La gravité : Qu’est-ce que c’est ?

La gravité : Qu’est-ce que c’est ?

La gravité est l’une des forces fondamentales de l’univers et domine chaque instant de notre expérience consciente. Elle nous maintient près du sol, arrache les balles de baseball et de basket-ball de l’air et donne à nos muscles quelque chose contre quoi lutter. Sur le plan cosmique, la gravité est tout aussi importante.

De l’effondrement des nuages d’hydrogène en étoiles au collage des galaxies, la gravité est l’un des rares acteurs qui déterminent les grandes lignes de l’évolution de l’univers.

D’une certaine manière, l’histoire de la gravité est aussi l’histoire de la physique, certains des plus grands noms de ce domaine ayant trouvé la gloire en définissant la force qui régissait leur vie. Mais même après plus de 400 ans d’études, cette force énigmatique reste au cœur de certains des plus grands mystères de la discipline.

Quatre forces fondamentales agissent sur nous tous les jours. La force forte et la force faible ne fonctionnent qu’au centre des atomes. La force électromagnétique régit les objets ayant une charge excessive (comme les électrons, les protons et les chaussettes qui traînent sur un tapis pelucheux), et la gravité dirige les objets ayant une masse.

Les trois premières forces ont largement échappé à l’attention de l’humanité jusqu’à ces derniers siècles, mais les gens ont longtemps spéculé sur la gravité, qui agit sur tout, des gouttes de pluie aux boulets de canon.

Les philosophes grecs et indiens de l’Antiquité ont observé que les objets se déplaçaient naturellement vers le sol, mais il a fallu un éclair de lucidité d’Isaac Newton pour faire passer la gravité d’une tendance impénétrable des objets à un phénomène mesurable et prévisible.

La description de la gravité par Newton était suffisamment précise pour détecter l’existence de Neptune au milieu des années 1800 avant que quiconque ne puisse la voir, mais la loi de Newton n’est pas parfaite. Dans les années 1800, les astronomes ont remarqué que l’ellipse tracée par l’orbite de Mercure se déplaçait plus rapidement autour du soleil que ce que la théorie de Newton prévoyait, suggérant un léger décalage entre sa loi et les lois de la nature. L’énigme a finalement été résolue par la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, publiée en 1915.

Avant qu’Einstein ne publie sa théorie révolutionnaire, les physiciens savaient comment calculer l’attraction gravitationnelle d’une planète, mais leur compréhension de la raison pour laquelle la gravité se comportait de cette manière n’avait guère dépassé celle des philosophes de l’Antiquité. Ces scientifiques comprenaient que tous les objets s’attirent les uns les autres avec une force instantanée et d’une portée infinie, comme l’avait postulé Newton, et de nombreux physiciens de l’époque d’Einstein étaient satisfaits d’en rester là. Mais en travaillant sur sa théorie de la relativité restreinte, Einstein avait déterminé que rien ne pouvait voyager instantanément, et que l’attraction gravitationnelle ne devait pas faire exception.

Pendant des siècles, les physiciens ont traité l’espace comme un cadre vide dans lequel les événements se déroulaient, selon l’encyclopédie de philosophie de Stanford. Il était absolu, immuable et n’existait pas réellement, dans aucun sens physique. La relativité générale a fait passer l’espace, ainsi que le temps, d’une toile de fond statique à une substance un peu semblable à l’air dans une pièce. Selon Einstein, l’espace et le temps forment ensemble le tissu de l’univers et cette matière « espace-temps » peut s’étirer, se comprimer, se tordre et tourner, entraînant tout ce qui s’y trouve.

Einstein a suggéré que la forme de l’espace-temps est à l’origine de la force que nous connaissons sous le nom de gravité. Une concentration de masse (ou d’énergie), comme la Terre ou le Soleil, déforme l’espace qui l’entoure comme un rocher déforme le cours d’une rivière. Lorsque d’autres objets se déplacent à proximité, ils suivent la courbure de l’espace, comme une feuille pourrait suivre un tourbillon autour du rocher (bien que cette métaphore ne soit pas parfaite car, au moins dans le cas des planètes en orbite autour du soleil, l’espace-temps ne « coule » pas). Nous voyons les planètes tourner autour du soleil et les pommes tomber parce qu’elles suivent des trajectoires à travers la forme déformée de l’univers. Dans les situations quotidiennes, ces trajectoires correspondent à la force prévue par la loi de Newton.

Les équations de champ de la relativité générale d’Einstein, un ensemble de formules qui illustrent comment la matière et l’énergie déforment l’espace-temps, ont été acceptées lorsqu’elles ont permis de prédire les changements d’orbite de Mercure, ainsi que la courbure de la lumière des étoiles autour du soleil lors d’une éclipse solaire en 1919.

La description moderne de la gravité prédit si précisément l’interaction des masses qu’elle est devenue un guide pour les découvertes cosmiques.

Les astronomes américains Vera Rubin et Kent Ford ont remarqué dans les années 1960 que les galaxies semblent tourner assez vite pour faire tourner les étoiles comme un chien secoue des gouttelettes d’eau. Mais comme les galaxies qu’ils ont étudiées ne se séparaient pas en tourbillonnant, quelque chose semblait les aider à rester ensemble. Les observations approfondies de Rubin et Ford ont fourni des preuves solides à l’appui de la théorie de l’astronome suisse Fritz Zwicky, proposée dans les années 1930, selon laquelle une variété invisible de masse accélère les galaxies dans un amas proche. La plupart des physiciens soupçonnent aujourd’hui cette mystérieuse « matière noire » de déformer suffisamment l’espace-temps pour que les galaxies et les amas de galaxies restent intacts. D’autres, cependant, se demandent si la gravité elle-même ne tire pas davantage à l’échelle des galaxies, auquel cas les équations de Newton et d’Einstein devraient être ajustées.

Les modifications apportées à la relativité générale devront être délicates, car les chercheurs ont récemment commencé à détecter l’une des prédictions les plus subtiles de la théorie : L’existence d’ondes gravitationnelles, ou ondulations de l’espace-temps, causées par l’accélération des masses dans l’espace. Depuis 2016, une collaboration de recherche exploitant trois détecteurs aux États-Unis et en Europe a mesuré de multiples ondes gravitationnelles traversant la Terre. D’autres détecteurs sont en route, lançant une nouvelle ère de l’astronomie dans laquelle les chercheurs étudient les trous noirs et les étoiles à neutrons lointains – non pas par la lumière qu’ils émettent, mais par la façon dont ils font gronder le tissu de l’espace lorsqu’ils entrent en collision.

Pourtant, la série de succès expérimentaux de la relativité générale passe sous silence ce que de nombreux physiciens considèrent comme un échec théorique fatal : Elle décrit un espace-temps classique, mais l’univers apparaît en fin de compte comme étant quantique, c’est-à-dire constitué de particules (ou « quanta ») telles que les quarks et les électrons.

La notion classique de l’espace (et de la gravité) comme un tissu lisse se heurte à l’image quantique de l’univers comme une collection de petits morceaux pointus. La manière d’étendre le modèle standard de la physique des particules, qui englobe toutes les particules connues ainsi que les trois autres forces fondamentales (électromagnétisme, force faible et force forte), pour couvrir l’espace et la gravité au niveau des particules reste l’un des plus grands mystères de la physique moderne.

Lea LAMBERT

Lea LAMBERT

Elle est photographe professionnelle. Elle souhaite partager son amour de la photo à travers différentes illustrations de nos articles. Léa adore la région nantaise et ses paysages. Son expertise est un atout pour notre équipe.

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