à augmenter dans un système isolé. Ce phénomène illustre la conversion d’une forme d’énergie organisée, comme l’énergie mécanique ou chimique, en une forme d’énergie désorganisée, telle que l’énergie thermique (ou chaleur), au cours d’une transformation thermodynamique. La croissance de l’entropie caractérise également la quasi-irréversibilité de ces transformations puisque le système ne peut – quasiment – jamais revenir à son état initial, ordonné. Ainsi, la mécanique statistique, outre qu’elle permet d’expliquer une multitude de phénomènes phy-siques, éclaire également la dissymétrie entre le passé et le futur, autrement dit, l’existence d’une flèche du temps.

Au début du xxe siècle, deux théories vont fonder l’essentiel de la physique contemporaine : la théorie de la relativité, dite improprement restreinte2, d’Eins-tein, et la mécanique quantique, à travers les travaux de Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg, Schrödinger, de Broglie, Dirac, Pauli, Born, von Neumann ainsi que d’autres. Plus que de simples théories, la relativité et la mécanique quantique3 sont considérées comme des « théories-cadres », car elles fournissent chacune une structure formelle globale regroupant des concepts et des principes généraux que doivent respecter des théories plus spécifiques. Celles qui ne respectent pas stric-tement ces principes sont alors considérées comme des approximations valables uniquement dans des limites appropriées.

La relativité d’Einstein, en associant le concept de relativité du mouvement4 à l’invariance de la vitesse de la lumière5, fusionne les notions d’espace et de temps. Ces notions, qui étaient absolues dans la physique galiléenne ou newtonienne, deviennent alors relatives. Elle fait émerger la notion d’espace-temps, qui devient le nouveau cadre dans lequel tout mouvement doit être considéré. Elle impose éga-lement un principe d’invariance, dite invariance relativiste einsteinienne6, auquel toute théorie décrivant des phénomènes impliquant des vitesses proches de celle de la lumière doit obéir, comme c’est le cas de l’électromagnétisme de Maxwell.

Si la théorie de la relativité modifie le cadre spatio-temporel dans lequel réside et évolue la matière, la mécanique quantique, dont l’objectif est de décrire les com-posants microscopiques de cette matière, bouleverse notre conception même de celle-ci. Elle présente, notamment, ces composants comme des entités qui allient, bien que non simultanément, des caractéristiques corpusculaires et ondulatoires, deux aspects incompatibles au sein de la physique newtonienne. Elle rend cadu-que la notion de trajectoire et invalide les idées de déterminisme et de localité, qui sont fondatrices de la physique classique. Cependant, cette théorie, qui s’avère être la plus précise, tant dans sa forme originale que dans sa version relativiste7, fournit également le cadre général dans lequel toute théorie du monde micros-copique doit s’intégrer.

Peu après l’avènement de la théorie de la relativité restreinte, Einstein élabore celle de la relativité générale, qui se propose de fournir un cadre relativiste à la gra-vitation. Dans ce cadre, cette dernière perd son statut de force, tel qu’il était défini dans la physique newtonienne, pour devenir une notion purement géométrique : la courbure de l’espace-temps, générée par la présence de matière et d’énergie. Ces révolutions se sont poursuivies dans la seconde moitié du xxe siècle avec la découverte de deux interactions fondamentales : l’interaction « forte », qui agit entre les quarks ainsi qu’entre les protons et les neutrons (appelés « hadrons »), dont ils sont constitués8. Cette force garantit la cohésion du noyau atomique, de la même manière que l’interaction électromagnétique, qui agit entre le noyau et les électrons, assure celle des atomes et des molécules. L’autre interaction, dite « faible9 », agit sur les quarks et les leptons, tels que les électrons et les neutrinos. Elle régit divers processus radioactifs et permet, en particulier, la conversion des différents types de quarks, et donc des hadrons, entre eux. Ce phénomène est crucial, notamment dans le cadre de la fusion nucléaire qui se produit au cœur des étoiles.