La plupart des gens, à orientation scientifique ou autre, ont au moins une vague idée qu'une quantité ou un concept appelé "gravité" est ce qui maintient les objets, y compris eux-mêmes, attachés à la Terre. Ils comprennent que c'est une bénédiction en général, mais moins dans certaines situations - disons, lorsqu'ils sont perchés sur une branche d'arbre et un peu vous ne savez pas comment revenir au sol indemne ou lorsque vous essayez d'établir un nouveau record personnel dans une épreuve comme le saut en hauteur ou la perche sauter.
Il est peut-être difficile d'apprécier la notion de gravité elle-même jusqu'à voir ce qui se passe lorsque son influence est diminuée ou effacés, comme lorsque vous regardez des images d'astronautes sur une station spatiale en orbite autour de la planète loin de la Terre surface. Et en vérité, les physiciens ont peu d'idée de ce qui "cause" finalement la gravité, pas plus qu'ils ne peuvent dire à aucun d'entre nous pourquoi l'univers existe en premier lieu. Les physiciens ont cependant produit des équations qui décrivent ce que la gravité fait exceptionnellement bien, non seulement sur Terre mais dans tout le cosmos.
Une brève histoire de la gravité
Il y a plus de 2 000 ans, les anciens penseurs grecs ont proposé de nombreuses idées qui ont largement résisté à l'épreuve du temps et ont survécu à la modernité. Ils ont discerné que les objets lointains tels que les planètes et les étoiles (les vraies distances de la Terre dont, bien sûr, les observateurs n'avaient aucun moyen de savoir) étaient, en effet, physiquement liés les uns aux autres bien qu'ils n'aient vraisemblablement rien comme des câbles ou des cordes les reliant ensemble. En l'absence d'autres théories, les Grecs proposaient que les mouvements du soleil, de la lune, des étoiles et des planètes étaient dictés par les caprices des dieux. (En fait, toutes les planètes savent à l'époque qu'elles portaient le nom de dieux.) Bien que cette théorie soit nette et décisive, elle n'était pas testable et n'était donc rien de plus qu'un substitut à une approche plus satisfaisante et scientifiquement rigoureuse explication.
Ce n'est qu'il y a environ 300 à 400 ans que des astronomes tels que Tycho Brahe et Galileo Galilei ont reconnu que, contrairement aux enseignements alors vieux de près de 15 siècles, la Terre et les planètes tournaient autour du soleil, plutôt que la Terre étant au centre du univers. Cela a ouvert la voie aux explorations de la gravité telle qu'elle est actuellement comprise.
Théories de la gravité
Une façon de penser à l'attraction gravitationnelle entre les objets, exprimée par feu le physicien théoricien Jacob Bekenstein dans un essai pour CalTech, c'est comme « les forces à longue portée que les corps électriquement neutres exercent les uns sur les autres en raison de leur contenu en matière ». C'est-à-dire, alors que les objets peuvent subir une force en raison de différences de charge électrostatique, la gravité entraîne plutôt une force due à la force Masse. Techniquement, vous et l'ordinateur, le téléphone ou la tablette sur lesquels vous lisez ceci exercez des forces gravitationnelles sur mais vous et votre appareil connecté à Internet êtes si petits que cette force est pratiquement indétectable. Évidemment, pour les objets à l'échelle des planètes, des étoiles, des galaxies entières et même des amas de galaxies, c'est une autre histoire.
Isaac Newton (1642-1727), crédité d'être l'un des esprits mathématiques les plus brillants de l'histoire et l'un des co-inventeurs du domaine du calcul, a proposé que la force de gravité entre deux objets est directement proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance entre eux. Cela prend la forme de l'équation :
F_{grav}=\frac{Gm_1m_2}{r^2}
où Fgrave est la force gravitationnelle en newtons, m1 et M2 sont les masses des objets en kilogrammes, r est la distance séparant les objets en mètres et la valeur de la constante de proportionnalité G est de 6,67 × 10-11 (N m2)/kg2.
Bien que cette équation fonctionne à merveille à des fins quotidiennes, sa valeur est diminuée lorsque les objets dans question sont relativistes, c'est-à-dire décrites par des masses et des vitesses bien en dehors de l'humain typique vivre. C'est là qu'intervient la théorie de la gravité d'Einstein.
La théorie de la relativité générale d'Einstein
En 1905, Albert Einstein, dont le nom est peut-être le plus reconnaissable de l'histoire des sciences et le plus synonyme d'exploits de génie, publia sa théorie de la relativité restreinte. Parmi d'autres effets que cela a eu sur le corpus existant de connaissances en physique, cela a remis en question l'hypothèse intégrée dans la théorie de Newton concept de gravité, qui est que la gravité opérait en effet instantanément entre les objets quelle que soit l'immensité de leur séparation. Après que les calculs d'Einstein aient établi que la vitesse de la lumière, 3 × 108 m/s ou environ 186 000 miles par seconde, plaçait une limite supérieure à la vitesse à laquelle tout pouvait se propager dans l'espace, les idées de Newton semblaient soudainement vulnérables, du moins dans certains cas. En d'autres termes, alors que la théorie gravitationnelle newtonienne continuait à fonctionner admirablement dans presque tous les contextes imaginables, ce n'était clairement pas une description universellement vraie de la gravité.
Einstein passa les 10 années suivantes à formuler une autre théorie, une théorie qui réconcilierait le principe gravitationnel de Newton cadre avec la borne supérieure la vitesse de la lumière imposée, ou semblait imposer, à tous les processus de l'univers. Le résultat, introduit par Einstein en 1915, fut la théorie de la relativité générale. Le triomphe de cette théorie, qui constitue la base de toutes les théories gravitationnelles jusqu'à nos jours, est que il a défini le concept de gravitation comme une manifestation de la courbure de l'espace-temps, et non comme une force par se. Cette idée n'était pas tout à fait nouvelle; le mathématicien Georg Bernhard Riemann avait produit des idées connexes en 1854. Mais Einstein avait ainsi transformé la théorie gravitationnelle de quelque chose enracinée purement dans les forces physiques en une théorie plus théorie basée sur la géométrie: elle proposait une quatrième dimension de facto, le temps, pour accompagner les trois dimensions spatiales qui étaient déjà familier.
La gravité de la Terre et au-delà
L'une des implications de la théorie de la relativité générale d'Einstein est que la gravité fonctionnait indépendamment de la masse ou de la composition physique des objets. Cela signifie, entre autres, qu'un boulet de canon et une bille tombés du haut d'un gratte-ciel tomberont vers le sol à la même vitesse, accélérée précisément dans la même mesure par la force de gravité bien que l'une soit beaucoup plus massive que l'autre. (Il est important de noter par souci d'exhaustivité que cela n'est techniquement vrai que dans le vide, où la résistance de l'air n'est pas un problème. Une plume tombe clairement plus lentement qu'un lancer de poids, mais dans le vide, ce ne serait pas le cas.) Cet aspect de l'idée d'Einstein était suffisamment vérifiable. Mais qu'en est-il des situations relativistes ?
En juillet 2018, une équipe internationale d'astronomes a conclu une étude d'un système d'étoiles triples à 4 200 années-lumière de la Terre. Une année-lumière étant la distance parcourue par la lumière en un an (environ six mille milliards de kilomètres), cela signifie que les astronomes ici sur Terre étaient observant des phénomènes révélateurs de lumière qui se sont réellement produits vers 2 200 av. Ce système inhabituel se compose de deux étoiles minuscules et denses - un un "pulsar" tournant sur son axe 366 fois par seconde, et l'autre une naine blanche - en orbite l'une autour de l'autre avec une période remarquablement courte de 1,6 journées. Cette paire orbite à son tour une étoile naine blanche plus éloignée tous les 327 jours. Bref, la seule description de la gravité qui pourrait expliquer les mouvements frénétiques mutuels des trois étoiles dans ce système très inhabituel était la théorie de la relativité générale d'Einstein - et les équations, en fait, correspondent à la situation à la perfection.