INTERACTIONS (physique) Interaction gravitationnelle
La gravitation est responsable de phénomènes aussi différents que la pesanteur ressentie par tout un chacun, le mouvement des planètes ou l'expansion de l'Univers. Cette force de gravitation est extrêmement faible entre particules élémentaires, mais ses effets deviennent importants si les corps considérés ont des masses de l'ordre de celle d'une planète. La théorie qui aujourd'hui rend le mieux compte des phénomènes gravitationnels est la relativité générale, qu'on ne sait pas inclure dans un formalisme de quantification. Avant 1915, la gravitation était décrite par la théorie newtonienne qui fait appel au concept d'actions instantanées à distance. Dans la relativité générale, toutes les actions instantanées à distance sont supprimées, mais au prix d'un bouleversement complet du cadre spatio-temporel.
La théorie de Newton
Gravitation entre le Soleil et une planète
Encyclopædia Universalis France
Après des siècles de débats et de mesures, une synthèse décisive de ce qui constitue la notion de gravitation est exposée dans les Principia (1687) d'Isaac Newton. Elle a son origine dans la comparaison des forces de pesanteur en différents points de la Terre et dans l'observation du mouvement de la Lune (fig. 1). Newton suppose que celle-ci « tombe » sur la Terre suivant la loi de Galilée, mais que, en raison de sa vitesse initiale, elle décrit une trajectoire curviligne. Après que la mesure précise du rayon terrestre, réalisée par Jean Picard en 1682, a permis un calcul correct des masses, l'hypothèse newtonienne est confirmée : pesanteur et gravitation sont les deux aspects d'un même phénomène et obéissent à une même loi.
Cette loi élémentaire :
En admettant, selon les critères expérimentaux, la proportionnalité universelle entre la « masse grave » M d'un corps, responsable des actions de gravitation, et sa « masse inerte » m, conçue comme une résistance aux variations de vitesse (accélération), c'est-à-dire en posant :
En rapprochant cette loi d'attraction de la loi fondamentale de la dynamique :
Il est alors possible de passer de l'accélération γ à la forme des trajectoires en utilisant un procédé d'intégration mis au point par Newton lui-même : la méthode des fluxions. Il est remarquable que le calcul infinitésimal, si récemment développé, ait été précisément l'outil nécessaire pour éprouver la validité de la loi d'attraction, par une déduction des caractéristiques des trajectoires. Le calcul des trajectoires permet en effet à Newton de retrouver toutes les prévisions képlériennes relatives au mouvement des planètes.
Tout au long du xviiie siècle, des progrès aussi bien théoriques qu'expérimentaux viennent étayer la nouvelle théorie de l'attraction : développement sur le problème des deux corps (Daniel Bernoulli, 1734) ; mesure de l'aplatissement terrestre (1737) en accord avec les prévisions newtoniennes ; le retour de la comète de Halley, prédit pour 1759 par les tables newtoniennes, est effectivement observé. Enfin, la mécanique analytique de Lagrange réécrit la dynamique newtonienne en s'appuyant sur la notion de potentiel gravitationnel et sur le principe de moindre action (« le chemin que tient la lumière est celui pour lequel la quantité d'action[...]
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Écrit par
- Alain KARASIEWICZ : chercheur au Laboratoire de gravitation et cosmologie relativistes, université de Paris-VI
- Marie-Antoinette TONNELAT : professeur à la faculté des sciences de l'université de Paris-VI-Pierre-et-Marie-Curie
Classification
Médias
Gravitation entre le Soleil et une planète
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Encyclopædia Universalis France
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