28 La physique

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    Parmi les grandes thories de la physique classique, citons notamment : - Llectrostatique qui est ltude des charges lectriques immobiles et de leur interaction. En 1752, lAmricain Benja-

    min Franklin (1706-1790) invente le paratonnerre et tablit la nature lectrique de la foudre. En 1785, le Franais Char-les de Coulomb (1736-1806) nonce les premires lois exprimentales et thoriques de llectricit : il est le premier montrer exprimentalement que les charges lectriques sattirent ou se repoussent suivant une loi o intervient linverse du carr de la distance entre les charges.

    - Les premires thories atomiques : le concept moderne datome est propos par le chimiste et physicien John Dalton (1766-1844) en 1808, tandis que la notion de molcule est prcise par le physicien italien Amedeo Avogadro (1776-1856) en 1811, lorsquil publie ses travaux sur la thorie molculaire des gaz.

    - Llectromagntisme est ltude de lensemble des phnomnes lectriques et magntiques. Le lien entre llectricit et le magntisme est fait en 1873 par le physicien cossais James Clerk Maxwell (1831-1879) qui dcouvre ses quatres quations fondamentales. La nature lectromagntique de la lumire est alors tablie. Cest une vritable rvolution dans lhistoire de la physique : la lumire est une onde lectromagntique, qui nat des variations dans le temps et lespace des champs lectriques et magntiques.

    - La thermodynamique : cette thorie relie les concepts, jusque-l imprcis, de chaleur et de temprature ceux, pu-rement mcaniques, de travail et dnergie. La thermodynamique tudie donc les transformations de la matire et de lnergie des systmes macroscopiques, cest dire visibles loeil nu. La premire relation entre la chaleur et les autres formes dnergie est observe en 1798 par le physicien amricain Benjamin Rumford Thompson (1753-

    1814) qui remarque que la chaleur produite par le forage des pices dartillerie est proportionnelle au travail fourni.

    Les questionnements physiques sont trs anciens puisque durant lAntiquit les hommes sintressaient dj au comporte-ment de la matire et sinterrogeaient sur les caractristiques de lunivers. Des questions comme pourquoi les objets sans support tombent-ils par terre ? ou quelle est la forme de la Terre ? occupaient les grands savants de la Grce Antique. Parmi ceux-ci, nous pouvons citer ratosthne, Hipparque, Ptolme, Dmocrite ou encore Archimde.

    La physique peut tre dfinie comme la science qui tudie, par lexprimentation et par le dve-loppement de concepts et de thories, les proprits fondamentales de la matire, de lnergie, de lespace et du temps . La physique prsente deux grands volets : dune part la physique fondamentale, dont le but est de comprendre les phnomnes physiques et de dvelopper les connaissances que nous avons de la nature ; dautre part la physique applique, que lon appelle ainsi partir du moment o lobjet dtude est parfaitement dtermin, prcis et concret.

    Archimde est certainement lun des plus clbres physiciens de la Grce Antique. La lgende veut quun jour le roi de Syracuse (Hiron II) demanda Archimde de trouver un moyen de vrifier si la couronne quil venait de se faire fabriquer tait rellement faite dor pur. Archimde chercha inlassablement un moyen de mesurer ceci, mais en vain. Jusquau jour o, en se plongeant dans une baignoire pleine, il constata que celle-ci dbordait. Il sexclama alors: Eurka ! Eurka ! (jai trouv, jai trouv !), sauta hors de son bain et courut tout nu dans les rues pour annoncer sa dcouverte. Il allait pouvoir mesurer le volume de la couronne et celui de lor par dplacement deau. Il mit donc dans un rcipient rempli deau jusqu ras bord un poids dor gal celui de la couronne. Ensuite, il mit sa place la couronne suspecte. Comme leau dborda, il put en dduire que la couronne ntait pas faite que dor et quelle contenait de largent qui pour un mme volume a une masse plus faible que lor. Il dcouvrit ainsi un principe fondamental de lhydrostatique, communment appel principe dArchimde .

    La physique au sens moderne du terme nat vritablement au XVIIme sicle grce aux formidables apports (vus plus haut) de Copernic et de Galile en astronomie et dIsaac Newton en mcanique. On appelle ainsi physique classique lensemble des thories valides entre le XVIIme sicle et la fin du XIXme sicle.

    Source image: http://www.ugis.it/pic/archimede.jpg

    Archimde (287 av. J.-C.- 212 av. J.-C.) et son Eurka !

    La physique

    La physique classique

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    Vers 1880, la physique atteint un tat de maturit : la plupart des phnomnes connus peuvent sexpliquer par la mcanique newtonienne, la thorie lectromagntique de Maxwell, la mcanique statistique de Boltzmann et la thermodynamique. Seules quelques donnes ou phnomnes demeurent inexpliqus, comme la forme des spectres des solides et des gaz, ou la nature de lther, substance cense occuper tout lespace et transmettre les ondes lectromagntiques. Cependant, une srie de dcou-vertes remarquables au cours des dix dernires annes du XIXme sicle vient remettre en question les bases de la physique classique : leffet photolectrique par Heinrich Hertz en 1887, la nature lectronique des rayons cathodiques par Jean Perrin, les rayons X par Wilhelm Rntgen en 1895, et la radioactivit par Henri Becquerel en 1896. Pour donner une in-terprtation cohrente ces dcouvertes, il devient ncessaire dintroduire des concepts radicalement diffrents de ceux de la physique classique. Ces rsultats exprimentaux annoncent donc le dveloppement de nouvelles thories au dbut du XXme sicle et la naissance de la physique quantique.

    La physique quantique

    - La mcanique statistique : dveloppe au XIXme sicle par lEcossais James Clerk Maxwell, lAutrichien Ludwig Boltzmann (1844-1906) et lAmricain Josiah Gibbs (1839-1903), elle vise expliquer les proprits macroscopiques des corps au moyen dune tude statistique des caractristiques (position, mouvement, vitesse, nergie) de leurs consti-tuants microscopiques (atomes, molcules, etc.).

    La physique quantique (ou physique des quanta ) peut tre dfinie comme lensemble des lois physiques sappliquant lchelle de linfiniment petit. Sa naissance remonte au 14 dcembre 1900, jour o le physicien allemand Max Planck prsenta son clbre article sur le rayonnement du corps noir. Selon cet article, les changes dnergie entre la lumire et la matire ne peuvent se raliser que sous la forme de minuscules paquets discontinus : les quanta. Planck renonce ainsi la loi sacre de la continuit, pilier de la physique classique. En 1905, Albert Einstein renforce cette thorie en prouvant lexistence des quanta et en dterminant celui qui vhicule la lumire : le photon. Soulignons que la description quantique des phnomnes nest plus dterministe (comme ltait la physique classique) mais indterministe : elle ne permet pas de prvoir avec exactitude les valeurs des grandeurs physiques mises en jeu.

    La radioactivit peut tre dfinie comme la proprit de certains noyaux atomiques instables de se dsin-tgrer spontanment en mettant des particules subatomiques appeles particules alpha ou particules bta, et/ ou des rayonnements lectromagntiques appels rayons X et rayons gamma. Ce phnomne a t dcouvert sur luranium en 1896 par le physicien franais Henri Becquerel. Il a en-suite t largement tudi par les franais Pierre et Marie Curie (ds 1898) : au prix dun travail acharn, ils dcouvrirent deux nouveaux lment radioactifs, le polonium et le radium. En 1903, les trois physiciens reurent le prix Nobel de physique pour ces dcouvertes. La radioactivit fut rapidement reconnue comme la plus importante source dnergie connue. Ds 1901, elle est galement utilise en mdecine et principalement dans le traitement des cancers : les rayonnements radioac-tifs, de par lnergie quils mettent, parviennent en effet dtruire les cellules cancreuses. Aprs lInstitut du Radium (1909), la Fondation Curie est cre en 1920: elle devient un tablissement de soins et de recherche spcialis dans la lutte contre le cancer et de soins par radiothrapie.

    La radioactivit

    En lespace de quelques annes, la thorie quantique va devenir le fondement de toute la physique moderne. Ainsi par exemple, le modle atomique conu par le physicien Niels Bohr, publi entre 1913 et 1915, utilise la thorie quantique et la constante de Planck (le rapport entre la taille du quantum et la frquence du rayonnement).

    Max Planck (1858-1947), le pre de la physique quantique

    Depuis les annes 1920, la mcanique quantique a continuellement amlior la comprhension de la structure de la matire et fourni une base thorique ncessaire la comprhension de la structure de latome et des phnomnes des raies spectrales. En outre, de nouveaux domaines ont vu le jour grce lapport de la physique quantique : la physique du solide, la physique de la matire condense, la supraconductivit, la physique nuclaire et la physique des particules lmentaires qui trouvent toutes une base cohrente dans la mcanique quantique.

    A lheure actuelle, des expriences telles que la tlportation quantique occupent de nom-breuses quipes de chercheurs travers le monde. La mthode permettant de tlporter des particules a vu le jour en 1992 ; en 1997, usant dune somme dastuces remarquables, des physiciens parvenaient tlporter pour la premire fois ltat quantique dun photon. En 2002, des physiciens de lUniversit de Genve tlportaient un photon sur 2 kilomtres

    et ralisaient ainsi la premire tlportation longue distance de lhistoire, cest--dire le pre-mier transfert dune proprit dun photon sur un autre photon distant de 2 km.

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    La physique nuclaire

    Comme son nom lindique, la physique nuclaire est la science qui sintresse lensem-ble des phnomnes physiques faisant intervenir le noyau atomique. La dcouverte du neutron en 1932 par James Chadwick a fournit des informations plus prcises sur la structure du noyau, ce qui permit dexpliquer le phnomne de ra-dioa