Branches de la physique

La physique est une partie de la connaissance humaine dédiée à l’étude et à la modélisation de différents phénomènes qui se déroulent dans notre univers. Cette science est très vaste et c’est pour cette raison qu’elle a été divisée en différentes branches. Les physiciens choisissent l’un de ces domaines à la fin de leurs études et s’y spécialisent.

La physique est divisée en différentes branches pour faciliter le processus d'apprentissage . Il est important de noter que nous avons sélectionné les domaines de la physique les plus pertinents. Cependant, nombre d’entre eux cohabitent les uns avec les autres. Autrement dit, il n’y a pas de séparation totale.

Il est certain qu’à mesure que nous approfondissons notre univers, de nouvelles branches de la physique émergeront. De nombreux domaines des sciences physiques qui existent aujourd’hui ont vu le jour au cours du XXe siècle, c’est-à-dire qu’ils n’ont pas plus d’un siècle.

Le domaine de la mécanique classique ou physique classique Il est basé sur les lois postulées par Newton dans son livre Principia Mathematica en 1687. Ces célèbres lois physiques décrivent le mouvement des corps et les forces qui s'exercent sur eux.

Ce domaine des sciences physiques comprend également des reformulations de la mécanique classique appelées mécanique hamiltonienne et mécanique lagrangienne qui généralisent les lois de Newton et dans de nombreux cas, ces reformulations sont plus utiles car elles facilitent les calculs.

Au sein de cette branche de la physique, sont incluses des sous-branches qu'il est également nécessaire de mentionner car elles ont joué un rôle vital pour la formulation moderne de la physique. Ceux-ci sont:

La cinématique est l'étude des lois du mouvement des corps . Son objectif est de prédire la position, la vitesse et l'accélération des corps d'étude. Quelques exemples de lois étudiées par la cinématique sont le mouvement rectiligne uniforme (MRU), le mouvement rectiligne uniforme accéléré (MRUA), les trajectoires paraboliques ou le mouvement harmonique simple, fondamentaux dans l'étude des ressorts ou des pendules.

Nous avons vu que la cinématique étudie le mouvement des corps , mais sans comprendre ce qui génère ce déplacement des corps. La dynamique est le domaine de la physique classique qui étudie les forces générées sur les corps. L'équation principale est celle fournie par la deuxième loi de Newton, la fameuse F=ma. A partir de cette expression on peut analyser les forces sur les objets et les accélérations nécessaires pour générer cette force.

La statique est la branche de la mécanique des systèmes classique qui étudie les forces qui agissent sur les systèmes rigides en équilibre , c'est-à-dire que leur accélération est nulle car aucune force extérieure n'agit sur eux.

Si vous voulez en savoir plus, vous pouvez lire notre article intéressant sur la physique classique .

Mécanique quantique C'est la partie de la physique qui étudie le plus petit monde de l'univers. , c'est-à-dire au monde atomique et subatomique. Pour ce faire, il utilise la célèbre équation de Schrödinger qui décrit l'évolution temporelle d'un système quantique.

La physique quantique a de nombreuses applications au sein même des sciences physiques et de la technologie. Il est essentiel en mécanique quantique relativiste, en théorie quantique des champs, en chimie quantique et dans l'étude de la matière condensée.

Dans le monde de la technologie, c’est également très utile. Elle est indispensable en informatique quantique ou dans divers domaines des nanotechnologies.

La relativité est le domaine de la physique qui comprend deux des contributions les plus importantes à la physique moderne du célèbre physicien Albert Einstein.

Cela inclut la relativité restreinte et la relativité générale.

La relativité restreinte nous dit que deux observateurs peuvent être témoins de réalités différentes . Par conséquent, des grandeurs physiques que l’on croyait absolues, comme le temps, deviennent relatives.

Cette discipline de la physique étudie également les relations mathématiques entre les observateurs possédant différents points de coordonnées à travers ce que l'on appelle les transformations de Lorentz. Les lois physiques de deux observateurs ayant un point de vue différent sur la réalité ne changent pas sous ces transformations mathématiques. Ce sont des invariants de Lorentz.

Par exemple, les lois de Newton ne dépendent pas des coordonnées de l'observateur, elles sont universelles et indépendantes du point de vue de la personne.

relativité générale généralise la relativité restreinte et ajoute du temps à l'équation . Cela nous indique que le temps et l’espace font partie du même ensemble appelé espace-temps.

La base de la relativité générale repose sur les équations de champ d'Einstein qui relient la densité d'un objet à la déformation qu'il provoque dans l'espace-temps.

Elle explique la gravité, qui la traite comme la conséquence géométrique de la courbure du tissu de l'espace-temps.

Pour comprendre cette discipline, des connaissances mathématiques avancées en géométrie différentielle, en algèbre tensorielle et en topologie sont nécessaires.

thermodynamique étudie les transferts d'énergie et plus particulièrement la chaleur et le travail qui peut être généré avec cela. La thermodynamique étudie les systèmes à un niveau macroscopique et de son étude découlent les trois célèbres lois de la thermodynamique.

Il Première loi de la thermodynamique Il postule que l’énergie n’est ni créée ni détruite, seulement transformée. C'est le principe de conservation de l'énergie ou ce qui revient au même, l'énergie interne d'un système fermé ne varie pas.

La Deuxième loi de la thermodynamique aborde l'un des termes les plus difficiles à comprendre, l'entropie. Ce principe dit que l'énergie totale de l'univers augmente toujours. Il est possible que localement l'entropie diminue grâce à l'apport d'énergie externe. Cependant, l’entropie totale de l’univers augmente toujours.

La Troisième loi de la thermodynamique dit qu'il est impossible d'atteindre le zéro absolu (-273,15 ºC).

Le domaine de la thermodynamique utilise ces principes comme base pour dériver le reste des équations.

La physique statistique est l'étude des systèmes physiques d'un point de vue microscopique et statistique . On pourrait dire que c'est la version microscopique de la thermodynamique.

Comme nous l’avons vu précédemment, la thermodynamique étudie les grandeurs à un niveau macroscopique. En physique statistique, nous considérons ces grandeurs comme une moyenne de ce qui se passe au niveau moléculaire.

Par exemple, nous pouvons voir la température comme une moyenne de la vitesse cinétique des particules. Par conséquent, en faisant la moyenne de cette énergie, nous pouvons obtenir la variable macroscopique qui serait la température.

Un autre exemple est l'entropie. Au niveau moléculaire, l'entropie est définie comme une grandeur proportionnelle au nombre de microétats d'un système. Par conséquent, en utilisant la mécanique statistique, nous pouvons calculer tous les microétats d’un système et obtenir la variable macroscopique, qui dans ce cas est l’entropie.

Si nous appliquons les lois de la mécanique quantique à la physique statistique, nous obtenons alors la mécanique statistique quantique.

L'optique est le domaine de la physique qui étudie les propriétés et le comportement de la lumière dans des situations différentes.

Certains de ces phénomènes sont la réfraction, la réflexion ou la dispersion des photons lors de l'interaction avec la matière.

L'optique a de nombreuses applications dans notre vie quotidienne. Par exemple, nos lunettes ou les microscopes utilisés dans les laboratoires du monde entier sont possibles grâce à cette branche de la science.

Il est également essentiel pour moi d'écrire cette publication et pour vous de la lire puisque ce sont ses principes qui rendent possible le transfert d'informations par fibre optique.

L'acoustique est l'étude de la propagation des ondes mécaniques à travers différents milieux. Il s’agit essentiellement de comprendre le comportement des sons et des ultrasons et comment ils affectent les corps.

Au sein de cette branche de la physique, il existe différentes sous-branches selon le domaine scientifique où les lois de l'acoustique sont appliquées. Certaines d'entre elles sont:

Étudiez les différents mécanismes par lesquels les animaux utilisent les sons pour interagir avec leur environnement. Par exemple, les chauves-souris utilisent les ultrasons pour s'orienter, les dauphins utilisent des émissions sonores basses et hautes fréquences pour l'écholocation, ou les chiens aboient pour communiquer.

L'aéroacoustique étudie les sons générés par les écoulements de fluides turbulents. Une application courante consiste à tenter de réduire le bruit généré dans les aéroports par les avions et de réduire le stress que ces sons peuvent générer pour les habitants des lieux proches des aéroports.

La branche de l'électroacoustique étudie la transformation des impulsions électriques en sons et vice versa. Il est essentiel de pouvoir concevoir des enceintes ou des microphones de qualité.

L'acoustique musicale tente de comprendre la physique des sons. Comprenez comment ceux-ci se propagent à travers les instruments ou les voix humaines. De cette façon, vous pouvez améliorer les instruments de musique et obtenir une meilleure qualité sonore.

Ce domaine scientifique se concentre sur l'étude du comportement des liquides et des gaz en mouvement et au repos. Le mouvement des fluides peut être décrit à l’aide des célèbres équations de Navier-Stokes.

Avec ces équations, il est possible de décrire des phénomènes très complexes tels que la dynamique de l'atmosphère, les courants océaniques ou le flux d'air généré par les avions.

Les équations de Navier-Stokes sont très complexes et il n’existe pas de solutions analytiques. C'est pourquoi des calculs numériques doivent être utilisés pour approximer les solutions à ces problèmes.

La météorologie est le domaine de la physique qui étudie la météo à travers la physique des fluides appliquée à l'atmosphère. Grâce à des calculs complexes, souvent effectués sur des superordinateurs, le comportement du vent ou des nuages ​​peut être approximé et la météo des prochains jours peut être prédite avec assez de précision.

La biophysique C'est le domaine de la connaissance qui combine les connaissances de la biologie et de la physique pour comprendre différents phénomènes qui se produisent chez les êtres vivants.

Les experts de cette branche de la physique doivent très bien comprendre la relation entre ces deux disciplines scientifiques pour comprendre en détail les processus biochimiques qui se déroulent dans les organismes vivants. Il existe différentes branches en biophysique. Regardons quelques exemples.

La biologie structurale utilise des superordinateurs pour effectuer des calculs complexes et simuler la dynamique des protéines ou du matériel génétique. Certaines applications de la biologie structurale sont la conception d'enzymes ou de médicaments.

La bioénergétique vise à étudier le transfert d'énergie qui s'effectue à travers différentes voies métaboliques. La génération de molécules énergétiques comme l'ATP ou son utilisation pour réaliser toutes les fonctions vitales sont des objets d'étude dans cette discipline.

La cosmologie est le domaine de connaissance qui vise à comprendre la naissance et l'évolution de notre univers. La cosmologie utilise d'autres branches des sciences physiques comme l'astronomie ou l'astrophysique pour décrire le comportement de l'univers dans son ensemble.

L'astrophysique utilise des théories de la physique théorique telles que la relativité générale ou la mécanique statistique pour décrire des objets astronomiques. La création ou la mort des étoiles est un domaine important de l'astrophysique.

Bien que l'un des plus passionnants soit sûrement l'étude d'objets aussi mystérieux que les trous noirs ou l'existence d'autres mondes accessibles via des trous de ver.

La physique chimique est le domaine scientifique qui utilise des modèles physiques pour étudier les systèmes chimiques. Il est très courant d’utiliser la mécanique quantique et la physique statistique pour étudier les réactions chimiques et comprendre le fonctionnement des mécanismes de catalyse.

Cette branche a également une grande application en biologie structurale où les méthodes quantiques sont utilisées pour l'étude et l'optimisation des réactions enzymatiques.

La physique mathématique est le domaine scientifique qui vise à trouver des outils mathématiques pouvant être utilisés pour décrire des phénomènes physiques.

Par exemple, la relativité générale utilise des outils mathématiques complexes tels que la géométrie différentielle ou l'algèbre tensorielle.

D'autres domaines de la physique, tels que la théorie quantique des champs, utilisent la théorie des perturbations ou l'algèbre de groupe abstraite pour modéliser les interactions fondamentales de la nature.

La physique nucléaire vise à comprendre le comportement des noyaux atomiques et l'énergie qu'ils génèrent. Comprendre la fission nucléaire a permis de créer des centrales nucléaires et d'y produire de l'énergie.

Aujourd’hui, l’un des principaux objectifs de la physique des hautes énergies est de maîtriser la fusion nucléaire, car il s’agit d’un type d’énergie beaucoup plus propre que la fission nucléaire que nous avons utilisée jusqu’à présent.

La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les différentes particules fondamentales et leur comportement. Il utilise le modèle standard pour comprendre l’évolution de ces particules.

Les interactions entre particules sont étudiées à l'aide de la théorie quantique des champs qui décrit les particules fondamentales comme des excitations de champs quantiques.

Au CERN, des expériences sont menées pour tenter de comprendre ces particules les plus fondamentales d'un point de vue empirique et ainsi confirmer ou infirmer les modèles théoriques existants.

La géophysique est la branche de la connaissance qui utilise la physique pour comprendre les phénomènes de notre planète, la planète Terre.

Certaines des principales applications de la géophysique sont l'étude des tremblements de terre et de la propagation des ondes à travers la couche terrestre, l'étude de la dynamique des plaques ou les processus de rayonnement et de génération de chaleur induits par des événements tels que les volcans.

L'électromagnétisme est l'étude des champs électriques et magnétiques et du comportement des particules qui s'y trouvent.

Les lois de Maxwell unifient les différentes études sur l'électromagnétisme qui ont existé et nous permettent de décrire classiquement les forces des champs électriques et magnétiques et de faire des prédictions sur la manière dont les corps immergés dans ces champs sont affectés.

Plus tard, à partir de la version classique des champs, la version quantique des champs a été développée, donnant naissance à la branche qui étudie l'électromagnétisme au niveau quantique : l'électrodynamique quantique.

L'électrodynamique quantique est l'une des théories les plus précises dont nous disposons aujourd'hui, atteignant une précision grâce à des études expérimentales allant jusqu'à onze décimales.

La théorie des cordes est le domaine de la physique qui propose que tout soit constitué de petites cordes fondamentales qui vibrent dans différentes dimensions. Selon le mode de vibration, un type de particules ou d'autres seraient générés.

Cette théorie tente d'unifier toutes les théories existantes à ce jour. C’est d’une beauté spectaculaire puisque la relativité générale et de nombreux aspects de la mécanique quantique en émergent naturellement.

Elle est candidate pour être la théorie de tout, mais il reste encore beaucoup de travail à faire, tant physiquement que mathématiquement, pour compléter cette théorie spectaculaire. Pour en savoir plus, je recommande de lire notre article sur la théorie des cordes .

La physique de la matière condensée est sûrement la branche de la physique dans laquelle travaillent le plus de scientifiques.

Il comprend l'étude des propriétés macroscopiques et des transformations de la matière telles que la densité, la dureté ou la température.

Ces connaissances sont utilisées par les ingénieurs pour créer de nouvelles technologies ou améliorer celles existantes.