Histoire de la gravitation - Définition

Moyen age

Brahmagupta

Aux VII^e, l'astronome et mathématicien indien, Brahmagupta à qui l'on doit le concept mathématique du zéro, rejetait les conceptions qui régnaient à l'époque concernant la forme de la terre. Brahmagupta suggéra que la terre était ronde. Devant l'absurdité apparente de cette posture à l'égard de la forme du monde, ses contemporains lui firent remarquer que si la terre était bel et bien ronde alors les arbres et les pierres qui se trouvaient sur son sol devraient tomber de la terre pour aller se perdre dans l'immensité du ciel. Brahmagupta leurs répondit ainsi :

« (...) Toutes les choses lourdes sont attirées vers le centre de la terre.(...) La terre reste la même sur tous ses côtés. Tous les peuples de la terre s'y tiennent dressés et tous corps lourds retombent à la terre par une loi naturelle car c'est la nature de la terre que d'attirer et de garder sur elle les choses comme c'est la nature de l'eau de couler, du feu de bruler et du vent de souffler... »

Ainsi, pour Brahmagupta, contrairement à Aristote, il n'appartient pas aux corps de tomber, c'est plutôt à la terre qu'incombe la tâche de faire tomber les corps.

Aujourd'hui

Après Einstein

Croix d'Einstein : Effet de mirage gravitationnel pris par le télescope spatial Hubble

Les dix équations d'Einstein n'ont pas le temps d'être étudiées par une communauté assez étoffée. Car le temps est à l'électrodynamique, et à l'atome : de Rutherford (1909), de Bohr (1913): le monde scientifique est bien plus pressé de comprendre enfin le microcosme, éclairé par la constante de Planck. Entre 1924 et 1930, un coin du voile est soulevé : grâce aux travaux de physiciens Bohr, Dirac, de Broglie, Heisenberg, Schrödinger etc.. la physique de la matière et partant toute la chimie est enfin expliquée sur des bases solides : la mécanique quantique est née. Ses progrès en physique du solide donneront le transistor, puis le microprocesseur, puis les réseaux, puis les GSM et Internet.

Il est clair dans ces conditions que la relativité générale reste à l'étiage.

Revivifiée par l'école anglaise (Penrose et Hawking), par les observations du rayonnement fossile (Penzias et Wilson), par le rayonnement gravitationnel des binaires (Hulse et Taylor), par l'existence des trous noirs et par l'observation de mirages gravitationnels (Walsh et al.), la théorie de la gravitation perdure et on essaie de la tester sur Terre (projets LIGO et Virgo, ...). Les calculs sont très durs, mais avec les logiciels, on progresse.

Mais surtout, on essaie de la quantifier : la théorie de la gravité quantique résiste à des centaines de chercheurs ; le graviton se cache et le rêve de l'unification des quatre interactions fondamentales de la physique moderne reste encore, en 2008, un problème à résoudre...

Des temps modernes à l'époque contemporaine

Entre Newton et Einstein

Albert Einstein, père de la relativité générale, actuelle théorie de la gravitation.

De 1687 à 1915, bien des tentatives seront faites pour corriger cette loi. En vain, ce ne furent que des réécritures.

Elle fut même utilisée comme modèle : la loi entre les charges électrostatiques (de Charles de Coulomb) sera copiée sur celle de Newton ; puis celle entre les masses magnétiques, mais ce dernier modèle fut invalidé par l'expérience.

Jusqu'au XXième siècle, la gravitation newtonienne avait l'incontournable qualité de fournir les résultats théoriques les plus conformes à l'expérience et à l'observation. Toutefois, elle fut jugée insatisfaisante sur plusieurs points par Newton lui-même : la force de gravitation agit à distance au travers du vide, et elle agit instantanément.

Dans une lettre de Newton à Richard Bentley en 1692 : « Que la gravité soit innée, inhérente et essentielle à la matière, en sorte qu'un corps puisse agir sur un autre à distance au travers du vide, sans médiation d'autre chose, par quoi et à travers quoi leur action et force puissent être communiquées de l'un à l'autre est pour moi une absurdité dont je crois qu'aucun homme, ayant la faculté de raisonner de façon compétente dans les matières philosophiques, puisse jamais se rendre coupable »

Cette critique fut négligée par certains ou contournée par d'autres en utilisant une sorte d'éther mécanique, milieu incolore, impalpable et impondérable, transmettant instantanément la force d'attraction : idée introduite par Newton lui-même dans le Scholium général du livre III des Principia. Mais cet éther est toujours restée une hypothèse passive, n'intervenant pas dans les calculs, ayant le statut d'hypothèse rassurante quant à la cohérence de cette théorie.

Sous l'impulsion de Michael Faraday est introduite la notion de champ qui permit de regarder le problème sous un autre angle, notamment en utilisant la notion de "flux coupé", et qui s'avéra indispensable dans les développements ultérieurs de la physique, notamment pour l'électromagnétisme, puis plus tard, pour la modélisation de la gravitation par Einstein.

Le champ ou champ de force de la gravitation est une propriété de l'espace due à la masse d'un corps. Une autre masse entrant un contact avec ce champ est soumis à une influence, une force, due au champ. Ainsi, l'influence gravitationnelle n'est pas, dans ce cadre, crée et transportée instantanément d'un corps à l'autre, mais est déjà présente dans tout l'espace sous la forme du champ et à son contact un corps voit sa dynamique modifiée.

La notion de champ électromagnétique se révéla particulièrement pertinente par la suite, d'autant plus que ce champ là transporte de l'énergie et de la quantité de mouvement issus du corps qui l'émet. Le champ gravitationnel n'apporta pas les mêmes satisfactions et avait hérité de la propriété d'être instantanément modifié par le corps qui le crée. De plus l'éther n'en resta pas moins le support hypothétique du champ.

Einstein

Nul doute que la notion de champ ait influencé Einstein dès 1905. Au moment où il écrit sa majestueuse relativité générale, on sait en astronomie qu'il existe un fait qui intrigue : malgré toutes les corrections d'erreurs systématiques, le mouvement du périhélie de Mercure reste inexpliqué: il subsiste une précession de 43" d'arc par siècle.

Ses équations sont très sophistiquées, mais de beauté simple. Elles introduisent la notion de temps retardé aussi. Il applique la légère correction à la loi de Newton dans le cas du problème de Mercure : merveille, il trouve 43" d'arc par siècle. Il prévoit aussi que la lumière doit tomber : Eddington le vérifiera en 1920 (avec une précision bien maigre).