La force gravitationnelle est la force la moins puissante des quatre interactions fondamentales, mais aussi probablement, la plus simple à appréhender. Il existe 3 modèles de la gravitation, qui ont tous subit des reformulations au fil du temps, et qui représentent chacun, un bond monumentale dans l’histoire de la science.
1 ) Le premier modèle est celui de Galilée, aux alentours de 1604, qui constate ceci : Un objet en chute libre possède une vitesse initiale nulle, mais lorsqu’il arrive au sol, sa vitesse n’est pas nulle. Il est clair que la vitesse varie en fonction de la chute. Galilée propose alors une loi simple : la vitesse varierait de manière continue à partir de 0, et proportionnellement au temps écoulé depuis le début de la chute. Il établit ainsi la relation suivante : vitesse = constante × temps écoulé, il en conclut que, pendant la chute, la distance parcourue est est proportionnelle au carré du temps écoulé. Il décida de monter une autre expérience en utilisant du matériel construit de sa main, une gouttière inclinée le long de laquelle des clochettes sont disposées pour indiquer le passage de la bille. Il se rendit compte que, plus l’objet chutait, plus le bruit des cochettes se faisaient fréquents. Il découvrit la constante de la pesanteur terrestre, qui était déjà présente dans l’équation ci-dessus qui sera notée « g ». g = 9.81 m.s-², ou 9.81m/s².
2) Vint ensuite le modèle d’Isaac Newton. Dans la rubrique mécanique, un chapitre est consacré aux trois lois de Newton, pour cela, nous ne verrons ici que son modèle sur la gravitation. Newton alla plus loin dans le raisonnement de la mécanique des corps, il se basa sur l’étude de l’accélération, et non seulement de la vitesse, comme le firent Galilée ou Descartes. Il voulait tenter d’unifier les lois régissant les objets terrestres, avec celles régissant les astres, notamment, les mouvements des planètes. Il fût le premier à traiter la gravitation comme une « force ». A partir des lois de Kepler sur le mouvement des planètes, en considérant que cette force est proportionnelle à la quantité de matière présente dans le corps exerçant cette force et en vertu du principe des actions réciproques (que nous verrons plus en détail avec les lois de Newton), il exprima la force sous la forme : F = G x m1 x m2 / d2 ou G est la constante gravitationnelle ( 6,67408 x 10-11 Nm2kg-2 ), m1, la masse du premier objet, m2, la masse du second, et d, la distance entre les deux objets. Cependant, Newton avait des doutes quant à l’action à distance et la propagation instantanée de la force de gravitation d’un objet à un autre, de son point de vue, l’action était immédiate. Expérimentalement, la théorie newtonienne est bien vérifiée, et d’un point de vue technique, est suffisante pour faire voler des objets plus lourds que l’air et pour envoyer des hommes sur la lune. Quant à la force de pesanteur, elle est la résultante de la force de gravité, de la force centrifuge liée à la rotation de la Terre sur elle-même et de la loi de l’inertie du mouvement (Un chapitre sera également consacré à l’inertie et aux forces que l’on appelle « fictives », telles que la force centripète, la force centrifuge etc…).
3) La modélisation d’Albert Einstein : Nous avions évoqué que Newton pensait que la gravité se propageait à une vitesse infinie. Avec son postulat sur la relativité restreinte, et sa découverte sur la vitesse maximale que tout objet peut atteindre (la vitesse de la lumière), Einstein tenta de rendre compatible cette théorie avec celle de Newton. Vers 1915, l’hypothèse sera émise que la gravitation n’est pas une force au sens classique que l’on donne au mot en physique, mais une déformation de l’espace-temps sous l’effet de l’énergie de la matière qui s’y trouve. Au terme traditionnel de force se substitue le terme plus générique, interaction. L’hypothèse précédente résulte de l’observation que tous les corps tombent de la même manière dans un champ gravitationnel, et ceci, quelque soit leur masse ou leur composition chimique. Cette observation fût à priori fortuite en mécanique newtonienne, mais parfaitement vérifiée expérimentalement, est formalisée sous le nom de principe d’équivalence, qui amène naturellement à considérer que la gravitation est une manifestation de la géométrie à 4 dimensions de l’espace-temps. Cette théorie pris ensuite le nom de « Relativité générale », incorporant le principe de relativité de Galilée, et la théorie newtonienne en étant une approximation, dans la limite des champs gravitationnels faibles et des vitesses petites devant celle de la lumière. Effectivement, les déformations de l’espace-temps prévues sous l’effets de corps massifs, et lorsque ceux-ci ont une force accélération, ne se propagent pas plus vite que la vitesse de la lumière, ce qui résout le paradoxe de l’interaction instantanée dans le schéma newtonien. Résultant de ces interactions, les ondes gravitationnelles, détectées pour la première fois en 2015…
En astronomie, la gravitation de Newton est suffisante pour expliquer la majorité des phénomènes observés à l’échelle des étoiles. Elle est suffisante par exemple, pour décrire les trajectoires à l’intérieur du système solaire. En revanche, la relativité générale d’Einstein est nécessaire pour modéliser certains objets tels que les étoiles à neutrons, les trous noirs (bien que pas suffisante non plus), les mirages gravitationnels et d’autres objets encore.
En cosmologie, la gravitation est la force dominante à l’échelle de distance des étoiles et même des galaxies, par conséquent, les théories newtonienne et einsteinienne sont suffisantes. En revanche, dans beaucoup de situations, la théorie de Newton est en difficulté, par exemple, une description de l’univers homogène est impossible à travers cette dernière. La relativité générale, peut quant à elle, décrire une telle situation, mais a aussi ses limites. Elle ne suffit pour décrire la structure à grande échelle de l’univers, il faut lui adjoindre des hypothèses sur la répartition spatiale de la matière. D’après les observations faites à grande échelle, l’univers est homogène. Einstein avait émis ce fait observationnel, et lui avait donné le nom de « principe cosmologique » (1*).
Grâce à cette hypothèse, la relativité générale rend possible une modélisation plus cohérente de l’univers, cependant, outre la matière visible qui compose les étoiles et les gaz constituants des galaxies, existe une matière noire, au propriétés très peu connues (dont nous discuterons dans la rubrique lui étant consacrée).
Maintenant, comment se manifeste la gravité à l’échelle microscopique, et à l’échelle quantique ? à cette échelle, des forces beaucoup plus puissantes sont à l’oeuvre, et de ce fait, l’expérimentation de la gravitation se heurte à un problème majeur : les effets de la gravitation se perdent dans les inévitables imprécisions des mesures. Malgré ces difficultés, les recherches en gravité quantiques sont nombreuses, mais aucune tentative théorique n’a à ce jour été vérifiée expérimentalement.
Cosmologie, Univers et Physique 