1.1 Introduction
La physique moderne, en tant que science mathématique, commence, dans
son principe, avec Galilée et, dans les faits, avec
Newton. Newton élabore, en partie à
partir d'élément déjà existant mais épars (la notion de quantité de
mouvement, par exemple, que l'on doit à Descartes
(1644 ``Principes II''), philosophe et inventeur des lunettes)
et en partie à partir de ses propres constructions (le calcul différentiel
et intégral, inventé simultanément
par Leibnitz), la première théorie physique mathématisée
(1687 ``Principes mathématiques de la philosophie naturelle''
ou ``Principia mathematica ...''). Cette théorie est si puissante
qu'elle va être à la base de toutes les recherches menées en physique
jusqu'au XIXe siècle.
Néanmoins, après Newton, la physique va évoluer. Si,
pendant près d'un siècle, la conception corpusculaire
de la lumière de Newton (1672 ``Philosophical Transactions''
et 1704 ``Optique'') masque la conception ondulatoire
de Huygens (1690 ``Traité de la lumière''), elle
va être discréditée par les travaux de deux chercheurs : Young
(travaux effectués entre 1802 et 1807) et Fresnel
(travaux effectués entre 1815 et 1819). Ceux-ci établissent que la
théorie ondulatoire de la lumière rend
aussi bien compte que sa concurrente de tous les phénomènes optiques
jusqu'alors observés. Les deux théories cohabitent alors jusqu'en
1849 où Foucault et Fizeau réalisent
une expérience sur la vitesse de la lumière
dans l'eau qui met en défaut la théorie de Newton.
Par la suite (à partir de 1905), avec Einstein, la
conception corpusculaire va reprendre
vie pour finir par coexister, de nos jours, avec la conception ondulatoire
sous la forme d'une compréhension simultanément ondulatoire et corpusculaire
de la lumière.
Elle évolue aussi considérablement durant cette période dans la connaissance
des phénomènes électriques et magnétiques. Cette évolution, dont nous
allons reparler ci-dessous, se fait tout naturellement à partir de
la conception corpusculaire (pour
ne pas dire atomiste) de la matière de Newton et par
la recherche de lois d'interaction (loi de force)
entre les charges, les courants et
les aimants de la même forme (en 1/(distance entre
les corpuscules)²) que la loi de la gravitation universelle
(de Newton). Les théories sur l'électricité et le magnétisme
vont cependant nettement diverger du modèle mécanique (modèle basé
sur la théorie mécanique de Newton) en raison de l'impossibilité
de préserver en magnétisme la loi de l'action et de la réaction
(troisième loi de Newton). Ces théories vont mener
à une formulation très complète des lois régissant les phénomènes
électriques et magnétiques, formulation connue sous le nom de théorie
électromagnétique de Maxwell (1864). Celle-ci utilise
des concepts inconnus de Newton, comme la notion de
champ, et mène à une vision ondulatoire de la propagation
des phénomènes électromagnétiques (comme les phénomènes lumineux)
en totale contradiction avec les présupposés mécanistes newtoniens.
A l'aube du XXe siècle, les phénomènes mécaniques sont
donc décrits par la théorie de Newton (ou plutôt par
une théorie de Newton modernisée mais admettant les
mêmes hypothèses : la théorie de Lagrange et Hamilton.
Notons que celle-ci dégage un nouveau concept dont le rôle sera crucial
durant le XXe siècle : celui d'énergie)
et les phénomènes électromagnétiques par la théorie de Maxwell.
Le XXe siècle quant à lui sera une ère nouvelle. Avec
Einstein, c'est la reformulation de la loi de la
gravitation en terme de champ (de gravitation) menant
à une nouvelle théorie de la mécanique. Avec Bohr (et
beaucoup d'autres), c'est une fusion des concepts d'onde et de particule
pour décrire la matière dans l'infiniment petit : c'est la physique
quantique.
1.2 Rappels
1.2.1 Les lois de Newton
Il n'est pas inutile de rappeler les trois lois fondamentales découvertes
par Newton. Elles permettent de décrire, à elles seules,
l'état et l'évolution de tout système mécanique (c'est-à-dire de tout
corps matériel se déplaçant à des vitesses petites par rapport à celle
de la lumière).
Première loi (loi d'inertie)
``Tout corps persévère dans son état de repos ou de mouvement rectiligne
uniforme, sauf si des forces imprimées le contraignent
d'en changer''
Seconde loi (principe fondamental)
La somme des forces extérieures qui s'exercent sur
un système est égal à la masse multipliée par l'accélération.
Troisième loi (action et réaction)
``La réaction est toujours contraire et égale à l'action'', ou
encore ``les actions que deux corps exercent l'un sur l'autre sont
toujours égales et dirigées en sens contraire''.
1.2.2 La loi de la gravitation universelle
Il faut, d'autre part, rappeler la loi de la gravitation universelle
:
ou scalairement :
avec : F : force gravitationnelle
entre m et M, G : constante de la gravitation universelle
et r : distance entre les deux masses.
1.2.3 Conclusion
A partir de ces trois lois fondamentales et de la loi de la gravitation
universelle, la grande majorité des
phénomènes physique connus au début du XVIIIe siècle
pouvaient être décrits. Cela signifie que les lois connues à cette
époque pouvaient être déduites des lois de Newton et
on peut donc dire en substance qu'elles étaient toute la physique
que l'on connaissait alors.