Les concepts généraux de la physique

L'énergie, quant à elle, est la capacité d'un système à produire un travail ou à provoquer un changement. Elle existe sous différentes formes : énergie mécanique (énergie cinétique + énergie potentielle), énergie thermique, énergie électrique, énergie chimique, énergie nucléaire, etc., et elle peut se transformer d'une forme à une autre sans se perdre, selon le principe de conservation.

L'énergie et la matière sont liées par l'équation d'Einstein E=mc^2, qui montre que la masse est une forme d'énergie. 

• La matière ordinaire est constituée d'un nombre réduit de particules élémentaires : protons, neutrons et électrons. La matière se rencontre dans trois principaux états : solide, liquide et gazeux. Dans un solide, les particules sont étroitement liées et ont une structure ordonnée. Dans un liquide, les particules sont moins liées et peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres. Dans un gaz, les particules sont éloignées et se déplacent librement dans toutes les directions. Il existe aussi d'autres états de la matière, à l'instar des plasmas qui correspondent un état de la matière dans lequel les particules sont ionisées. 

• L'énergie, de façon générale, est une propriété de tout corps ou tout système matériel (un ou plusieurs corps dans une portion définie de l'espace). L'énergie totale égale alors à la somme de tous les types d'énergie qui lui sont attachés. Si ce système n'a pas d'interactions avec le reste du monde, la quantité totale d'énergie est conservée. Par exemple, en mécanique, l'énergie totale E d'un système isolé s'exprime comme la somme de l'énergie cinétique K = ½ .mv² et de l'énergie potentielle U, soit E = K + U, où K et U peuvent varier (en se transformant l'une dans l'autre), mais avec E qui reste constante. L'énergie peut aussi être transférée à un autre système ou échangée, avec sous sans transformation. Les diverses formes d'énergie peuvent se transformer les une dans les autres au cours des processus qui affectent le corps ou le système de corps concerné.

• Le temps est généralement considéré en physique classique comme une quantité absolue, indépendante de la matière et de l'espace. Il est représenté par une échelle linéaire et est habituellement mesuré en secondes, minutes, heures, jours, etc. Dans le cadre de la relativité restreinte et de la relativité générale, le concept de temps est plus complexe. Selon la relativité restreinte, le temps n'est plus absolu, mais relatif à la vitesse de déplacement d'un observateur par rapport à un autre (le temps s'écoule plus lentement pour un objet en mouvement rapide par rapport à un observateur au repos). Dans la relativité générale, le temps est aussi influencé par la gravitation. La présence d'une masse ou d'une énergie courbe l'espace-temps, ce qui a pour effet de ralentir l'écoulement du temps dans les régions où règne un fort champ gravitationnel. En physique quantique, le temps est traité comme un paramètre dans les équations et modèles, mais il peut également être considéré comme une observable dynamique, soumise à des opérateurs et à des évolutions quantiques.

• L'espace est traditionnellement représenté par les dimensions x, y et z. En physique relativiste, l'espace tridimensionnel est associé à la dimension temporelle, pour constituer l'espace-temps à quatre dimensions. Outre par sa dimension, qui est le nombre de coordonnées nécessaires pour y définir la position d'un point, l'espace peut être caractérisé par sa courbure et sa topologie. La relativité générale explique comment la courbure de l'espace peut varier en fonction de la distribution de matière et d'énergie dans l'univers. La topologie de l'espace fait référence à la structure globale de l'espace, en termes de connexions et de déformations possibles. Par exemple, l'espace peut être topologiquement équivalent à une sphère, à un tore, ou même à des espaces beaucoup plus complexes.

La masse et l'inertie sont liées à la résistance qu'oppose un objet à un changement de l'état de mouvement. Plus un objet est massif, plus il est difficile de modifier sa vitesse. 

Le concept de champ permet de représenter l'influence exercée par une force dans l'espace, comme le champ gravitationnel, le champ électrique ou le champ magnétique. Un champ attribue une grandeur (scalaire ou vectorielle) à chaque point de l'espace.

Grandeurs physiques et mesures.
Les grandeurs physiques.
On appelle grandeurs physiques les caractéristiques mesurables d'un phénomène, d'un objet ou d'un système que la physique cherche à quantifier. Chaque grandeur est associée à une unité qui permet d'exprimer sa valeur numériquement. On distingue les grandeurs fondamentales, qui ne dépendent d'aucune autre, et les grandeurs dérivées, qui s'expriment à partir des fondamentales à l'aide de relations mathématiques.

Les normes métrologiques et le Système International (SI) d'unités assurent une base commune pour toutes les mesures et comparaisons. Elles permettent une communication claire et précise entre scientifiques du monde entier, en garantissant que les mesures soient cohérentes, reproductibles et fiables. Les grandeurs fondamentales selon le Système International sont au nombre de sept : la longueur (mètre, m), la masse (kilogramme, kg), le temps (seconde, s), l'intensité électrique (ampère, A), la température thermodynamique (kelvin, K), la quantité de matière (mole, mol) et l'intensité lumineuse (candela, cd). Ces grandeurs permettent de définir toutes les autres. 

Par exemple, la vitesse est une grandeur dérivée qui se mesure en mètres par seconde (m/s) et qui correspond à une variation de position par unité de temps. L'accélération est la variation de vitesse par unité de temps, mesurée en m/s². La force, selon la deuxième loi de Newton, est le produit de la masse et de l'accélération, son unité est le newton (N), équivalente à kg·m/s². L'énergie s'exprime en joules (J), qui correspondent à des newtons multipliés par des mètres (N·m). La puissance est la quantité d'énergie transférée ou transformée par unité de temps, mesurée en watts (W), soit J/s.

Les mesures.
La mesure d'une grandeur physique repose sur une comparaison avec une référence (l'unité) et se fait avec un instrument adapté (règle pour la longueur, balance pour la masse, chronomètre pour le temps, etc.). Toute mesure comporte une incertitude, qui traduit la limite de précision liée à l'instrument ou à l'expérimentateur. Une grandeur mesurée est donc toujours accompagnée d'une estimation de son incertitude.

Les notations scientifiques et les préfixes (kilo-, méga-, milli-, micro-, etc.) sont couramment utilisés pour exprimer des valeurs très grandes ou très petites de façon plus lisible et standardisée.

Le respect des unités et la cohérence dimensionnelle sont essentiels en physique : on ne peut additionner ou comparer que des grandeurs ayant les mêmes dimensions. Cette rigueur permet d'éviter les erreurs de calcul et d'interprétation.

Les lois physiques.
La notion de loi de la physique repose sur l'observations de régularités dans la nature (que l'on appelle les lois de la nature) et fondent leur possibilité sur le principe de causalité, qui stipule que tout effet a une cause identifiable et mesurable. 

Les lois sont considérées comme les mêmes partout dans l'univers (invariance spatiale), à tout moment (invariance temporelle), et pour tous les observateurs inertiels (principe de relativité). De telles invariances sont en lien avec les principes de conservation (énergie, quantité de mouvement, moment cinétique, charge électrique) qui expriment la constance de certaines grandeurs physiques au cours des interactions, et quisont au coeur même de la construction des théorie physiques.

Les lois de la physique décrivent le comportement de la matière et de l'énergie dans l'univers. Beaucoup sont exprimées sous forme d'équations mathématiques et dérivées d'observations expérimentales et de raisonnements logiques. L'une des premières grandes lois est celle de l'attraction universelle formulée par Newton : deux corps s'attirent avec une force proportionnelle à leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Cette loi peut aussi s'exprimer par la formule F = Gm1m2/r²â€‹â€‹. Toujours en mécanique classique, les trois lois de Newton décrivent les mouvements des objets : la première loi (principe d'inertie) indique qu'un objet en mouvement ou au repos le reste si aucune force ne l'influence; la deuxième établit que la force est égale à la masse multipliée par l'accélération (F = ma); la troisième stipule que toute action entraîne une réaction égale et opposée.

La mécanique quantique introduit des lois probabilistes pour décrire le comportement des particules à l'échelle microscopique. Elle repose sur le principe d'indétermination de Heisenberg, selon lequel on ne peut connaître simultanément avec précision la position et la vitesse d'une particule. Le principe de superposition stipule qu'une particule peut exister dans plusieurs états à la fois jusqu'à ce qu'une mesure soit faite. La mécanique quantique est décrite par l'équation de Schrödinger, qui prédit l'évolution dans le temps de l'état d'un système quantique.

Toutes ces lois ne sont pas seulement des formules abstraites : elles permettent de prédire et d'expliquer tous les phénomènes physiques, des trajectoires des planètes à la structure des atomes, des réactions nucléaires dans le Soleil aux comportements des matériaux sur Terre. Elles forment le socle de notre compréhension du monde physique et de l'univers.

Outils et méthodes.
Outils.
Les mathématiques sont l'outil fondamental de la physique. Elles servent à exprimer les lois sous forme d'équations et à modéliser les comportements des systèmes physiques. Elles incluent l'algèbre, le calcul différentiel et intégral, les équations différentielles, la trigonométrie, les vecteurs, la géométrie analytique, les séries, les probabilités et la statistique. Les équations permettent de décrire des relations quantitatives entre les grandeurs physiques comme la force, l'énergie, la vitesse ou le champ électrique. La précision, la généralité et la capacité de prédiction inégalées que les équations mathématiques permettent, la puissance dont les mathématiques font preuve dans ce domaine particulier interroge et confère à la physique une place à part parmi les sciences.
 

Les instruments de mesure sont des outils indispensables pour obtenir des données expérimentales. Ils comprennent les balances, les chronomètres, les thermomètres, les voltmètres, les oscilloscopes, les interféromètres, les spectromètres et les capteurs divers. Ces appareils permettent de mesurer des grandeurs telles que la masse, le temps, la température, la tension ou la fréquence. La précision de ces instruments est essentielle.

Les outils informatiques jouent un rôle majeur dans la physique moderne. Ils permettent de résoudre numériquement des équations complexes, de simuler des phénomènes physiques (comme la turbulence, les interactions atomiques ou les collisions de particules) et d'analyser de grandes quantités de données. Les physiciens utilisent des langages de programmation comme Python ou C++ , ainsi que des logiciels spécialisés en calcul scientifique ou en visualisation de données (comme COMSOL, MATLAB, ANSYS). Les simulations numériques complètent les expériences en laboratoire et permettent d'étudier des situations inaccessibles par les méthodes classiques.

Les concepts et modèles théoriques sont également des outils essentiels. Ils comprennent les lois fondamentales, les principes de conservation, les symétries, les référentiels, les champs et les interactions. Ces outils abstraits permettent d'unifier les phénomènes sous des cadres théoriques cohérents comme la mécanique classique, la relativité, la mécanique quantique ou la physique statistique. Les diagrammes et représentations graphiques, tels que les courbes, les champs vectoriels, les diagrammes de phase ou de Feynman, facilitent l'interprétation visuelle des résultats et la compréhension des phénomènes.

Méthodes.
La physique repose fondamentalement sur la méthode scientifique, qui est un processus itératif impliquant :

• L'observation. - Recueillir des données sur les phénomènes naturels (à l'aide de télescopes, microscopes, détecteurs, capteurs, etc.).

• La formulation d'une hypothèse. - Proposer une explication ou un principe possible pour les observations.

• La prédiction. - Utiliser l'hypothèse ou la théorie pour prédire le résultat de nouvelles observations ou expériences.

• L'expérimentation. - Concevoir et réaliser des expériences contrôlées pour tester les prédictions.

• Analyse des résultats. - Comparer les résultats expérimentaux aux prédictions.

• La conclusion et la révision. - Si les résultats confirment la prédiction, la théorie est renforcée. S'ils la contredisent, la théorie doit être modifiée ou rejetée, et de nouvelles hypothèses peuvent être formulées.

Les principales branches de la physique

• La cinématique décrit le mouvement sans se soucier de ses causes (forces ou couples). Elle analyse les grandeurs telles que la position, la vitesse, l'accélération, et leur évolution dans le temps, en distinguant le mouvement de translation (déplacement linéaire) et de rotation autour d'un ou plusieurs axes. Ses outils mathématiques sont les équations du mouvement, les vecteurs, et des systèmes de coordonnées (cartésiennes, polaires, etc.), et, dans sa forme élémentaire, traite des concepts tels que le mouvement rectiligne uniforme, le mouvement rectiligne uniformément accéléré, ou encore le mouvement circulaire uniforme. 

La cinématique classique repose sur les principes de la relativité du mouvement établis par Galilée. Ceux-ci sont pertinents seulement lorsque sont impliquées des vitesses très petites par rapport à celle de la lumière et sont valables pour la plupart des applications de la vie quotidienne (nous sommes des êtres lents). Pour les grandes vitesses, il convient de se tourner vers la théorie de la relativité restreinte d'Einstein; on entre alors dans le domaine de la mécanique relativiste. 

• La dynamique, quant à elle, s'intéresse aux forces et aux couples qui   agissent sur un corps et modifient son état de mouvement ou de repos. Elle repose sur les lois de Newton (principe d'inertie, équilibre force-accélération, action-réaction), et étudie des concepts comme la masse, l'inertie, l'énergie (cinétique et potentielle), le travail, la puissance, l'impulsion, et les quantités de mouvement. Elle permet d'analyser des phénomènes tels que la trajectoire des projectiles, la traction de véhicules, ou les systèmes oscillants. La dynamique s'applique aussi au mouvement rotationnel (en introduisant le moment d'inertie, le couple et le mouvement angulaire).

La gravitation, décrite par la loi de l'attraction universelle de Newton, est une force attractive entre deux masses proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Elle constitue la base pour analyser des systèmes allant d'une simple chute d'objet au mouvement complexe des corps célestes. Cependant, ici encore, le domaine d'application des concepts classiques est limité. La loi d'attraction de Newton ne vaut que pour les champs de gravitation faibles. Pour l'étude champs très intenses, on doit recourir à la relativité générale, qui est la théorie de la gravitation d'Einstein.

• La statique est une branche de la dynamique qui étudie les corps au repos (ou en mouvement rectiligne uniforme) ou en équilibre sous l'action de forces ou de couples qui se contrebalancent. Elle s'intéresse aux différents types d'équilibre (stable, instable, neutre) et aux systèmes de contraintes (frottement, poulies, leviers). La statique intervient dans l'analyse de structures (ponts, bâtiments), de machines, ou de systèmes d'équilibre statique, en utilisant des outils comme les diagrammes de corps libre pour déterminer les forces inconnues. Les concepts clés comprennent les forces de contact (normale, frottement), les forces de liaison, et les équations d'équilibre pour des systèmes en 2D ou 3D.

Acoustique.
L'acoustique est la branche de la physique (et plus spécialement de la mécanique) qui étudie le son. Elle s'intéresse à la production, la propagation, la réception et les effets des ondes sonores. Ces ondes sont des vibrations mécaniques qui peuvent se propager dans différents milieux (gaz, liquides, solides). L'acoustique a de nombreuses applications, allant de la musique et de l'acoustique architecturale au contrôle du bruit, en passant par l'échographie médicale et industrielle, et l'étude du son sous-marin.

Mécanique des fluides.
La mécanique des fluides est la branche de la physique qui se consacre à l'étude du comportement des fluides, c'est-à-dire des liquides, des gaz et des plasmas. Elle analyse leurs propriétés statiques (quand ils sont au repos) et dynamiques (quand ils sont en mouvement). Elle s'intéresse aux concepts de pression, viscosité, écoulements (laminaires, turbulents), flottabilité, etc. Ses applications couvrent l'aéronautique, l'hydrodynamique, la météorologie, l'océanographie, la circulation sanguine et de nombreux processus industriels.

Thermodynamique.
La thermodynamique s'occupe de la chaleur, du travail, de la température et de l'énergie, ainsi que de la relation entre ces grandeurs et les propriétés macroscopiques de la matière. La thermodynamique classique se concentre sur les états d'équilibre des systèmes et les transitions entre ces états, sans nécessairement se préoccuper de la nature microscopique des particules. Ses fondements reposent sur les lois de la thermodynamique :

• La loi zéro définit la notion de température et d'équilibre thermique;

• La première loi est une expression du principe de conservation de l'énergie, reliant l'énergie interne d'un système à la chaleur qu'il reçoit et au travail qu'il fournit;

• La deuxième loi introduit le concept d'entropie, un indicateur du désordre ou de la dissipation d'énergie, et établit l'irréversibilité des processus naturels et les limites de l'efficacité des moteurs thermiques; 

• La troisième loi concerne le comportement des systèmes à l'approche du zéro absolu. 

L'électromagnétisme classique.
L'électromagnétisme classique constitue une branche unifiée étudiant les phénomènes électriques et magnétiques. L'électricité et le magnétisme sont deux aspects fondamentaux des phénomènes physiques liés aux charges électriques. Initialement considérées comme distinctes, l'électricité et le magnétisme ont été unifiés par des scientifiques comme Faraday et formalisés par les équations de Maxwell. Celles-ci montrent que des champs électriques variables dans le temps peuvent produire des champs magnétiques, et réciproquement. Ce lien profond donne naissance à des ondes électromagnétiques, comme la lumière, qui résultent de la propagation conjointe de champs électriques et magnétiques dans l'espace. L'électromagnétisme classique distingue comme domaines d'étude : l'électrostatique, l'électrodynamique et l'étude du magnétisme.

• L'électrostatique traite des charges électriques au repos et des champs électriques qu'elles produisent, ainsi que du potentiel électrique. La magnétostatique s'intéresse aux champs magnétiques constants, typiquement créés par des courants électriques stationnaires. 

• L'électrodynamique aborde les phénomènes impliquant des charges en mouvement et des champs variant dans le temps, notamment l'induction électromagnétique (production de courants par des champs magnétiques variables, base des générateurs et transformateurs) décrite par la loi de Faraday. Les équations de Maxwell synthétisent toutes ces lois et prédisent l'existence d'ondes électromagnétiques se propageant à la vitesse de la lumière, révélant ainsi que la lumière elle-même est une forme de rayonnement électromagnétique. Cette branche est fondamentale pour toute la technologie électrique et électronique, des circuits aux télécommunications.

• L'étude du  magnétisme s'intéresse aux champs magnétiques produits par des aimants ou par des charges en mouvement, c'est-à-dire par des courants électriques, et qui se manifeste par des forces attractives ou répulsives entre objets magnétiques et influe également sur les particules chargées en mouvement. Le magnétisme concerne de nombreux objets d'étude, allant des phénomènes naturels (magnétisme terrestre et stellaire, aurores polaires, aux applications technologiques  comme les aimants permanents (ex. : néodyme, ferrite), les matériaux magnétiques doux (utilisés dans les transformateurs), les nanomatériaux,  les technologies d'imagerie médicale (IRM), celles des disques durs, des systèmes de freinage, etc.

• L'optique géométrique, une approximation, considère la lumière comme des rayons se propageant en ligne droite et s'intéresse aux phénomènes comme la réflexion et la réfraction, et permet de comprendre le fonctionnement des miroirs, des lentilles et des instruments optiques (télescopes, microscopes).

• L'optique physique (optique ondulatoire) traite la lumière comme une onde pour expliquer des phénomènes comme les interférences (combinaison de deux ondes lumineuses), la diffraction (courbure de la lumière autour des obstacles) et la polarisation.

La physique moderne.
Physique quantique.
La quantique est la base de nombreuses autres branches de la physique moderne et a conduit à des technologies comme les lasers, les transistors et l'imagerie médicale. La physique atomique et la physique moléculaire, deux domaines  essentiels pour la chimie physique et la science des matériaux, découlent directement de la mécanique quantique : 

• La physique atomique se concentre sur la structure électronique des atomes, leurs niveaux d'énergie, les transitions entre ces niveaux (expliquant les spectres d'émission et d'absorption de la lumière) et les interactions atome-lumière. 

• La physique moléculaire étend cette étude aux molécules et aux interactions entre celles-ci. Elle s'intéresse aux états de rotation, vibration et translation des molécules, ainsi qu'aux spectres qu'elles produisent. Cette discipline est impliquée dans la compréhension des réactions chimiques, de la dynamique moléculaire et des processus fondamentaux en physique et chimie, notamment dans les domaines de la spectroscopie, de la thermodynamique et de la physique quantique.

• La physique quatique de l'information et le calcul quantique étudient l'utilisation des principes de la mécanique quantique, comme la superposition et l'intrication, pour le traitement de l'information. Ils visent à développer de nouveaux types d'ordinateurs (ordinateurs quantiques) potentiellement capables de résoudre des problèmes actuellement impossibles, ainsi que de nouvelles méthodes de communication (cryptographie quantique) et de mesure (métrologie quantique).

Physique des particules (ou physique des hautes énergies).
Allant plus loin dans l'étude de la structure de la matière, la physique des particules, également appelée physique des hautes énergies, vise à identifier les constituants fondamentaux de l'univers et les interactions fondamentales entre eux (force forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle). Le Modèle standard des particules, fermement adossé à la mécanique quantique relativiste (théorie quantique des champs), décrit les quarks, les leptons (comme les électrons et les neutrinos) et les bosons médiateurs des forces (photon, gluons, bosons W et Z), ainsi que le boson de Higgs, responsable de la masse des particules. Les expériences dans les grands accélérateurs de particules, comme le LHC au CERN, sondent ces particules et leurs interactions. Cependant, le Modèle standard ne résout pas tous les mystères (masse des neutrinos, matière sombre, énergie sombre, possibilité d'une théorie de la gravitation quantique) et la recherche de nouvelle physique, celle de la Grande unification, au-delà du Modèle standard est un domaine très actif.
 

Astrophysique et cosmologie.
L'astrophysique et la cosmologie sont également deux branches de l'astronomie. Elles appliquent les lois de la physique à l'étude des corps célestes et de l'univers dans son ensemble. 

• L'astrophysique étudie la formation, la structure et l'évolution des étoiles, des planètes (parmi lesquelles sont les exoplanètes), des galaxies, des amas de galaxies et d'autres objets célestes, des milieux interstellaire et intergalactique, ainsi que les phénomènes énergétiques comme les supernovae, les pulsars et les quasars.

• La cosmologie se penche sur l'origine, l'évolution et la structure à grande échelle de l'univers, s'appuyant fortement sur la relativité générale et la physique des particules pour étudier l'expansion de l'univers, la formation des particules élémentaires dans les première minutes de l'expansion cosmique, le  fond diffus cosmologique (émis trois cent mille ans plus tard...), la nature de la matière sombre et de l'énergie sombre. Son modèle standard est la théorie du big bang.

Physique statistique.
La physique statistique utilise les probabilités et les statistiques pour décrire le comportement macroscopique de systèmes composés d'un très grand nombre de constituants microscopiques. Elle fait le pont entre le monde microscopique (décrit par la mécanique quantique ou classique) et le monde macroscopique observable (thermodynamique classique). Les aspects modernes incluent l'étude des transitions de phase (passage d'un état à un autre, comme la fusion de la glace), les phénomènes critiques, les systèmes hors d'équilibre et les systèmes complexes.

Physique des plasmas.
La physique des plasmas étudie l'état de la matière où les gaz sont ionisés, formant un mélange de particules chargées. C'est l'état de la matière le plus abondant dans l'univers (étoiles, milieu interstellaire) . L'étude des plasmas est indispensable pour la recherche sur la fusion contrôlée et la physique spatiale (vents solaires, magnétosphère terrestre). La magnétohydrodynamique est la branche de la physique des plasmas qui étudie les fluides électriquement chargés sous l'effet d'un champ magnétique.

Photonique.
La photonique est la science et la technologie de la génération, du contrôle et de la détection des photons, notamment dans le domaine de la lumière visible et des ondes électromagnétiques proches. Elle comprend des applications comme les lasers, la fibre optique, les capteurs optiques ou encore l'imagerie médicale, et repose sur les principes de l'optique, de l'électromagnétisme et de la physique quantique pour manipuler la lumière à des échelles allant du macroscopique au nanométrique.

Chimie.
Ordinairement considérée (pour des raisons historiques et pratiques) comme une science distincte, la chimie peut aussi être vue comme un branche de la physique. C'est la science qui analyse la composition, la structure, les propriétés et les transformations de la matière. Elle examine comment les atomes et les molécules interagissent pour former de nouvelles substances. La chimie est elle-même subdivisée en plusieurs branches comme la chimie organique (basée sur les composés du carbone), la chimie inorganique, la chimie physique, la chimie analytique et la chimie théorique. Elle joue un rôle central dans des domaines aussi variés que la médecine, l'environnement, les matériaux et l'énergie.

Domaines Interdisciplinaires.
On peut encore mentionner d'autres domaines, souvent à l'interface de la physique et d'autres sciences : 

• La biophysique applique les concepts et techniques de la physique à l'étude des systèmes biologiques à tous les niveaux, des molécules aux organismes entiers. Elle s'intéresse par exemple à la structure et à la dynamique des protéines et de l'ADN, aux moteurs moléculaires, à la mécanique des cellules et des tissus, à la circulation sanguine, aux signaux neuronaux, etc..

• La physique médicale applique les principes et les méthodes de la physique à la médecine, en particulier pour le diagnostic et le traitement des maladies. Elle est essentielle au fonctionnement des technologies médicales comme l'imagerie médicale (rayons X, scanner, IRM, échographie, médecine nucléaire), la radiothérapie pour le traitement du cancer, et la dosimétrie. Les physiciens médicaux travaillent à optimiser l'utilisation de ces outils, à assurer la sécurité des patients et du personnel face aux rayonnements, et à développer de nouvelles techniques.

• La géophysique est l'application des principes et des méthodes de la physique à l'étude de la Terre. Elle utilise diverses techniques (sismique, gravimétrie, magnétisme, électricité, thermique, radioactivité) pour sonder et comprendre la structure, la composition et les processus dynamiques de notre planète, depuis le noyau jusqu'à l'atmosphère et aux océans. Elle s'intéresse notamment aux tremblements de terre, au volcanisme, à la tectonique des plaques, au champ magnétique terrestre, et à la distribution des ressources naturelles. Ses domaines d'application incluent la prospection des ressources, la surveillance environnementale et l'étude des risques naturels.

L'importance et les applications de la physique

En tant que science fondamentale, la physique est le pilier des sciences naturelles. La chimie, par exemple, s'explique par les interactions entre atomes et molécules, qui sont régies par les principes de la mécanique quantique et de l'électromagnétisme. De même, la biologie, bien qu'étudiant des systèmes complexes et émergents, s'appuie sur les principes physico-chimiques qui gouvernent les processus cellulaires et organiques. La géologie utilise la mécanique, la thermodynamique et la physique des matériaux pour comprendre la structure et l'évolution de la Terre. L'astronomie, quant à elle, est devenue indissociable de la physique, appliquant les lois de la gravitation, de la physique nucléaire et de l'électromagnétisme pour étudier les étoiles, les galaxies et l'univers dans son ensemble. 
 

Les applications de la physique.
L'importance de la physique se traduit concrètement par ses applications omniprésentes dans notre vie quotidienne et dans le progrès technologique. Les principes physiques sont à l'origine de la plupart des inventions et innovations qui ont marqué l'histoire de l'humanité.

Dans le domaine de l'énergie, c'est la physique qui a permis de comprendre et de maîtriser les phénomènes menant à la production et à la distribution de l'électricité, essentielle à nos sociétés modernes. Qu'il s'agisse des centrales thermiques (thermodynamique), hydrauliques (mécanique des fluides), nucléaires (physique nucléaire) ou des énergies renouvelables comme le solaire (physique du solide, mécanique quantique) et l'éolien (mécanique, aérodynamique), toutes reposent sur des principes physiques.

L'électronique et l'informatique, piliers de l'ère numérique, sont des applications directes de la physique. La compréhension du comportement des électrons et des matériaux semi-conducteurs, issue de la mécanique quantique et de la physique de l'état solide, a mené à l'invention du transistor, composant de base de tous les appareils électroniques. Les lasers, utilisés dans d'innombrables applications allant des lecteurs de codes-barres à la chirurgie de précision et aux télécommunications, sont des produits de l'optique quantique.

Les communications modernes dépendent également étroitement de la physique. La radio, la télévision, les téléphones portables et l'internet sont basés sur la propagation des ondes électromagnétiques. Les réseaux de communication à haut débit reposent sur la fibre optique, exploitant les principes de l'optique pour transmettre des informations à la vitesse de la lumière.

En médecine, la physique est un outil indispensable. Les techniques d'imagerie médicale non invasives qui ont révolutionné le diagnostic sont directement issues de la physique : les rayons X, les scanners CT (tomographie assistée par ordinateur) basés sur les rayons X, l'IRM (imagerie par résonance magnétique) utilisant les principes du magnétisme et de la résonance nucléaire, et les scanners TEP (tomographie par émission de positons) relevant de la physique nucléaire. La radiothérapie pour le traitement du cancer utilise des rayonnements ionisants, domaine de la physique nucléaire. L'échographie repose sur la physique acoustique. De nombreux dispositifs médicaux, des pacemakers aux prothèses, intègrent des connaissances en physique électrique et mécanique.

Les transports bénéficient largement des applications de la physique. L'aérodynamisme guide la conception des avions et des voitures de course. La mécanique est fondamentale pour la conception des moteurs, des structures et des systèmes de propulsion de tous types de véhicules. Les systèmes de navigation par satellite comme le GPS (Global Positioning System) ne pourraient fonctionner avec précision, on l'a dit, sans prendre en compte les effets de la relativité restreinte et générale d'Einstein.

La science des matériaux, cruciale pour le développement de nouvelles substances aux propriétés spécifiques (superconducteurs, matériaux composites, nanomatériaux), repose sur la compréhension physique du comportement de la matière à l'échelle atomique et microscopique.

L'exploration spatiale est un domaine où la physique est au premier plan, depuis le calcul des trajectoires orbitales basé sur la mécanique céleste et la gravitation, jusqu'à la conception des télescopes (optique) et des systèmes de propulsion. 

Même dans les objets les plus courants, les principes physiques sont à l'oeuvre : le fonctionnement d'un réfrigérateur (thermodynamique), d'une ampoule (électricité, physique du solide ou optique), d'un haut-parleur (électromagnétisme et acoustique), d'un simple levier ou d'une poulie (mécanique).

Michio Kaku, La physique de l'impossible, Seuil , 2011.. - " Sera-t-il possible un jour de traverser les murs? de voyager plus vite que la lumière? de lire dans les esprits des autres ? de devenir invisible ? de transporter des objets par la seule force de notre volonté? Depuis mon enfance, j'ai été fasciné par ces questions. En grandissant, comme tant d'autres physiciens, j'ai été captivé par les idées de voyages dans le temps, de rayons de la mort, de champs de force, d'univers parallèles. La magie, le fantastique, la science-fiction offraient un gigantesque terrain de jeu à mon imagination. Ainsi commença mon histoire d'amour avec l'impossible. [...] Dans la brève durée de ma vie, j'ai vu bien des fois l'apparemment impossible devenir un fait scientifique établi. Est-il donc impossible de penser qu'un jour nous pourrons nous téléporter d'un lieu à un autre? De tels prodiges seraient considérés comme impossibles par la plupart des physiciens aujourd'hui. Mais dans quelques siècles? Ou quelques dizaines de millénaires, quand notre technologie aura progressé? Ou dans un million d'années? Pour le dire autrement, si nous rencontrions une civilisation un million d'années plus avancée que la nôtre, leur technologie ne nous semblerait-elle pas pure magie ? "  Berkes,Entre atome et astrophysique, une physique nouvelle, Vuibert, 2004.