Physique
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Méthodes

Théorie et expérience

Les physiciens observent, mesurent et modélisent le comportement et les interactions de la matière à travers l'espace et le temps (définis comme « phénomènes physiques »).

Une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) ou un modèle est un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) conceptuel formalisé mathématiquement, dans lequel des paramètres physiques qu'on suppose indépendants (charge, énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), par exemple) sont exprimés sous forme de variables (q, E et t) et mesurés avec des unités appropriées (coulomb, joule et seconde). La théorie relie ces variables par une ou plusieurs équations (par exemple, E=mc2). Ces relations permettent de prédire de façon quantitative le résultat d'expériences.

Une expérience est un protocole matériel permettant de mesurer certains phénomènes dont la théorie donne une représentation conceptuelle. Il est illusoire d'isoler une expérience de la théorie associée. Le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient....) ne mesure évidemment pas des choses au hasard ; il faut qu'il ait à l'esprit l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) conceptuel d'une théorie. Aristote (Aristote (en grec ancien Ἀριστοτέλης / Aristotélês) est un philosophe grec né à Stagire (actuelle Stavros) en...) n'a jamais pensé calculer le temps que met une pierre lâchée pour atteindre le sol, simplement parce que sa conception du monde (Le mot monde peut désigner :) sublunaire n'envisageait pas une telle quantification. Cette expérience a dû attendre Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence, le 8 janvier 1642) est un physicien et astronome italien du...) pour être faite. Un autre exemple d'expérience dictée (La dictée est l'opération par laquelle une personne lit ou au moins énonce à haute voix un texte cohérent selon un rythme qui permet à des auditeurs de le copier par écrit. Elle est...) nettement par un cadre conceptuel théorique est la découverte des quarks dans le cadre de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies car de...). Le physicien des particules Gell-Mann a remarqué que les particules soumises à la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) forte se répartissaient suivant une structure mathématique (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et les transformations. Les...) élégante, mais que trois positions fondamentales (au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du vieillissement, suivi de son...) mathématique de la théorie des représentations) de cette structure n'étaient pas réalisées. Il postula donc l'existence de particules plus fondamentales (au sens physique) que les protons et les neutrons. Des expériences permirent par la suite, en suivant cette théorie, de mettre en évidence leur existence.

Inversement, des expériences fines ou nouvelles ne coïncidant pas avec la théorie peuvent, ou bien remettre en cause la théorie — comme ce fut le cas du problème du corps noir (En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température. En pratique, un tel objet matériel n'existe pas, mais il représente un cas...) qui provoqua l'avènement de la mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de...) et la disparition du vitalisme ou de l'atomisme (L'atomisme est une théorie philosophique proposant une conception d'un univers composé de matière et de vide. Selon les atomistes, les atomes composant l'univers sont tous de même substance et ne diffèrent...) thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition est aussi la première dans l'histoire. La seconde...) — ou bien pousser la théorie et le modèle à intégrer de nouveaux éléments. L'exemple de la découverte de Neptune est édifiante à ce titre. Les astronomes pouvaient faire une première expérience, celle de mesurer la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) d'Uranus. Or la théorie de Newton donnait une trajectoire différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de...) de celle constatée. Pour maintenir la théorie, Urbain Le Verrier et, indépendamment, John Adams postulèrent l'existence d'une nouvelle planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la...), et d'après cette hypothèse prédirent sa position, ce qui fut avéré après une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. ...) expérience qui consista à braquer un télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la...) à l'endroit annoncé. Il est clair que l'interprétation de la première expérience est tributaire de la théorie, et la seconde n'aurait jamais pu avoir lieu sans cette même théorie et son calcul. Un autre exemple est l'existence du neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.), supposée par Pauli pour expliquer le spectre continu de la désintégration bêta, ainsi que l'apparente non-conservation du moment cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.).

La recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...)

La culture (La Culture est une civilisation pan-galactique inventée par Iain M. Banks au travers de ses romans et nouvelles de science-fiction. Décrite avec beaucoup de précision et de détail, La Culture peut...) de la recherche en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) présente une différence notable avec celle des autres sciences en ce qui concerne la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs...) entre théorie et expérience. Depuis le XXe siècle, la majorité des physiciens sont spécialisés soit en physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme mathématique.), soit en physique expérimentale (La physique expérimentale a pour but d'éprouver la valeur de vérité des théories physiques. La création d'un appareillage utilisant les principes des...). En revanche, presque tous les théoriciens renommés en chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) ou en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle...) sont également des expérimentateurs.

La simulation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...) occupe une place très importante dans la recherche en physique et ce depuis les débuts de l'informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par...). Elle permet en effet la résolution approchée de problèmes mathématiques qui ne peuvent pas être traités analytiquement. Beaucoup de théoriciens sont aussi des numériciens.

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