ces conditions, il est encore généralisé.

Le langage mathématique est utilisé pour la description théorique d'un système physique. Ses composants sont représentés par des objets mathématiques tels que des scalaires ou des vecteurs , qui sont liés les uns aux autres au moyen d' équations . Les quantités connues sont calculées à partir de quantités connues et ainsi, par exemple, le résultat d'une mesure expérimentale est prédit. Cette vision, centrée sur les quantités , distingue sensiblement la physique de la philosophie et a pour conséquence que les modèles non quantifiables, comme la conscience , ne sont pas considérés comme faisant partie de la physique.

La mesure fondamentale du succès d'une théorie scientifique est l'accord avec les observations et les expériences. En la comparant à l'expérience, on peut déterminer le domaine de validité et l'exactitude d'une théorie ; cependant, cela ne peut jamais être "prouvé". En principe, une seule expérience suffit à réfuter une théorie ou à montrer les limites de son domaine de validité, à condition qu'elle s'avère reproductible .

Physique expérimentale et physique théorique sont donc constamment interdépendantes. Cependant, il peut arriver que les résultats d'une discipline précèdent l'autre : par exemple, de nombreuses prédictions faites par la théorie des cordes ne peuvent actuellement pas être vérifiées expérimentalement ; D'autre part, de nombreuses valeurs issues du domaine de la physique des particules, dont certaines ont été mesurées très précisément , ne peuvent être calculées à l'heure actuelle (2009) en utilisant la théorie associée, la chromodynamique quantique .

Autres aspects

En plus de cette division fondamentale de la physique, une distinction est parfois faite entre d'autres sous-disciplines méthodologiques, surtout la physique mathématique et la physique appliquée . Travailler avec des simulations informatiques a également des fonctionnalités dans son propre domaine de la physique.

Physique mathématique

La physique mathématique est parfois considérée comme une branche de la physique théorique, mais en diffère par le fait que l'objet d'étude n'est pas des phénomènes physiques concrets, mais les résultats de la physique théorique elle-même. Elle fait abstraction de toute application et s'intéresse plutôt aux propriétés mathématiques de un modèle, en particulier ses symétries sous-jacentes . De cette manière, elle développe des généralisations et de nouvelles formulations mathématiques de théories déjà connues, qui à leur tour peuvent être utilisées comme matériau de travail pour les physiciens théoriciens dans la modélisation de processus empiriques.

Physique appliquée

La physique appliquée a une démarcation (floue) de la physique expérimentale, et parfois aussi de la physique théorique. Sa caractéristique essentielle est qu'il ne recherche pas un phénomène physique donné pour lui-même, mais plutôt pour utiliser les connaissances obtenues à partir de l'enquête pour résoudre un problème (généralement) non physique. Ses applications se situent dans le domaine de la technologie , mais aussi, par exemple, en économie , où les méthodes théoriques de la physique du solide sont utilisées dans la gestion des risques . Il existe également les domaines interdisciplinaires de la physique médicale , de la chimie physique , de l' astrophysique et de la biophysique .

Simulation et informatique physique

Avec le développement progressif des systèmes informatiques, au cours des dernières décennies du 20e siècle, s'est accélérée depuis environ 1990, la simulation par ordinateur en tant que nouvelle méthodologie développée au sein de la physique. Les simulations informatiques sont souvent utilisées comme lien entre la théorie et l'expérience afin d'obtenir des prédictions à partir d'une théorie ; d'autre part, les simulations peuvent également redonner une impulsion à la physique théorique sous la forme d'une théorie efficace qui réplique un résultat expérimental. Naturellement, ce domaine de la physique a de nombreux points de contact avec l' informatique .

Construction de théories

La structure théorique de la physique est basée à son origine sur la mécanique classique . Cela a été complété par d'autres théories au 19ème siècle, en particulier l' électromagnétisme et la thermodynamique . La physique moderne repose sur deux extensions du XXe siècle, la théorie de la relativité et la physique quantique , qui ont généralisé certains principes de base de la mécanique classique. Les deux théories contiennent la mécanique classique via le principe dit de correspondance comme cas limite et ont donc un domaine de validité plus large que celui-ci. Alors que la théorie de la relativité repose en partie sur les mêmes fondamentaux conceptuels que la mécanique classique, la physique quantique s'en détache clairement.

Mécanique classique

La mécanique classique a été largement fondée aux XVIe et XVIIe siècles par Galileo Galilei et Isaac Newton. En raison des possibilités techniques encore assez limitées à l'heure actuelle, les processus décrits par la mécanique classique peuvent en grande partie être observés sans aides compliquées, ce qui les rend clairs. La mécanique classique traite des systèmes à quelques corps massifs, ce qui les distingue de l' électrodynamique et de la thermodynamique. L'espace et le temps ne font pas partie de la dynamique, mais un arrière-plan immobile sur lequel se déroulent les processus physiques et les corps se déplacent. Pour les très petits objets, la physique quantique remplace la mécanique classique, tandis que la théorie de la relativité convient pour décrire des corps avec des masses et des énergies très importantes.

Le traitement mathématique de la mécanique classique a été unifié de manière décisive à la fin du XVIIIe et au début du XIXe siècle sous la forme du formalisme de Lagrange et du formalisme de Hamilton . Ces formalismes peuvent également être utilisés avec la théorie de la relativité et sont donc une partie importante de la mécanique classique. Bien que la mécanique classique ne soit valable que pour les systèmes descriptifs de taille moyenne, le traitement mathématique des systèmes complexes est mathématiquement très exigeant même dans le cadre de cette théorie. La théorie du chaos s'intéresse en grande partie à ces systèmes complexes de la mécanique classique et est actuellement (2009) un domaine de recherche actif.

Electrodynamique et optique

En électrodynamique, des phénomènes avec des charges électriques en mouvement en interaction avec des champs électriques et magnétiques variables dans le temps sont décrits. Afin de rapprocher le développement des théories de l' électricité et du magnétisme aux XVIIIe et XIXe siècles, il est devenu nécessaire d'élargir la structure théorique de la mécanique classique. Le point de départ était la loi d'induction découverte par Michael Faraday et la force de Lorentz , du nom de Hendrik Antoon Lorentz , sur une charge électrique en mouvement dans un champ magnétique. Les lois de l'électrodynamique ont été résumées par James Clerk Maxwell au 19e siècle et formulées intégralement pour la première fois sous la forme des équations de Maxwell . Fondamentalement, les systèmes électrodynamiques ont été traités avec les méthodes de la mécanique classique, mais les équations de Maxwell permettent également une solution d'onde qui décrit les ondes électromagnétiques comme la lumière. Entre autres choses, cette théorie a produit son propre formalisme sous forme d' optique ondulatoire , qui est fondamentalement différente de celle de la mécanique classique. Surtout les symétries de l'électrodynamique sont incompatibles avec celles de la mécanique classique. Cette contradiction entre les deux constructions théoriques a été résolue par la théorie de la relativité restreinte. L'optique ondulatoire est encore aujourd'hui un domaine de recherche actif (2011) sous la forme d' optique non linéaire .

thermodynamique

À peu près en même temps que l'électrodynamique, un autre complexe de théories s'est développé, la thermodynamique, qui diffère fondamentalement de la mécanique classique. Contrairement à la mécanique classique, en thermodynamique, ce ne sont pas des corps individuels qui sont au premier plan, mais un ensemble de nombreux petits blocs de construction, ce qui conduit à un formalisme radicalement différent. La thermodynamique est donc adaptée au traitement des milieux de tous états agrégés . La théorie quantique et la théorie de la relativité peuvent être intégrées dans le formalisme de la thermodynamique, car elles n'affectent que la dynamique des éléments constitutifs de l'ensemble, mais ne modifient pas fondamentalement le formalisme de description des systèmes thermodynamiques.

La thermodynamique convient, par exemple, pour décrire les moteurs thermiques mais aussi pour expliquer de nombreux sujets de recherche modernes comme la supraconductivité ou la superfluidité . Surtout dans le domaine de la physique du solide , beaucoup de travail est encore fait avec les méthodes de la thermodynamique aujourd'hui (2009).

théorie de la relativité

La théorie de la relativité fondée par Albert Einstein introduit une compréhension complètement nouvelle des phénomènes de l' espace et du temps. Selon cela, ce ne sont pas des structures d'ordre universellement valables, mais les distances spatiales et temporelles sont évaluées différemment par différents observateurs. L'espace et le temps se confondent en un espace - temps à quatre dimensions . La gravitation remonte à une courbure de cet espace-temps, qui est causée par la présence de masse ou d' énergie . Dans la théorie de la relativité, la cosmologie devient un sujet scientifique pour la première fois . La formulation de la théorie de la relativité est considérée comme le début de la physique moderne , même si elle est souvent considérée comme l'achèvement de la physique classique .

La physique quantique

La physique quantique décrit les lois de la nature dans le domaine atomique et subatomique et rompt encore plus radicalement avec les idées classiques que la théorie de la relativité. En physique quantique, les grandeurs physiques elles-mêmes font partie du formalisme et non plus de simples paramètres qui décrivent un système. Le formalisme distingue deux types d'objets, les observables , qui décrivent les quantités, et les états , qui décrivent le système. Le processus de mesure est également activement inclus dans la théorie. Dans certaines situations, cela conduit à la quantification des valeurs de taille. Cela signifie que les quantités ne prennent toujours que certaines valeurs discrètes . Dans la théorie quantique des champs , la théorie quantique relativiste la plus développée, la matière n'apparaît que par portions, les particules élémentaires ou quanta .

Les lois de la physique quantique échappent largement à la perception humaine , et même aujourd'hui, il n'y a toujours pas de consensus sur leur interprétation . Néanmoins, du point de vue de sa réussite empirique , il s'agit d'une des connaissances les mieux établies de l'humanité.

Domaines de la physique moderne

Les théories de la physique sont utilisées dans divers domaines. La division de la physique en sous-thèmes n'est pas claire et la délimitation des sous-thèmes les uns des autres est tout aussi difficile que la délimitation de la physique des autres sciences. En conséquence, il existe de nombreux chevauchements et relations mutuelles entre les différents domaines. Ici, une collection de domaines est présentée en fonction de la taille des objets considérés et au cours de cette référence est faite aux domaines qui leur sont liés. Les thèmes énumérés ne peuvent pas être clairement attribués à une théorie, mais font plutôt appel à divers concepts théoriques selon le sujet examiné.

La physique des particules

La physique des particules traite des particules élémentaires et de leurs interactions entre elles. La physique moderne connaît quatre forces fondamentales :

• La gravitation ou la gravité,
• l' interaction électromagnétique ,
• l' interaction faible qui est responsable, par exemple, de certains processus de décroissance radioactive et
• l' interaction forte qui maintient les noyaux atomiques ensemble.

Ces interactions sont décrites par l'échange de bosons dits de calibration . La physique des particules exclut actuellement la gravité (2009), car il n'existe toujours pas de théorie de la gravité quantique qui puisse décrire complètement les interactions gravitationnelles des particules élémentaires. En physique des particules, les théories quantiques relativistes sont utilisées pour décrire les phénomènes.

L'un des objectifs de la physique des particules est de décrire toutes les forces fondamentales dans un concept global unifié ( formule mondiale ). Jusqu'à présent, cependant, il n'a été possible de représenter l'interaction électromagnétique que comme une combinaison de l' interaction électrique et magnétique et également de combiner l'interaction électromagnétique et l'interaction faible en une interaction dite électrofaible . Entre autres choses, la théorie de la supersymétrie a été conçue pour combiner l'interaction électrofaible et forte, mais cela n'a pas encore été confirmé expérimentalement. Comme déjà mentionné, les plus grandes difficultés surviennent dans le domaine de la force gravitationnelle, car il n'existe pas encore de théorie de la gravité quantique, mais les particules élémentaires ne peuvent être décrites que dans le cadre de la théorie quantique.

Des expériences typiques pour tester les théories de la physique des particules sont menées dans des accélérateurs de particules avec des énergies de particules élevées. Afin d'atteindre des énergies de collision élevées, des expériences de collisionneur sont principalement utilisées, dans lesquelles les particules sont projetées les unes contre les autres et non sur une cible fixe. Par conséquent, le terme physique des hautes énergies est souvent utilisé de manière presque congruente avec le terme physique des particules. L'accélérateur de particules ayant actuellement (2011) l'énergie de collision la plus élevée est le Large Hadron Collider . Les détecteurs de neutrinos tels que le Super-Kamiokande sont spécialement conçus pour la recherche des propriétés des neutrinos et représentent donc une classe d'expériences particulière, mais néanmoins importante.

Hadron et physique nucléaire atomique

Les particules élémentaires soumises à l'interaction forte, les quarks , ne se présentent pas individuellement, mais toujours uniquement dans des états liés, les hadrons , qui comprennent le proton et le neutron . La physique des hadrons a de nombreux chevauchements avec la physique des particules élémentaires, car de nombreux phénomènes ne peuvent être expliqués qu'en tenant compte du fait que les hadrons sont constitués de quarks. Cependant, la description de l'interaction forte par la chromodynamique quantique, une théorie des champs quantique relativiste, ne peut pas prédire les propriétés des hadrons, c'est pourquoi l'étude de ces propriétés est considérée comme un domaine de recherche indépendant. Une extension de la théorie de l'interaction forte pour les petites énergies auxquelles se forment les hadrons est donc recherchée.

Les noyaux atomiques représentent le niveau supérieur de complexité par rapport aux particules élémentaires.Ils sont constitués de plusieurs nucléons , c'est-à-dire des protons et des neutrons, dont les interactions sont examinées. Dans les noyaux atomiques, l'interaction forte et électromagnétique prédomine. Les domaines de recherche en physique nucléaire comprennent la désintégration radioactive et la stabilité des noyaux atomiques. L'objectif est de développer des modèles de base qui peuvent expliquer ces phénomènes. Cependant, une élaboration détaillée de l'interaction forte comme dans la physique des hadrons est supprimée.

Les accélérateurs de particules sont utilisés pour rechercher les propriétés des hadrons, bien que l'accent ne soit pas mis ici autant sur les hautes énergies de collision qu'en physique des particules. Au lieu de cela, des expériences ciblées sont menées, qui produisent des énergies de centre de gravité plus faibles mais un nombre d'événements beaucoup plus élevé. Cependant, les expériences de collisionneur avec des ions lourds sont principalement utilisées pour acquérir des connaissances sur les hadrons. En physique nucléaire, des atomes lourds sont amenés à entrer en collision pour générer des éléments transuraniens et la radioactivité est étudiée avec une variété de configurations expérimentales.

Physique atomique et moléculaire

Les atomes sont constitués du noyau atomique et généralement de plusieurs électrons et représentent le prochain niveau de complexité de la matière.L'un des objectifs de la physique atomique est d'expliquer les spectres de raies des atomes, pour lesquels une description mécanique quantique précise des interactions entre les électrons des atomes est nécessaire. Les molécules étant constituées de plusieurs atomes, la physique moléculaire fonctionne avec des méthodes similaires, mais les grosses molécules en particulier représentent généralement des systèmes nettement plus complexes, ce qui rend les calculs beaucoup plus compliqués et nécessite souvent l'utilisation de simulations informatiques.

La physique atomique et moléculaire est étroitement liée à l'optique à travers l'étude des spectres optiques des atomes et des molécules. Par exemple, le principe fonctionnel du laser , évolution technique majeure, repose en grande partie sur les résultats de la physique atomique. Étant donné que la physique moléculaire traite également de manière intensive de la théorie des liaisons chimiques , ce domaine chevauche la chimie.

Une approche expérimentale importante est l'exposition à la lumière. Par exemple, les spectres optiques des atomes et des molécules sont liés à leurs propriétés mécaniques quantiques. Inversement, les méthodes spectroscopiques peuvent ensuite être utilisées pour étudier la composition d'un mélange de substances et pour faire des déclarations sur les éléments de l'atmosphère de l'étoile à l'aide de la lumière des étoiles. D'autres méthodes d'investigation considèrent le comportement sous l'influence de champs électriques et magnétiques. Des exemples sont la spectroscopie de masse ou le piège de Paul .

Matière condensée et dynamique des fluides

La physique de la matière condensée et la dynamique des fluides sont les domaines avec la plus grande gamme thématique dans cette liste, de la physique du solide à la physique des plasmas . Ce que tous ces domaines ont en commun, c'est qu'ils traitent de systèmes macroscopiques constitués d'un grand nombre d'atomes, de molécules ou d' ions . En conséquence, la thermodynamique est une partie importante du fondement théorique dans tous les domaines de ce sujet. Selon le problème, la théorie quantique et la théorie de la relativité sont également utilisées pour décrire les systèmes. Les simulations informatiques font également partie intégrante de la recherche sur ces systèmes à plusieurs corps.

En raison de l'éventail des sujets, il existe des chevauchements avec presque tous les autres domaines de la physique, par exemple avec l'optique sous la forme de milieux actifs au laser ou l'optique non linéaire, mais aussi avec l'acoustique, la physique atomique, nucléaire et des particules. En astrophysique également, la dynamique des fluides joue un rôle majeur dans la création de modèles pour la formation et la structure des étoiles et dans la modélisation de nombreux autres effets. De nombreux domaines de recherche sont très orientés applications, comme la recherche sur les matériaux , la physique des plasmas ou la recherche sur les supraconducteurs à haute température .

L'éventail des méthodes expérimentales dans ce domaine de la physique est très large, de sorte qu'aucune méthode typique ne peut être donnée pour l'ensemble du domaine. Les effets de la mécanique quantique tels que la supraconductivité et la superfluidité , qui sont devenus connus dans une certaine mesure, sont attribués à la physique des basses températures associée aux méthodes de refroidissement typiques.

Astrophysique et cosmologie

L'astrophysique et la cosmologie sont des domaines de recherche interdisciplinaires qui se chevauchent fortement avec l'astronomie. Presque tous les autres domaines de la physique sont inclus dans les modèles astrophysiques afin de modéliser les processus à différentes échelles de taille. Le but de ces modèles est d'expliquer les observations astronomiques sur la base de la physique connue auparavant.

La cosmologie repose notamment sur les fondements de la théorie générale de la relativité, cependant, dans le cadre de la cosmologie quantique , les théories quantiques sont également très importantes pour expliquer le développement de l'univers dans des phases beaucoup plus précoces. Le modèle standard cosmologique le plus représenté actuellement (2009) est largement basé sur les théories de la matière noire et de l'énergie noire . Jusqu'à présent, ni la matière noire ni l'énergie noire n'ont été directement démontrées expérimentalement, mais il existe un certain nombre de théories sur ce que sont exactement ces objets.

Comme les expériences ne sont possibles que de manière très limitée en astrophysique, cette branche de la physique est très dépendante de l'observation de phénomènes non influençables. Les découvertes de la physique atomique et de la physique des particules et les méthodes de mesure typiques de ces disciplines sont également utilisées pour tirer des conclusions sur les relations astrophysiques ou cosmologiques. Par exemple, donner des informations sur les spectres de la lumière des étoiles sur la répartition des éléments de l'atmosphère des étoiles, l'étude du rayonnement en hauteur permet de conclure aux rayons cosmiques et aux détecteurs de neutrinos de mesurer pour un flux de neutrinos accru de Super Nova qui est observé simultanément avec la lumière de Super Nova.

Domaines interdisciplinaires

Les méthodes de la physique sont utilisées dans de nombreux domaines qui n'appartiennent pas au domaine principal de la physique. Certaines de ces applications ont déjà été traitées dans les chapitres précédents. La liste suivante donne un bref aperçu des domaines interdisciplinaires les plus importants.

• L' astrophysique utilise des méthodes physiques pour l'étude des phénomènes astronomiques.
• En biophysique , les lois physiques auxquelles sont soumis les êtres vivants et leur interaction avec la nature sont examinées.
• La physique médicale utilise des phénomènes physiques tels que les lasers, la radioactivité, les rayons X et la résonance magnétique pour le diagnostic médical et la thérapie.
• En chimie physique , les méthodes de la physique sont appliquées aux objets de la chimie.
• La géophysique utilise des modèles et des méthodes physiques pour expliquer les processus et les problèmes géoscientifiques .
• La Physique Technique traite des connaissances physiques des applications techniques. Les domaines importants sont l'électronique quantique et la théorie des ordinateurs quantiques .
• Dans ses recherches, la physique de l'environnement s'intéresse principalement aux domaines de l'énergie et du climat .
• La sociophysique et l' éconophysique appliquent des méthodes physiques et statistiques aux phénomènes sociaux, économiques, culturels et politiques.

Limites de la connaissance physique

L'état actuel de la physique est toujours confronté à des problèmes non résolus. D'une part, il y a le cas le moins fondamental des problèmes, dont la solution est possible en principe, mais au mieux peut être approchée avec les possibilités mathématiques actuelles. D'un autre côté, il existe un certain nombre de problèmes pour lesquels on ne sait toujours pas si une solution dans le contexte des théories d'aujourd'hui sera possible. Jusqu'à présent, il n'a pas été possible de formuler une théorie unifiée décrivant les phénomènes soumis à une interaction électrofaible et forte, ainsi que ceux soumis à la gravité. Ce n'est qu'avec une telle union de la théorie quantique et de la théorie de la gravité (théorie générale de la relativité) que les quatre forces fondamentales pourraient être traitées de manière uniforme, aboutissant à une théorie unifiée des particules élémentaires.

Le candidat précédent des théories de la gravité quantique , de la supersymétrie et de la supergravité - les théories des cordes et M tentent d'atteindre une telle normalisation. En général, c'est un objectif pratiquement primordial des physiciens d'aujourd'hui de décrire tous les processus de la nature par le plus petit nombre possible des lois de la nature les plus simples possibles . Ceux-ci devraient décrire le comportement des propriétés et des objets les plus fondamentaux (comme les particules élémentaires ) afin que les processus et les objets de niveau supérieur ( émergents ) puissent être réduits à ce niveau de description.

La question de savoir si cet objectif peut être atteint en principe ou en pratique ne fait plus l'objet d'efforts individuels de connaissance physique scientifique, tout comme il existe des questions générales sur le degré de certitude que la connaissance physique peut en principe atteindre ou a réellement atteint. De telles questions font l' objet de l' épistémologie et de la philosophie des sciences . Des positions très différentes sont défendues. Il est relativement incontesté que les théories scientifiques ne sont que des hypothèses dans le sens où l'on ne peut pas savoir avec certitude si ce sont des vues vraies et justifiées. Ici, on peut être encore plus précis, en se référant à la médiation théorique et conceptuelle de toute connaissance empirique ou au fait que l'être humain en tant que sujet connaissant relève du domaine des théories physiques, mais seulement en tant qu'étranger réellement certaines connaissances pourraient. Car pour les observateurs qui interagissent avec leur objet de connaissance , il existe des limites fondamentales à la prévisibilité au sens de l'indiscernabilité de l'état présent - une limite qui s'appliquerait également si l'homme connaissait toutes les lois naturelles et que le monde était déterministe. Cette limite est d'une importance pratique dans les processus déterministes pour lesquels de petits changements dans l'état initial conduisent à de grandes déviations dans les processus d'états ultérieurs tels que décrits par la théorie du chaos . Mais non seulement une prévisibilité pratique n'est possible que dans une mesure limitée dans de nombreux cas, certains théoriciens scientifiques contestent également la capacité des modèles physiques à faire des déclarations sur la réalité. Ceci s'applique dans différentes ébauches d'un antiréalisme dit épistémologique à des degrés divers : pour différents types de concepts physiques est nié une référence réelle ou réputé inconnaissable. Certains théoriciens des sciences contestent également la possibilité de combiner des théories individuelles en principe ou probables.

Relation avec les autres sciences

La relation avec la philosophie est traditionnellement étroite, puisque la physique s'est développée à partir de la philosophie classique sans jamais la contredire fondamentalement, et selon les catégories d'aujourd'hui, de nombreux physiciens importants étaient aussi des philosophes importants et vice versa. Selon la distinction de discipline philosophique d'aujourd'hui, la physique est particulièrement liée à l' ontologie , qui essaie de décrire les structures de base de la réalité en des termes aussi généraux que possible, en plus de l' épistémologie , qui essaie de saisir les critères de qualité de la connaissance du tout, plus en particulier à la philosophie des sciences , qui essaie de déterminer les méthodes générales de la connaissance scientifique et bien sûr à la philosophie naturelle ou philosophie de la physique , qui est souvent traitée comme une sous-discipline de l'ontologie ou de la philosophie des sciences, mais travaille en tout cas plus spécifiquement en référence à la connaissance individuelle de la physique, analyse leur système conceptuel et les interprétations ontologiques des théories physiques discutées.

Les relations avec les mathématiques sont également étroites. Toute la physique utilise le langage mathématique. De nombreux physiciens importants étaient également des mathématiciens importants dans les catégories d'aujourd'hui, et vice versa.

Selon la distinction mathématique actuelle entre les disciplines, la physique est particulièrement liée à la géométrie , qui essaie de décrire les structures de base de l'espace en des termes aussi généraux que possible, et aussi à l' algèbre , plus précisément à la géométrie algébrique , à la géométrie différentielle et à la physique mathématique .

La physique dans la société

Étant donné que la physique est considérée comme la science naturelle fondamentale, les connaissances et la pensée physiques sont généralement enseignées à l'école dans le cadre d'une matière scolaire distincte. Dans le cadre du système scolaire, la physique est généralement enseignée en tant que matière mineure de la 5e à la 7e année et est souvent enseignée en tant que cours avancé dans les classes supérieures.

• La plupart des universités proposent la physique comme matière.
• L' Académie suédoise des sciences décerne chaque année le prix Nobel de physique depuis 1901 .
• La question de l' éthique de la recherche scientifique s'est posée pour la première fois explicitement lorsque des découvertes physiques à la fin des années 1930 ont suggéré la possibilité d'une bombe atomique. Ce sujet est également repris dans la littérature , par exemple dans la pièce de Friedrich Dürrenmatt Les physiciens .
• Il y a eu des tentatives d'instrumentalisation de la physique d'une manière idéologique. Par exemple, à l' époque du national-socialisme, il y avait la physique allemande , qui s'est retournée contre Einstein, et la physique militaire en tant que physique appliquée. Les représentants de ces efforts étaient le didactique de la physique et politicien scolaire Erich Günther († 1951), dont le manuel Wehrphysik (un manuel pour les enseignants) a été utilisé jusqu'en 1975, et Karl Hahn (1879-1963), qui a été nommé docteur honoris causa de l'Université. de Gießen en 1959, qui a travaillé comme Reichssacharbeiter a effacé les théories des physiciens juifs de ses manuels et dont les manuels étaient répandus jusque dans les années 1960.
• 2005 a été l' année de la physique .

Voir également

Littérature

• Ludwig Bergmann , Clemens Schaefer , Thomas Dorfmüller, Wilhelm T. Hering, Klaus Stierstadt : Manuel de physique expérimentale . 11e édition, de Gruyter, 1998, ISBN 3-11-012870-5 .
• Hans Breuer : dtv-Atlas zur Physik , tome 1, mécanique, acoustique, thermodynamique, optique, 3e édition, 46. – 60. Tsd., Dt. Taschenbuch-Verl., Munich 1992, ISBN 978-3-423-03226-1 .
• Wolfgang Demtröder : Physique Expérimentale. 4e édition, Springer, 2005, ISBN 3-540-26034-X
• Lew Dawidowitsch Landau , Jewgeni Michailowitsch Lifschitz : Manuel de physique théorique en 10 volumes, Akademie-Verlag Berlin, nouveau : Harri Deutsch-Verlag Frankfurt / Main
• Richard Feynman , Robert Leighton , Matthew Sands : Feynman conférences sur la physique Oldenbourg, 1999, ISBN 3-486-25857-5 .
• Christian Gerthsen , Dieter Meschede : Gerthsen Physique . 23e édition. Springer-Verlag, 2006, ISBN 3-540-25421-8 .
• Walter Seitter : Physique du Dasein. Éléments constitutifs d'une philosophie des apparences . Numéro spécial, Vienne 1997, ISBN 3-85449-120-4 .
• Paul A. Tipler , Gene Mosca : Physique pour les scientifiques et les ingénieurs. 2e édition, Elsevier Spektrum Akademischer Verlag, Munich / Heidelberg 2004, ISBN 3-8274-1164-5 .
• Pedro Waloschek : Dictionnaire de physique , Directmedia Publishing , Berlin 2006, ISBN 978-3-89853-541-0 .

liens web

• Société allemande de physique e. V. (DPG) - Association à but non lucratif qui favorise le transfert des connaissances au sein de la communauté scientifique avec des conférences, des événements et des publications et souhaite ouvrir une fenêtre sur la physique à tous les curieux. La plus ancienne société physique nationale du monde.
• World of Physics - Portail Internet commun de la Société allemande de physique (DPG) et du ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche (BMBF)
• Atlas d'études de physique - Offre de la conférence des départements de physique et de la Société allemande de physique avec des données sur les programmes d'études de physique en Allemagne.
• lp.uni-goettingen.de - contenu e-learning sur le canon des études de physique, Georg-August-Universität Göttingen
• www.leifiphysik.de - Portail de physique au niveau étudiant

Preuve individuelle

1. ↑ Richard Feynman a écrit : La curiosité exige que nous demandions que nous... essayions de comprendre la variété des points de vue peut-être comme le résultat de l'interaction d'un nombre relativement petit de choses et de forces élémentaires... Richard P. Feynman et al. : Feynman donne des conférences sur la physique . Tome 1, partie 1, traduit par H. Koehler. Édition allemand-anglais, Oldenbourg Verlag 1974, pages 2-1.
2. ^ Rudolf Stichweh : Sur l'émergence du système moderne des disciplines scientifiques - Physique en Allemagne 1740-1890 , Suhrkamp Verlag, Francfort 1984
3. ↑ Voir Esfeld , Naturphilosophie, 128.
4. ↑ Voir l' entrée dans Edward N. Zalta (Ed.): Stanford Encyclopedia of Philosophy .Modèle : SEP / Maintenance / Paramètre 1 et ni paramètre 2 ni paramètre 3
5. ↑ Voir le progrès scientifique. Dans : Edward N. Zalta (éd.) : Stanford Encyclopedia of Philosophy . Modèle : SEP / Maintenance / Paramètre 1 et Paramètre 2 et non Paramètre 3et L'unité de la science. Dans : Edward N. Zalta (éd.) : Stanford Encyclopedia of Philosophy . Modèle : SEP / Maintenance / Paramètre 1 et Paramètre 2 et non Paramètre 3; Esfeld, Naturphilosophie, p. 100-115.
6. ↑ Erich Günther : Manuel de physique de la défense. Francfort-sur-le-Main 1936.
7. ↑ Jörg Willer : La didactique sous le Troisième Reich avec l'exemple de la physique. Dans : Messages historiques médicaux. Revue d'histoire des sciences et de recherche spécialisée en prose. Tome 34, 2015, ISBN 978-3-86888-118-9 , pp. 105-121, ici : pp. 113 et 119.