Physique théorique

La physique théorique essaie de décrire le monde en réalisant des modèles de la réalité, utilisé afin de rationaliser, d'expliquer et de prédire des phénomènes physiques à travers une « théorie physique ». Il y a en physique trois types de théories : des théories largement adoptées, des théories proposées mais non validées, et des théories marginales (traduction approchée de « mainstream theories, proposed theories and fringe theories »).

Certaines théories physiques sont confirmées par l'observation alors que d'autres ne le sont pas. Une théorie physique est un ensemble de postulats (ou axiomes) et de méthodes. Une théorie ne peut donc pas, par définition, être prouvée : en cela une théorie physique diffère d'un théorème mathématique. Toutefois, les résultats ou postulats d'une théorie peuvent être retrouvés à partir d'autres théories dans un certain domaine d'application, par exemple en effectuant des approximations. Les théories physiques modélisent la réalité et sont à la fois un reflet des observations, et une source de prédiction d'observations nouvelles.

Les théories physiques peuvent être acceptées lorsqu'elles permettent à la fois de faire des prédictions correctes et d'éviter de faire des prédictions erronées. Les théories physiques les plus simples sont le plus souvent préférées à celles qui sont vues comme complexes (par exemple se basant sur un nombre jugé excessif de postulats, ou expliquant des processus physiques par des mécanismes jugés complexes), conformément à la règle connue sous le nom de « rasoir d'Ockham ». Les théories physiques les plus susceptibles d'acceptation sont celles qui relient une grande quantité de phénomènes. Le processus de test d'une théorie physique fait partie de la méthode scientifique.

La position particulière de la physique théorique à la croisée des mathématiques et de la physique a conduit le mathématicien français Jean-Marie Souriau à la décrire comme « une physique sans expérience et une mathématique sans la rigueur »[2].

Le tableau ci-dessous rassemble des théories importantes classées par date[3]. Les théories communément acceptées sont en vert, les théories spéculatives sont en beige. Deux théories communément acceptées peuvent donner des résultats différents : par exemple, la mécanique newtonienne sera moins précise que la théorie de la relativité générale en cosmologie. Chaque théorie a son propre domaine d'application (par exemple, la relativité restreinte permet d'étendre ce domaine aux vitesses proches de la vitesse de la lumière). On entend par

• Limite non relativiste : petites vitesses (${\displaystyle \ll }$ ${\displaystyle c}$), faible énergie-impulsion, faible champ gravitationnel
• Limite classique : effets de la physique quantique négligeables, échelles non microscopiques (typiquement > 10 nm), actions grandes (${\displaystyle \gg }$ ${\displaystyle \hbar }$)

On appelle :

• une théorie du tout une théorie qui décrit l'ensemble des interactions fondamentales de la matière ;
• une théorie de gravité quantique une théorie qui décrit de façon quantique la relativité générale;
• une théorie de jauge une théorie fondée sur un ou des groupes de symétries agissant en chaque point de l'univers séparément.

D'autres théories ont un statut d'outil, servant par exemple à décrire des phénomènes non élémentaires ou à fournir un cadre de modélisation :

Il existe enfin un grand nombre de théories dans chaque domaine de la physique, par exemple le Modèle ΛCDM en cosmologie, l'optique géométrique en optique, la théorie de la décohérence en mécanique quantique, ...