Gravité : ça tombe sous le sens !

Pourquoi une pierre que l’on jette en l’air retombe sur le sol, et pourquoi les étoiles et la Lune, dans le ciel, ne nous tombent pas dessus ? Les mystères autour des mécaniques complexes de la physique ont attisé la curiosité des Hommes depuis des millénaires. Certains d’entre eux, comme Galilée ou Einstein, ont travaillé d’arrache-pied pour nous permettre, aujourd’hui, de mieux comprendre la gravité.

Le modèle géocentrique, ou la gravité selon Aristote et Ptolémée

La première hypothèse connue sur ces phénomènes fut formulée durant l’Antiquité, par le philosophe grec Aristote. D’après lui, les corps lourds, comme la pierre ou le métal, tombent pour rejoindre leur position naturelle, au centre de la Terre. Et plus un corps est lourd, plus il tombe vite. Et il pense que si la Lune et les étoiles ne tombent pas, c’est parce qu’elles dépendent d’un autre monde avec d’autres lois : le domaine des cieux. Plus tard, l’astronome Ptolémée va reprendre son hypothèse et la compléter, pour proposer un modèle qui va s’imposer pendant des centaines d’années. C’est Galilée, qui entre le XVI^e et le XVII^e siècle, va démontrer que cette théorie longtemps acceptée par les savants était fausse, et s’attirera notamment les foudres de l’Eglise.

Galilée, forces de friction et référentiels

Galilée va mettre en évidence un facteur qu’Aristote et Ptolémée n’avaient pas pris en compte : les forces de friction. Par exemple, lorsqu’une plume tombe à l’air libre, elle chute plus lentement qu’une pierre, mais dans une boîte privée d’air, les deux objets tombent à la même vitesse. A l’air libre, la plume et en fait ralentie par le frottement de l’air, une force de friction. Il va établir un nouveau modèle à partir d’une expérience menée avec une bille, un plan incliné. Il va pouvoir en conclure que plus un objet tombe longtemps, plus il tombe vite ; et que quand l’objet effectue un mouvement horizontal, si rien ne vient perturber ce mouvement, il garde une vitesse constante, sans ralentir ou accélérer. Toutefois, bien que Galilée ait réduit au maximum les frictions du sol en graissant la gouttière du plan, et celles de l’air en choisissant des billes de petit diamètre, ses expériences restent altérées par les forces de friction.

Ne pouvant isoler le phénomène qu’il souhaite observer, il décide de passer de la physique expérimentale à la physique théorique, en ne menant des expériences que dans ses pensées. C’est ainsi qu’il prend conscience que pour une seule expérience, plusieurs observations sont possibles selon les différents points de vue et points de repères dans l’espace, qu’il appelle « référentiel », qui doit donc obligatoirement être pris en compte lors d’une expérience. Par exemple, quand on regarde un objet en étant à l’intérieur d’un train en mouvement, l’objet nous semble immobile. Mais en le regardant depuis le référentiel terrestre, celui du sol, c’est-à-dire depuis l’extérieur du train, on voit le train, et donc l’objet, se déplacer à une certaine vitesse. Il va formuler une autre hypothèse : si on est dans un véhicule parfaitement clos, sans fenêtres, qui avance à vitesse constante et en ligne droite, il est impossible de savoir si on est en mouvement ou non. C’est un référentiel dit « galiléen ». En cas de freinage, d’accélération, ou de virage, de nouvelles forces entrent en jeu, et nous réalisons que nous sommes en mouvement.

Le modèle héliocentrique de Copernic, et le principe d’inertie

Les travaux de Galilée vont d’ailleurs permettre de conforter un autre modèle révolutionnaire, proposé par le Polonais Copernic un siècle auparavant. Pendant près de 1 600 ans, on utilisait un calendrier basé sur le modèle astronomique de Ptolémée, tiré de celui d’Aristote. Ce modèle partait du principe que la Terre était au centre de l’Univers, et que la Lune, le Soleil et les autres planètes tournaient autour d’elles. Et il utilisait des calculs complexes pour prévoir le cycle des saisons et le déplacement des planètes. Mais au fil du temps, les saisons se décalaient, nécessitant des ajustements réguliers du calendrier. Copernic propose alors un nouveau modèle astronomique qui, appliqué au calendrier des saisons, règle ces problèmes. C’est un modèle héliocentrique, un modèle dans lequel c’est autour du Soleil que tournent les planètes, dont la Terre. Bien loin du modèle géocentrique d’Aristote et Ptolémée approuvé par l’Eglise depuis des siècles.

Le modèle de Copernic va être renforcé grâce à une autre hypothèse de Galilée : celle du principe d’inertie. Tout objet a tendance à conserver son mouvement. S’il était à l’arrêt, il veut y rester, et s’il était en mouvement, il veut le poursuivre. Et plus la masse d’un objet est grande, plus son inertie est forte. C’est à cause de l’inertie que malgré la rotation de la Terre, lorsqu’on jette une pierre au-dessus de nous, elle retombe à nos pieds, et non pas plus loin. De plus, tout est relatif en fonction du référentiel. Imaginons que nous sommes dans un train en mouvement et qu’on jette un gobelet. Depuis le référentiel du train, le gobelet se déplaçait à 0 kilomètre par heure ; il y reste et tombe à nos pieds. Mais depuis le référentiel terrestre, le gobelet se déplace à la vitesse du train.

Les lois fondamentales de Kepler

Un siècle après Copernic, l’astronome allemand Johannes Kepler va finalement compléter ce modèle héliocentrique, avec trois lois fondamentales :

• Les planètes ne tournent pas en cercle parfait autour du Soleil, mais en ellipse plus ou moins étirée : c’est « l’excentricité d’une orbite ».
• Plus une planète passe près du Soleil, plus elle va vite, et inversement.
• Plus l’orbite d’une planète est large, plus une année y est longue. Par exemple, une année sur Terre dure environ 365 jours, tandis qu’elle dure plus de 10 000 jours sur Saturne.

Les lois de Kepler fonctionnent, malgré quelques imprécisions. Mais si elles décrivent fidèlement le mouvement des planètes, permettant notamment de prévoir le passage de Mercure devant le Soleil avec un an d’avance, elles ne parviennent cependant pas à l’expliquer.

La gravité selon Isaac Newton

Au XVII^e siècle, le physicien et mathématicien britannique Isaac Newton va lui aussi tenter d’expliquer comment et pourquoi les objets tombent. Il va lui-aussi formuler diverses lois :

• La première, fortement inspirée du principe d’inertie de Galilée : si toutes les forces exercées sur un objet se compensent, alors celui-ci conservera un mouvement rectiligne uniforme. Autrement dit, lorsqu’un objet avance, il avance sans fin, du moins jusqu’à ce qu’une autre force ne l’arrête, comme un obstacle.
• La deuxième : lorsqu’on pousse un objet, il accélère dans le sens de la force appliquée. Et plus un objet est massif, plus la force nécessaire pour lui donner une vitesse définie doit être importante.
• La troisième : tout corps soumis à une force exerce en retour une force de même intensité mais de direction opposée. C’est le principe d’action-réaction, qui explique, par exemple, pourquoi un canon recule en tirant un boulet.

Mais surtout, Newton va proposer un nouveau modèle qui va expliquer pourquoi les objets tombent, et pourquoi les planètes tournent : la loi de la gravitation universelle. Il affirme que la gravité est l’attraction, la force qu’exerce tout objet sur les autres. Elle dépend de la masse des objets : plus un objet est massif, plus son attraction gravitationnelle est grande. C’est donc la force d’attraction de la Terre qui attire les objets au sol. Mais la gravité est la plus faible des forces qui régissent l’Univers, et elle est trop infime pour être mesurée sur des objets comme une voiture ou une clé à molette, qui ne s’attirent donc pas. Et si la Lune ne tombe pas sur la Terre, c’est parce que sa vitesse est telle que la combinaison du mouvement vertical de chute et de son mouvement latéral l’empêche de toucher le sol.

Newton explique également que l’attraction gravitationnelle d’une planète diminue rapidement avec la distance. C’est pour cela que les Hommes, à la surface de la Terre qui dispose d’une certaine force d’attraction, ne ressentent pas l’attraction de Jupiter ou du Soleil, par exemple. Ou même celle de la Lune, plus lointaine et surtout moins forte, bien que suffisante pour influencer les marées et la rotation de notre planète. Grâce à ses lois, les Hommes disposent d’un modèle cosmologique qui fonctionne. Ainsi, ils parviendront par exemple à prédire l’existence de Neptune, grâce aux perturbations de l’orbite d’Uranus. Mais certains phénomènes restent inexpliqués, notamment le décalage de l’orbite de Mercure.

Albert Einstein et la théorie de la relativité générale

Au cours du XX^e siècle, Albert Einstein va remettre en question le modèle établi par Newton. Car pour que celui-ci fonctionne, il faut absolument que la force gravitationnelle s’applique à distance, partout dans l’univers et de façon instantanée. D’après lui, cela est impossible, car cela impliquerait que cette force soit plus rapide que la lumière, d’une vitesse de 300 000 kilomètres par seconde, ce qu’il considère comme la limite absolue. Il va donc développer un autre modèle avec la théorie de la relativité générale. D’après lui, la gravitation n’est pas une force, mais la manifestation d’une courbure de l’espace-temps provoquée par l’objet.

Pour illustrer, prenons un tissu élastique tendu. Si on place une boule de pétanque au milieu, qu’on va considérer comme le Soleil, le tissu va se déformer pour créer une sorte d’entonnoir. Si on fait ensuite rouler une bille, qui va jouer le rôle de planète, on peut voir que sa trajectoire va être infléchie, et elle va se rapprocher de la boule de pétanque en suivant les courbures du tissu. Les masses s’attirent donc en déformant l’espace-temps. Einstein affirme que cette déformation modifie aussi le déplacement de la lumière et l’écoulement du temps. Ses travaux vont révolutionner notre conception de l’univers, et vont ouvrir vers de nouveaux concepts, comme celui de l’expansion de l’univers et du Big Bang. Même si certains phénomènes restent inexpliqués, comme les trous noirs.