Introduction aux principales lois de la physique

Au fil des ans, les scientifiques ont découvert que la nature est généralement plus complexe que nous ne le croyons. Les lois de la physique sont considérées comme fondamentales, bien que beaucoup d'entre elles se réfèrent à des systèmes théoriques ou idéalisés qui sont difficiles à reproduire dans le monde réel.

Comme d'autres domaines de la science, les nouvelles lois de la physique s'appuient sur ou modifient les lois existantes et la recherche théorique. La théorie de la relativité d'Albert Einstein, qu'il a développée au début des années 1900, s'appuie sur les théories développées plus de 200 ans plus tôt par Sir Isaac Newton.

Loi de la gravitation universelle

Les travaux révolutionnaires de Sir Isaac Newton en physique ont été publiés pour la première fois en 1687 dans son livre "The Mathematical Principles of Natural Philosophy", communément appelé "The Principia". Il y expose des théories sur la gravité et le mouvement. Sa loi physique de la gravité stipule qu'un objet attire un autre objet en proportion directe de leur masse combinée et inversement liée au carré de la distance entre eux.

Trois lois du mouvement

Les trois lois du mouvement de Newton, également trouvées dans "The Principia", régissent la façon dont le mouvement des objets physiques change. Ils définissent la relation fondamentale entre l'accélération d'un objet et les forces qui agissent sur lui.

• Première règle: Un objet restera au repos ou dans un état de mouvement uniforme à moins que cet état ne soit modifié par une force externe. 
• Deuxième règle: La force est égale à la variation de l'élan (masse multipliée par la vitesse) au cours du temps. En d'autres termes, le taux de variation est directement proportionnel à la force appliquée. 
• Troisième règle: Pour chaque action dans la nature, il y a une réaction égale et opposée. 

Ensemble, ces trois principes décrits par Newton forment la base de la mécanique classique, qui décrit comment les corps se comportent physiquement sous l'influence de forces extérieures.

Conservation de la masse et de l'énergie

Albert Einstein a présenté sa célèbre équation E = mc2 dans une publication de 1905 intitulée «Sur l'électrodynamique des corps en mouvement». L'article a présenté sa théorie de la relativité restreinte, basée sur deux postulats:

• Principe de relativité: Les lois de la physique sont les mêmes pour tous les référentiels inertiels. 
• Principe de constance de la vitesse de la lumière: La lumière se propage toujours à travers un vide à une vitesse définie, indépendante de l'état de mouvement du corps émetteur.

Le premier principe dit simplement que les lois de la physique s'appliquent également à tout le monde dans toutes les situations. Le deuxième principe est le plus important. Il stipule que la vitesse de la lumière dans le vide est constante. Contrairement à toutes les autres formes de mouvement, il n'est pas mesuré différemment pour les observateurs dans différents référentiels inertiels.

Lois de la thermodynamique

Les lois de la thermodynamique sont en fait des manifestations spécifiques de la loi de conservation de l'énergie de masse en ce qui concerne les processus thermodynamiques. Le domaine a été exploré pour la première fois dans les années 1650 par Otto von Guericke en Allemagne et Robert Boyle et Robert Hooke en Grande-Bretagne. Les trois scientifiques ont utilisé des pompes à vide, dont von Guericke a été le pionnier, pour étudier les principes de la pression, de la température et du volume.

• La loi zéro de la thermodynamique rend possible la notion de température.
• La première loi de la thermodynamique démontre la relation entre l'énergie interne, la chaleur ajoutée et le travail au sein d'un système.
• La deuxième loi de thermodynamique se rapporte au flux naturel de chaleur dans un système fermé.
• La troisième loi de thermodynamique déclare qu'il est impossible de créer un processus thermodynamique parfaitement efficace.

Lois électrostatiques

Deux lois de la physique régissent la relation entre les particules chargées électriquement et leur capacité à créer une force électrostatique et des champs électrostatiques. 

• La loi de coulomb est nommé d'après Charles-Augustin Coulomb, un chercheur français travaillant dans les années 1700. La force entre deux charges ponctuelles est directement proportionnelle à la grandeur de chaque charge et inversement proportionnelle au carré de la distance entre leurs centres. Si les objets ont la même charge, positive ou négative, ils se repousseront. S'ils ont des charges opposées, ils vont s'attirer.
• Loi de Gauss est nommé d'après Carl Friedrich Gauss, un mathématicien allemand qui a travaillé au début du 19e siècle. Cette loi stipule que le flux net d'un champ électrique à travers une surface fermée est proportionnel à la charge électrique enfermée. Gauss a proposé des lois similaires concernant le magnétisme et l'électromagnétisme dans leur ensemble.

Au-delà de la physique de base

Dans le domaine de la relativité et de la mécanique quantique, les scientifiques ont constaté que ces lois s'appliquent toujours, bien que leur interprétation nécessite un certain raffinement à appliquer, résultant en des domaines tels que l'électronique quantique et la gravité quantique.