Lhistoire de la physique retrace l'origine et l'évolution des courants de pensée et des connaissances en sciences physiques.
Thématiques Plusieurs problématiques parallèles s'imbriquent au cours des siècles : déterminisme et physique probabiliste ; Laplace a à peine conçu le projet d'une explication mécaniste totale de la nature — une tradition qui culminera avec Einstein —, que Fourier s'intéresse aux échanges de chaleur, ouvrant une voie qui y échappera complètement ; équilibre stable et turbulences ; jusqu'au , la physique s'était intéressée aux lois qui gouvernaient les états d'équilibres, considérant les phénomènes hors de l'équilibre comme dissipatifs (entropie) ; plus récemment, une nouvelle tradition s'est intéressée aux phénomènes d'ordre loin de l'équilibre (Prigogine, Maturana) ; objectif et subjectif (ou universalisme et relativisme) : la physique existe-t-elle en dehors de toute observation de la Nature, ou la fondons-nous sur une idée d'expérimentateur qui participe involontairement au phénomène qu'il pense simplement décrire ? Ce dernier point de vue, en gestation dans la tradition empiriste, a gagné du terrain avec les notions de relativité (de Galilée, puis de Lorentz et Einstein, en passant par l'étrange principe de Mach), l'interprétation de Copenhague en mécanique quantique et l'hypothèse d'Everett ; réfutabilité : tous les concepts de la physique sont-ils bien réfutables au sens de Karl Popper ?
Préhistoire Durant la Préhistoire, les hommes faisaient des observations (Stonehenge ou Carcan en témoignent) et étaient amenés à reproduire des phénomènes. C'est sur les berges des fleuves Tigre et Euphrate (Irak actuel) et du fleuve Nil (Égypte), puis plus tard en Grèce que les prémices des sciences ont vu le jour, il y a . Celles-ci étaient transmises par des religieux, ce qui assurait une continuité du savoir, la navigation assurant la propagation des connaissances et l'écriture, sur tablettes ou papyrus, son « stockage ».
Dans l'observation de phénomènes se reproduisant en cycles (diurne, lunaire ou annuel), la découverte des invariants de ces cycles constitue un début de raisonnement scientifique ; il y a là la notion que le monde obéit à des règles, et que l'on peut probablement utiliser ces règles.
Cette période vit l'apparition de techniques agraires, architecturales et guerrières, l'invention de la métallurgie (âge du bronze au , âge du fer vers , le début de l'architecture et de la mécanique.
Sciences et Religion se mêlaient : les artisans faisaient des prières pendant la fabrication de leurs objets, prières qui pouvaient être un moyen de mesurer le temps lorsque la durée avait une importance dans le procédé.
Antiquité
Épistémologie de la physique dans l'Antiquité
La physique était considérée dans la Grèce antique, au plus tard à l'époque des stoïciens, mais sans doute déjà auparavant, comme une des trois branches de la philosophie. On ne la distinguait pas véritablement de la métaphysique. Les auteurs latins utilisent souvent le mot physici pour désigner les présocratiques, dont l'approche était matérialiste, centrée sur la nature (Phusis).
Les auteurs de l'Antiquité cherchent à formuler une explication des phénomènes observés par des lois naturelles, l'action des dieux est ainsi repoussée à causes plus lointaines. La physique de l'Antiquité tend à manquer de vérification expérimentale, même s'il existe de nombreuses exception, surtout à la fin de l'Antiquité. Une partie de l'explication de la pauvreté de l'expérimentation est culturelle : le travail manuel est souvent méprisé, il est du ressort des basses classes et des esclaves.
Théorie des quatre éléments
La théorie des quatre éléments constitue probablement la première tentative d'expliquer le monde qui nous entoure d'une façon complète sans faire appel à l'animisme ou à la mythologie. Les quatre éléments sont listés par Empédocle : Feu, Air, Terre et Eau, dans cet ordre de primauté - Aristote modifiera l'ordre en Feu, Air, Eau et Terre.
Mouvement des corps, mécanique
Les Grecs se sont particulièrement intéressés à la nature même du mouvement.
Zénon d’Élée (490-) a formulé des paradoxes qui ont été rapportés un siècle plus tard par Aristote (384-) dans sa Physique.. Le plus célèbre de des paradoxes de Zénon concerne Achille et la tortue : si la tortue a de l’avance sur Achille, celui-ci ne la rattrapera jamais, quelle que soit sa vitesse, car pendant qu’Achille court pour atteindre le point d’où est partie, la tortue avance, de telle sorte qu’Achille ne pourra jamais annuler cette avance. Ce paradoxe illustre un présupposé suivant lequel l'infiniment petit n'existe pas, présupposé qui sera aussi celui des philosophes atomistes tel Démocrite (460-).
Or, on sait, aujourd’hui, que la résolution mathématique du problème d’Achille et de la tortue démontre bien que la durée de la course reste finie même en acceptant son découpage en une infinité d'étapes : la somme d’une infinité de termes peut, en effet, constituer une grandeur finie.
Théorie atomiste
Leucippe et Démocrite ont élaboré une première théorie de l'atome. L'atome est perçu comme le composant ultime, élémentaire, de toute matière. Rien n'existe en dehors des atomes et du vide. Les atomes s'assemblent pour former les objets que nous connaissons. Leur forme varie ; ils sont plats, arrondis, crochus, creux, etc, ce qui rend leurs assemblage possible ou non. Bien qu'élaborée cette théorie reste du ressort de la spéculation intellectuelle, elle ne peut s'accompagner d'aucune approche expérimentale envisageable à l'époque.
Optique
À partir de Platon, des auteurs grecs écrivent amplement sur la lumière, qu'ils tendent cependant à amalgamer avec la vision qu'elle permet : ainsi pour Sophocle, la lumière solaire voit les objets. Certains auteurs, comme Empédocle, attribuent la vision à l'émission d'un rayon visuel de l'œil vers l'objet.
Pour Euclide, ces rayons sont émis du centre de l’œil et prennent une forme conique. La propagation des rayons est considérée comme rectiligne, ce qui permet à Euclide d'appliquer sa géométrie aux problèmes que l'on appellerait aujourd'hui de perspective, s'intéressant à la taille et la forme perçue des objets. Son traité d'optique nous est parvenu, mais dans des versions largement modifiées par des auteurs ultérieurs. Le sujet de la réfraction de la lumière est abordé sous la forme du problème de la rame brisée : la rame parait rectiligne dans l'air, mais semble brisée lorsqu'elle est à moitié plongée dans l'eau. Cette observation sera surtout commentée, entre autres par Cicéron comme une preuve des limites de sens, l'occasion d'introduire une distinction entre la perception et la réalité des choses.
Astronomie
Le célèbre calcul du rayon de la Terre par Ératosthène constitue une application fructueuse des principes de l'optique et l'astronomie. En observant la différence dans la position apparente du soleil entre Alexandrie et Syène à l'aide de gnomon, en faisant appel à un bématiste pour connaître la distance séparant ces deux villes et en appliquant des lois géométriques, Ératosthène évalue la circonférence de la terre à 252000 stades, un chiffre étonnamment précis.
Perception sociale et intellectuelle de la physique dans l'Antiquité
Il a existé un débat d'historiens sur la question de savoir si la conception d'un progrès scientifique, c'est-à-dire d'un avancement graduel vers une meilleure compréhension du monde, était présente dans l'Antiquité. Carrier répond par l'affirmative, en s'appuyant sur des auteurs comme Tertullien, Claude Ptolémée et Sénèque.
Statique des fluides
La découverte de la poussée d'Archimède constitue l'un des accomplissement les plus remarquables de l'Antiquité en matière de physique, avec la mise en œuvre d'une méthode expérimentale, et la mise en évidence d'un phénomène quantifié. Selon l'histoire rapportée par Vitruve, Archimède répondait à une demande du roi de Syracuse : vérifier si une partie de l'or de sa couronne n'avait pas été remplacée par de l'argent. Archimède trouve une solution : par immersion dans l'eau, il parvient à mesure le volume d'un objet de forme arbitraire, et peut alors en déterminer la masse volumique.
Pauvreté des sources
On connaît mal le détail des idées anciennes en physique et leurs vérifications expérimentales. La quasi-totalité des sources directes les concernant a été perdue lors des deux grands incendies de la bibliothèque d'Alexandrie : avec plus de perdus, et 696 par le général 'Amr ibn al-'As qui présida à la destruction totale du fonds (hormis Aristote dont les rouleaux furent sauvés in extremis et clandestinement par des admirateurs de ses œuvres).
Chine et Inde
Depuis l'Antiquité, on a essayé de comprendre le comportement de la matière : pourquoi les objets sans support tombent par terre, pourquoi les différents matériaux ont des propriétés différentes, et ainsi de suite. Les caractéristiques de l'univers, comme la forme de la Terre et le comportement des corps célestes comme la Lune et le Soleil étaient un autre mystère. Plusieurs théories furent proposées pour répondre à ces questions. La plupart de ces réponses étaient fausses, mais cela est inhérent à la démarche scientifique ; et de nos jours, même les théories modernes comme la mécanique quantique et la relativité sont simplement considérées comme « des théories qui n'ont pas pour le moment été contredites » (bien qu'elles soient dans leur état actuel incompatibles l'une avec l'autre).
Les théories physiques de l'Antiquité étaient dans une large mesure considérées d'un point de vue philosophique, et n'étaient pas toujours vérifiées par des expérimentations systématiques. Il est ici important d'avoir conscience que, dans la Grèce antique, la philosophie est née des débats et discours (logos) issus de l'observation de la nature (physikê en grec). On trouve donc les étymologies de beaucoup de termes employés aujourd'hui dans les sciences : suffixe -logie (technologie, …), et physique.
Pour revenir à l'expérimentation, l'une d'entre elles jouera un rôle important : l'effet de rame brisée qui conduira à l'étude de la réfraction. Néanmoins, l'idée de méthode expérimentale commença d'être élaborée de manière précise par Épicure et les sceptiques, méthode qui jouera également un rôle important dans le développement de la médecine.
Hormis pour des précurseurs comme les philosophes de l'école milésienne, Démocrite, et bien d'autres, le comportement et la nature du monde étaient expliquées par l'action de dieux. Vers , un certain nombre de philosophes grecs (par exemple Thalès de Milet) commençaient à admettre que le monde pût être compris comme le résultat de processus naturels. Certains reprirent la contestation de la mythologie amorcée par ce même Démocrite concernant par exemple les origines de l'espèce humaine. (Ils anticipaient en cela les idées de Charles Darwin — mais cela entre dans l'histoire de la biologie plutôt que dans celle de la physique.)
Faute de matériel expérimental perfectionné (télescopes…) et d'instruments précis de mesure du temps, la vérification expérimentale de telles idées était difficile sinon impossible. Il y eut quelques exceptions : par exemple, le penseur grec Archimède décrivit correctement la statique des fluides après avoir remarqué un jour, si l'on en croit la légende, que son propre corps déplaçait un certain volume d'eau alors qu'il entrait dans son bain. Un autre exemple remarquable fut celui d'Ératosthène, qui - persuadé pour d'autres raisons, dont les éclipses de lune, que la Terre était sphérique - parvint à calculer sa circonférence en comparant les ombres portées par des bâtons verticaux en deux points éloignés de la surface du globe. En appliquant le résultat des mêmes observations à une Terre plate il en eût déduit la distance du soleil, ce qui nous rappelle que toute interprétation s'appuie nécessairement sur des présuppositions antérieures (voir inférence bayésienne).