Gravitation - Définition

La modélisation de Galileo Galilei (1564-1642)

Galilée ne se préoccupe guère du problème de la chute dans le vide d'objets de natures différentes : il a déjà beaucoup à faire avec la chute de sphères de métal, des corps graves, sur la terre elle-même sphérique ; de plus, la notion de vide est absente de sa pensée (la découverte de la notion physique de vide par Torricelli, élève de Galilée, n'a lieu qu'en 1644).

Par une expérience du haut de la tour de Pise, il aurait constaté que des balles lourdes et de poids différents ont le même temps de chute, mais, quand il affirme que la vitesse de chute ne dépend pas du poids de l'objet, la raison qu'il expose tient à des expérimentations sur des pendules aux poids différents.

Vers 1604, Galilée utilise un constat : quand on lâche un objet, sa vitesse initiale est nulle, et arrivé au sol sa vitesse… n'est pas nulle. Donc la vitesse varie durant la chute ! Galilée propose une loi simple : la vitesse serait proportionnelle au temps écoulé depuis le début de la chute.

Ainsi : vitesse = constante×temps écoulé

Il en conclut, par un calcul qui s'approche du calcul intégral (qui sera formellement inventé par Isaac Newton et Gottfried Wilhelm von Leibniz près de 80 ans plus tard), reprenant la démonstration établie plus de deux siècles auparavant par Nicolas d'Oresme, que, pendant une chute, la distance parcourue est proportionnelle au carré du temps écoulé.

Plus précisément : distance = constante×0,5×temps écoulé²

Son idée est confirmée dans une expérience, avec du matériel construit de sa main : une gouttière inclinée le long de laquelle des clochettes sont disposées pour indiquer le passage de la bille.

La constante sera notée g (voir pesanteur) et sa valeur déterminée expérimentalement : g = 9,81 m·s^-2.

Aujourd'hui, encore cette modélisation reste satisfaisante pour toutes les activités humaines qui se font au niveau du sol de la Terre.

La modélisation d'Albert Einstein (1879-1955)

Depuis la relativité générale, la gravitation n'est plus perçue comme une force d'attraction, mais plutôt comme une manifestation de la déformation de la géométrie de l'espace-temps sous l'influence des objets qui l'occupent.

Après avoir énoncé la théorie de la relativité restreinte en 1905, Albert Einstein cherche à la rendre compatible avec la gravitation dont la force se propage à une vitesse infinie, dans la théorie de Newton, alors que la vitesse de la lumière est la vitesse maximale pour toute interaction selon la relativité restreinte.

Vers 1915, la solution viendra de l'hypothèse que la gravitation n'est pas une force au sens usuel que l'on donne à ce mot en physique, mais une manifestation de la déformation de l'espace-temps sous l'effet de l'énergie de la matière qui s'y trouve. Cette hypothèse est une conséquence de l'observation que tous les corps tombent de la même façon dans un champ de gravitation, quelles que soient leur masse ou leur composition chimique. Cette observation, a priori fortuite, en théorie newtonienne, et remarquablement vérifiée expérimentalement, est formalisée sous le nom de principe d'équivalence et amène naturellement à considérer que la gravitation est une manifestation de la géométrie de l'espace-temps.

La théorie ainsi construite, qui porte le nom de relativité Générale, incorpore le principe de relativité, et la théorie newtonienne en est une approximation dans la limite des champs gravitationnels faibles et des vitesses petites devant celle de la lumière. En effet, les déformations de l'espace-temps prévues sous l'effet des corps massifs, quand ceux-ci ont une forte accélération, ne se propagent pas plus vite que la vitesse de la lumière, ce qui résout le paradoxe de l'instantanéité apparente de l'interaction newtonienne. Il en résulterait des ondes gravitationnelles, qui restent encore à observer.