GENERALITES :
La Science devrait ètre conçue comme un tout déductif comportant les mathématiques, la logique, la Physique, et enfin une science de base sur l'homme suivie des autres sciences humaines. Les mathématiques et la logique sont la partie de la science que nous pouvons recréer par notre mental sans le secours de l'expérience. Le monde physique est plus complexe, et bien que le raisonnement s'y révèle très valable c'est l'expérience qui parait trancher de beaucoup de questions. Bien-sur, il n'est pas exclus que l'avenir accroisse le poids des arguments théoriques par rapport aux arguments tirés de l'expérience, celle-ci étant alors prédite correctement au lieu d'ètre un point de départ.
Mais, sera-t-on tenté d'objecter, le monde matériel existe et s'impose à nous, alors que le mathématicien peut inventer des objets selon sa fantaisie. On peut répondre que le succès des mathématiques est largement du à leur confirmation par l'expérience (ce qui infirme l'idée de fantaisie), et que le monde n'est pas non plus arbitraire comme le montre la simplicité, la beauté et la cohérence des lois de la physique. Tout se passe comme si la matière, pour échapper au chaos, devait toujours se soumettre aux structures mathématiques les plus simples.
Dans une approche déductive d'ensemble, chaque entité donne lieu à une définition, dont on déduit tout ce qui la concerne.
LES CINQ GRANDES THEORIES :
On a parlé d'échec de la physique du fait que sans cesse de nouveaux résultats expérimentaux contredisent les théories existantes. Il y a là un malentendu. D'abord la contradiction porte souvent sur des cas interessants mais peu fréquents, et donc le monde reste alors "statistiquement" régi par la théorie contredite. Par ailleurs, c'est souvent le formalisme mème de cette dernière qui est incapable de maintenir sa cohérence sur la totalité de l'expérience, et qui doit donc laisser place à un autre. Enfin, les différentes théories concordent beaucoup plus souvent qu'on ne l'a dit.
Il faut se dire que les théories sont des modèles, incontournables jusqu'à un certain point, et qui disent la vérité des choses, malgré leur imperfection.
Le plus grand flou entoure aujourd'hui la liste des grandes théories. Les physiciens craignent (ou souhaitent) l'apparition d'une nouvelle théorie qui dirait enfin tout, mais affaiblirait gravement leur approche. La conviction exprimée ici est au contraire que l'échec de toute théorie qui se voudrait le fin-mot définitif est inscrit dans la très nécessaire et difficile renormalisation qui réussit à éliminer les divergences de la théorie quantique des champs. Sa nécessité qui n'est pas contestée montre que pour aller loin il faut des démarches correctrices, dont aucune théorie simple ne pourra se dispenser.
On proposera ici une liste des cinq grandes théories de base auxqelles les autres se rattachent:
- Physique newtonienne;
- Relativité non quantique;
- Physique quantique non relativiste;
- Physique quantique relativiste;
- Théorie quantique des champs.
SUR LA PHYSIQUE NEWTONIENNE:
La notion de point matériel, qui peut ètre prise comme base de la physique newtonienne, est une notion très naturelle pour un mathématicien. Puisque les ensembles R et R^3 (R puissance3) sont les plus importants, il est normal de considérer les applications du premier dans le second, c'est à dire des points dont la position dépend d'un paramètre appelé le temps. C'est une telle application que l'on appelle point matériel. Soit M une telle application. Alors M(t) est un point de l'espace que l'on peut appeler position du point matériel M à l'instant t.
On appellera système de points matériels un ensemble de points matériels. Si la distance A(t)B(t) entre les positions de deux points quelconques A et B du système ne dépend pas de l'instant t, on dit que le système est un solide. On appellera parfois univers un ensemble de points matériels.
Définition: On dira que U est un univers newtonien si existent entre les points de U des rapports de causalité s'exprimant identiquement dans tous les systèmes d'axes et quelle que soit l'origine des temps, si les points de U restent dans une partie bornée fixe de l'espace et si entre eux peuvent se constituer des systèmes solides.
On peut justifier l'affirmation suivante: dans tout univers newtonien existent des lois qui sont celles que nous connaissons.
La notion de relations de causalité est très floue, mais elle se traduit nécessairement par des équations déterministes, seules vérifiées dans un solide. Or parmi les relations fonctionnelles (comme f(x + 1)= f(x)) seules les équations différentielles auront des solutions suffisemment déterminées, les autres ayant des solutions qui dépendent d'une fonction arbitraire.
Si les points situés loin d'un système solide interagissaient fortement avec lui il en résulterait une perturbation très importante incompatible avec l'état de solide. Donc des points éloignés interagissent faiblement. Il en résulte qu'un système situé loin du reste de l'univers, appelé système isolé, aura ses lois propres qui ne feront pas intervenir les autres points.
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