Comment agit la Gravitation ? |
Cette mystérieuse force qui forme les étoiles et nous garde les pieds sur Terre...
De toutes les découvertes révolutionnaires d'Isaac Newton, la gravitation était bien la plus audacieuse. Dans les années 1660, Newton voit une pomme tomber au sol et ose poser la question essentielle : "Pourquoi ?" Pourquoi cette pomme ne s'élève-t-elle pas majestueusement vers le ciel ? Pourquoi l'eau cherche-t-elle toujours à couler le plus bas possible ? Pourquoi la Lune n'est pas catapultée dans l'espace ? À cette époque, les réponses sont reliées de façon intime à la religion.
Plutôt que de méditer sur les mystères du divin, Newton dresse des formules. Sa loi de la gravitation universelle, telle que présentée dans son traité de 1687 Principia, établit que les particules de matière dans l'univers s'attirent mutuellement avec une force mesurable appelée gravitation (du latin gravitas qui signifie "poids"). La puissance de la force gravitationnelle augmente avec la masse et diminue avec la distance. 
En d'autres mots, plus l'objet est grand, plus il exerce une force de gravitation et plus vous vous trouvez près de cet objet, plus l'attraction est forte. Voici la (<-) brillante formule de Newton pour calculer la force gravitationnelle entre deux objets - m1 et m2 étant les masses des deux objets, r la distance
entre les centres gravitationnels des deux objets et G la constante universelle de gravitation.
Le plus étrange avec cette loi est qu'elle est universelle. Bien que le fait soit difficile à concevoir, non seulement une attraction gravitationnelle existe entre la pomme et la Terre, mais il en existe également une entre nous et la pomme. En essence, deux objets qui ont de la masse - qu'elle soit aussi énorme qu'une galaxie ou aussi infime qu'un atome - exercent une force gravitationnelle mutuelle. Pourquoi alors ne sommes-nous pas "collés" comme un aimant au pied d'un gratte-ciel ? C'est parce que le grand G de l'équation de Newton est en réalité incroyablement petit, de l'ordre de 6,67 x 10-11 Newtons (m²kg-2). Oui, l'exposant est bien négatif. À moins que la masse combinée des deux objets soit très très élevée, la force gravitationnelle entre eux est indétectable.
LA GRAVITATION AU SEIN DU SYSTÈME SOLAIRE
Comme l'a théorisé Newton, chaque particule de matière exerce une attraction gravitationnelle sur chaque autre particule de matière. Si nous concentrons une grande quantité de matière en un endroit, son attraction gravitationnelle sera bien plus forte qu'avec une poignée de particules espacées. La masse est la mesure de la quantité de matière dont est constitué un objet. Plus la masse est importante, plus elle aura d'influence gravitationnelle. Chaque planète, lune, étoile et galaxie possède une masse différente et par conséquent génère une attraction gravitationnelle unique. La masse de la Terre attire un objet tombant vers le sol à une vitesse de 9,81m/s² dont le symbole est "g". La masse du Soleil est 333.000 fois plus importante que celle de notre planète. Un objet tombant vers la surface du Soleil sera attiré à une vitesse approchant 274 m/s², soit 28 fois plus rapidement que sur la Terre.
La Terre est un très très gros objet avec une masse de 5,97219 x 1024 Kg. Par comparaison, notre masse (pas le poids) s'approche globalement des 70 Kg. En appliquant l'équation de Newton, avec m1, la masse de la Terre, m2, notre propre masse et r le rayon terrestre, nous obtenons 686 Newtons. C'est la force gravitationnelle qui existe entre nous et la Terre, ou encore la force que notre masse exerce à travers la gravitation, soit notre poids à la surface de la planète. En revanche, si nous devions appliquer les mêmes valeurs en étant tel un avion gros-porteur à l'altitude de croisière de 12.200 m au-dessus du niveau de la mer, nous exercerions deux Newtons de force en moins car la distance séparant notre centre de gravité du centre de la Terre serait plus grande.
Grâce à la deuxième loi de Newton sur le mouvement, nous savons que la force égale la masse multipliée par l'accélération (sous la forme f=ma). Puisque nous connaissons la masse combinée homme + Terre, nous pouvons résoudre l'accélération de la gravitation (a=f/m). La réponse, 9,8 m/s², s'appelle également "petit g". Petit g, comme grand G, est une constante, mais uniquement pour les objets sur ou proches de la surface terrestre. Sur la Lune ou près du Soleil, c'est une toute autre histoire. Petit g est essentiel car il explique pourquoi les objets accélèrent à un taux constant lorsqu'ils tombent sur la Terre, même si leur masse est différente. Par exemple, si nous poussions une BMW et une balle de bowling dans le vide du haut de l'hôtel Burj Khalifa à Dubaï, elles toucheraient le sol au même moment. Les seules exceptions sont les objets ayant peu de masse et une grande surface, comme une plume ou un parachute, qui descendent lentement en flottant en raison des frottements de l'air. En revanche, dans un environnement privé d'air - par exemple un vide de laboratoire ou la surface de la Lune - croyez le ou non, la plume et la boule de bowling tomberaient au même taux constant.
La gravitation est la force d'attraction qui existe entre deux objets ; c'est un processus réciproque. Non seulement nous sommes attirés par la Terre avec une force de 686 Newtons, mais la Terre est attirée par nous avec une force égale. Si nous tombons d'un arbre et accélérons vers la Terre à 9,8 m/s², la Terre accélère également vers nous. Impossible ? D'accord, le monde ne se décroche pas de son orbite chaque fois qu'un maladroit tombe d'un arbre ; mais la différence se trouve dans le taux d'accélération. Si a=f/m et si f=686 Newtons, alors le taux d'accélération ralentit à mesure que la masse grossit. Oui la Terre, techniquement parlant, accélère vers nous et vers tout autre objet qui tombe, mais ce taux d'accélération est si infime - et l'inertie et l'élan de la Terre si énormes - qu'aucun balancement n'est même vaguement détectable.Bien que la loi universelle de la gravitation de Newton nous permette de calculer la force et n'explique pas ce qu'est la gravitation et comment elle agit au niveau atomique.
Albert Einstein s'y attela avec sa théorie de la relativité générale, publiée au début du 20e siècle, qui explique la gravitation comme une courbure du "continuum espace-temps". Einstein arguait qu'il existe une quatrième dimension : celle de l'espace et du temps. Les objets avec de grandes masses, comme les planètes, peuvent déformer la dimension espace-temps, comme une boule de bowling placée sur un trampoline. Si nous faisons rouler une bille sur le trampoline, elle sera attirée vers la boule de bowling. C'est ce qui, selon Einstein, se passerait avec les planètes : elles "roulent" en orbite autour d'un énorme corps céleste comme le Soleil ; ou encore avec un faisceau de lumière cosmique qui se courbe lorsqu'il franchit un trou noir. Cette théorie révolutionnaire n'explique pourtant pas le mécanisme à l'ouvre dans la gravitation. Qu'est-ce qui, exactement, exerce cette force entre deux objets À l'heure actuelle, de nombreux physiciens pensent que l'interaction gravitationnelle est l'ouvre de particules sans masse, indétectables, appelées gravitons. D'autres parlent d'ondes gravitationnelles, ces ondes de choc à peine décelables créées par la collision d'étoiles à neutrons ou l'explosion d'une supernova.
Malgré les limites de notre compréhension, ce qui a commencé par une pomme tombant d'un arbre nous a permis de percer un tant soit peu le mystère des forces qui guident l'univers. La gravitation, cette force qui maintient nos pieds au sol et dirige les marées du monde tel un chef d'orchestre, semble être la même force antique qui lia ensemble les éléments cosmiques primordiaux pour former les premières étoiles et galaxies. A méditer la prochaine fois que vous tombez d'un arbre.
COMMENT ÇA MARCHE N°29 > Novembre > 2012 |
Quelle est la Nature de la Gravitation ? |
C'est vrai : la gravitation, au fond, c'est quoi ? Deux corps qui s'attirent, soit. Mais... pourquoi ?
Eh bien, Newton lui-même, auteur de la loi de la gravitation universelle, se refusait à émettre la moindre hypothèse quant à la nature du phénomène qu'il avait découvert. Il faudra attendre le XXè siècle pour qu'Einstein apporte une réponse satisfaisante, grâce à sa théorie de la relativité générale : la gravitation est la conséquence d'une déformation de l'espace-temps par tout objet possédant une masse. Adieu les forces à distance de Newton, qui envoyaient aux oubliettes les tourbillons de Descartes. Ce dernier imaginait les astres portés par des courants circulaires composés d'éther, une substance imperceptible mais omniprésente dans l'Univers. Dans celle vision, le mouvement des planètes était régi par des contacts, qui évoquaient les engrenages d'une horloge mécanique. C'était avant que Newton n'affirme, à la fin du XVIIè siècle, que l'éther n'existe pas et que la Lune tombe en permanence sur la Terre de la même façon qu'un objet tombe par terre. A la seule différence que la Lune, de par sa vitesse initiale, est soumise à une force centrifuge qui compense l'action exercée par notre planète, et la maintient en orbite.
Mais trop de questions restaient en suspens. Quelle était donc cette force qui attirait les corps entre eux ? Comment pouvait-elle agir à distance, dans le vide, et... instantanément ?
L'INSTANTANÉ N'EXISTE PAS
En 1905, Einstein propose alors sa théorie de la relativité restreinte : désormais, la vitesse de la lumière est une limite infranchissable. L'instantané n'existe pas. La gravitation ne peut donc pas agir instantanément ! La notion de force est ensuite écartée, et en 1916, le physicien allemand aboutit à sa révolutionnaire théorie de la gravitation, baptisée "relativité générale" : les planètes décrivent des trajectoires courbes, non parce qu'elles sont soumises à des forces, mais parce qu'elles évoluent dans un champ gravitationnel, un espace-temps courbé par la proximité d'une masse importante (comme une étoile). Ce qu'on a coutume d'illustrer par un poids qui creuse la toile élastique sur laquelle il est posé. Ainsi, dans cet espace-temps courbé, les trajectoires le sont aussi. Dès lors, on ne peut plus dissocier la gravitation de la matière : celle-ci dicte à l'espace-temps la façon de se déformer, et ce dernier dicte à la matière la façon de se déplacer. De ce point de vue, la nature de la gravitation est donc un aspect de la géométrie de l'espace-temps.
B.R. - SCIENCE & VIE > Janvier > 2008 |