Physique classique, explorez ses branches et ce que c'est

Nous avons souvent entendu les termes physique quantique, physique classique, physique newtonienne ou physique statistique. Mais que signifient réellement ces termes ? Aujourd'hui, nous allons apprendre ce qu'est réellement la physique classique et quels domaines scientifiques y sont inclus.

Nous verrons chacune de ses branches une à une et nous donnerons des exemples de son application dans notre vie quotidienne.

La physique classique peut être considérée comme toute physique qui n’est pas quantique. Ainsi, la cinématique, la dynamique, la thermodynamique classique, l'électrodynamique classique, l'optique ou la mécanique des fluides feraient partie de la théorie classique de la physique.

De plus, dans la catégorie de la physique classique, nous intégrons également la relativité restreinte et la relativité générale puisqu'elles font partie des théories classiques des champs.

Par conséquent, la mécanique quantique, la mécanique quantique relativiste, la mécanique statistique quantique ou la théorie quantique des champs sont des branches de la physique qui ne sont pas incluses dans ce que nous appelons la physique ou la mécanique classique.

Grâce à lui, nous pouvons expliquer la plupart des phénomènes de notre univers et plus particulièrement de notre planète. De plus, cela nous permet de calculer tout le nécessaire pour créer notre technologie. Par exemple, nous utilisons la mécanique classique pour faire voler des fusées ou des avions. Egalement pour faire flotter des bateaux ou pour calculer les forces auxquelles un bâtiment doit résister.

Dans cet article, nous parlerons des branches de la physique classique et des différences avec la physique moderne. Cependant, nous vous recommandons de lire notre article sur la mécanique quantique car il s’agit d’un monde passionnant, plein de mystères et avec de nombreuses applications intéressantes dans notre société.

Les physiciens considèrent aujourd’hui la physique classique comme toutes les branches de la physique qui n’utilisent pas la mécanique quantique pour faire leurs prédictions. La relativité restreinte, la thermodynamique, la mécanique des fluides ou la cinématique sont des exemples de ce type de physique.

La physique classique comprend de nombreuses branches d’études très différentes. Nous allons en donner une petite explication. Il est important de noter que les branches ne sont qu’un moyen de diviser les connaissances. En réalité, tout relève des mêmes lois fondamentales.

En mécanique classique, nous incluons tout ce qui concerne les lois de Newton. Toutes les lois de la dynamique et de la cinématique sont incluses dans ce domaine des sciences physiques. On peut donc le définir comme ce domaine qui étudie le mouvement des corps et leur évolution dans le temps.

Après les lois de Newton, sont apparues des reformulations de la mécanique classique qui ont permis de simplifier de nombreux problèmes physiques.

Certaines de ces reformulations sont de la mécanique lagrangienne où la trajectoire d'un corps est étudiée en trouvant la trajectoire qui minimise l'action, ou ce qui revient au même, en utilisant le fameux principe d'action minimale.

Un autre type de reformulation de la mécanique classique est la mécanique hamiltonienne. Dans de nombreux cas, la reformulation hamiltonienne est plus utile que la reformulation lagrangienne puisque ses équations sont du premier ordre et les équations dérivées de la formulation lagrangienne sont du second ordre, étant plus difficiles à résoudre.

La mécanique classique est un domaine des sciences physiques très intéressant puisque le lagrangien ou le hamiltonien sont des concepts qui s'étendent aux théories quantiques.

Par exemple, l’équation de Schrödinger est formulée à partir de l’opérateur hamiltonien, analogue à la mécanique hamiltonienne classique.

Le lagrangien est également utilisé dans la théorie quantique des champs pour définir l'énergie d'un certain champ quantique et toutes les symétries de jauge qui lui sont associées.

L'électrodynamique classique est la partie de l'électromagnétisme qui étudie l'évolution dans le temps des systèmes physiques liés aux phénomènes électriques et magnétiques.

Ces systèmes sont étudiés à l'aide d'outils mathématiques appelés champs. Par conséquent, l’objet d’étude de cette branche de la science sont les champs électriques et les champs magnétiques.

À chaque point du champ est associé un vecteur qui représente l’intensité du champ électrique/magnétique.

Le comportement des champs classiques est défini par les célèbres lois de Maxwell.

Plus tard, l’électrodynamique classique a été quantifiée pour expliquer en détail les interactions des particules chargées telles que les électrons. En simplifiant, l'électrodynamique quantique dit que les différentes interactions électromagnétiques sont dues à un échange de bosons, qui sont ici des photons.

Par conséquent, les répulsions et attractions typiques entre charges se produisent en raison de l’échange de photons virtuels. Dans une autre publication, nous aborderons plus en détail la théorie quantique des champs et plus particulièrement l’électrodynamique quantique. C'est un domaine passionnant de la physique !

Il est important de différencier l’électrodynamique classique de l’électrodynamique quantique. Dans la variante classique, nous utilisons des champs classiques pour décrire les systèmes. Dans l'électrodynamique quantique pilotée par Feynman, nous utilisons des règles de quantification pour transformer le champ classique en champ quantique.

La thermodynamique est la partie de la physique qui étudie la chaleur, la température et le travail en relation avec l'énergie, le rayonnement et les propriétés de la matière.

Il existe différentes branches de la thermodynamique. Nous avons la thermodynamique chimique, qui étudie les énergies qui se produisent dans une réaction chimique, et la thermodynamique statistique, qui étudie la thermodynamique d'un point de vue microscopique. Autrement dit, toute propriété macroscopique est une conséquence d’une moyenne de ce qui se produit au microscope.

Par exemple, la température d'un système est donnée par une moyenne de l'énergie cinétique des molécules contenues dans ledit système.

Une autre branche est la thermodynamique classique qui étudie l'échange de chaleur et d'énergie dans des systèmes proches de l'équilibre. Étudiez également les différents cycles thermodynamiques qui existent, comme le cycle de Carnot.

En bref, ce domaine tente de comprendre comment l'énergie est transférée et perdue dans tous les types de systèmes physiques que l'on peut trouver.

Certains séparent la physique classique de la relativité générale. Cependant, la majorité des physiciens dans le monde la considèrent comme faisant partie de la physique classique puisque sa formulation mathématique nécessite des définitions de champs classiques.

La relativité générale est décrite par les équations de champ d'Einstein. Ces expressions mathématiques racontent comment l'espace-temps est déformé par la matière et comment le comportement de la matière est conditionné par la courbure de l'espace-temps.

Cette théorie définit la force de gravité comme une conséquence de la courbure de l'espace-temps.

Pour définir comment le tissu espace-temps se courbe en chaque point, nous devons utiliser deux outils mathématiques très puissants : la géométrie différentielle et l'algèbre tensorielle.

Puisqu’on parle de courbures on ne peut plus utiliser l’analyse fonctionnelle qu’on apprend à l’école. Puisqu'il s'agit de problèmes définis sur des espaces vectoriels euclidiens, c'est-à-dire sur une géométrie plane. C’est pour cette raison que nous devons utiliser la puissance de la géométrie différentielle qui généralise le calcul vectoriel des espaces euclidiens en espaces topologiques spéciaux appelés variétés.

Dans les prochaines publications, nous discuterons de la relativité générale de manière plus approfondie et détaillée afin que vous puissiez comprendre une fois pour toutes de quoi il s'agit et comment Einstein a formulé les équations de champ.

La physique moderne est généralement décrite comme étant des lois et théories post-newtoniennes. La physique que nous connaissons aujourd'hui a commencé avec le livre de Newton Principia Mathematica, dans lequel les célèbres lois de Newton étaient expliquées, ainsi que la loi de la gravitation universelle.

Par conséquent, toutes les théories relativistes et quantiques font partie de la physique moderne. Il n’y a cependant pas de différence radicale entre ces deux concepts puisqu’il existe une intersection. Par exemple, la relativité générale d'Einstein est considérée comme une physique moderne, mais en même temps, elle est également considérée comme une théorie classique de la physique car elle n'est pas basée sur des principes quantiques.

La seule partie de la physique qui relève du concept de physique moderne et non classique est la mécanique quantique. Celle-ci a été formulée au début du 20ème siècle, donc, puisqu'elle a été proposée après Newton, nous la considérons comme moderne. Mais ce n’est pas classique, puisque comme nous l’avons défini dans les sections précédentes on dit qu’une théorie est classique si elle n’est pas quantique.

La physique classique, avec ses principes fondamentaux et ses lois établies, a favorisé d'innombrables applications dans divers domaines de la science, de la technologie et de l'ingénierie. De la conception de structures au fonctionnement d'appareils électroniques, la physique classique fournit le cadre conceptuel nécessaire pour comprendre et développer un large éventail de technologies et d'applications pratiques.

L’un des domaines les plus importants dans lesquels la physique classique trouve des applications est le génie civil et mécanique. Les principes de la mécanique newtonienne, tels que la loi de la gravité et les lois du mouvement, sont fondamentaux pour concevoir des structures sûres et efficaces, des ponts et bâtiments aux véhicules et machines industrielles.

L'application de la physique classique en ingénierie comprend l'analyse des forces, des contraintes, des déformations et des fluides, ainsi que l'optimisation des conceptions pour résister aux charges statiques et dynamiques. Les ingénieurs civils et mécaniques utilisent des concepts tels que la statique, la dynamique, la résistance des matériaux et la thermodynamique classique pour créer des structures et des machines sûres, fiables et efficaces.

La physique classique sous-tend également le fonctionnement des appareils électroniques et des systèmes de télécommunications. Les principes de l'électromagnétisme classique, formulés par Faraday et Maxwell, sont essentiels pour comprendre comment l'électricité et le magnétisme interagissent et se propagent dans l'espace.

En électronique, l'application de la physique classique comprend la conception et la fabrication de circuits électriques et électroniques, de dispositifs semi-conducteurs, de transistors, de diodes, d'amplificateurs et de micropuces. En télécommunications, la théorie électromagnétique classique est appliquée à la conception d'antennes, de systèmes de transmission et de réception de signaux, de réseaux de communication et de technologies sans fil.

La physique classique joue également un rôle important en médecine et en diagnostic médical. Les techniques d'imagerie telles que la radiographie, la tomodensitométrie (TDM) et l'imagerie par résonance magnétique (IRM) appliquent les principes de la physique des ondes électromagnétiques et de l'interaction du rayonnement avec la matière pour produire des images détaillées de l'intérieur du corps humain.

De plus, l'application de la physique classique en médecine comprend la conception et la fabrication de dispositifs médicaux tels que des équipements de physiothérapie, des instruments chirurgicaux, des systèmes de surveillance et des équipements de diagnostic, qui reposent tous sur les principes de la mécanique, de l'électricité et du magnétisme pour leur fonctionnement.

L'exploration de l'espace et l'étude de l'univers bénéficient également de l'application de la physique classique. Les principes de la mécanique céleste, basés sur les lois de Kepler et la loi de la gravitation universelle de Newton, permettent aux astronomes de prédire et de modéliser le mouvement des planètes, des étoiles et des galaxies au fil du temps.

Dans l'exploration spatiale, la physique classique est utilisée pour concevoir et calculer les trajectoires des sondes spatiales, des lanceurs et des satellites artificiels, ainsi que pour comprendre les phénomènes astrophysiques tels que les supernovae, les trous noirs et la formation de galaxies.