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gravitation

(anglais gravitation, du latin scientifique gravitatio, -onis)

Isaac Newton
Isaac Newton

Phénomène selon lequel tous les corps matériels s'attirent réciproquement de façon proportionnelle à leur masse et inversement proportionnelle au carré de leur distance.

La loi fondamentale de la gravitation

La gravitation est l'une des quatre interactions fondamentales de la physique. C'est Isaac Newton qui, le premier, en a formulé la loi : deux corps ponctuels de masses m et m′, situés à une distance r l'un de l'autre, s'attirent avec une force dirigée selon la droite qui les joint ; l'intensité de cette force est proportionnelle aux masses et inversement proportionnelle au carré de la distance : F = G.mm/r2 (G = 6,672.10−11 N.m2.kg−2 est la constante de gravitation ; c'est une des constantes universelles).

De Newton à Einstein

Historiquement, l'importance de la loi de gravitation a été considérable : elle a permis d'unifier les théories de la chute des corps (énoncée par Galilée) et du mouvement des planètes et des astres (formulée par Johannes Kepler), donnant ainsi à l'astronomie des fondements quantitatifs clairs. Dans la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, le champ de gravitation est interprété comme une courbure de l'espace-temps produite par la présence de masse. La gravitation est le phénomène prépondérant qui commande l'évolution de la matière dans l'Univers, parce que les masses en jeu y sont très grandes. Ainsi, les nuages de gaz suffisamment massifs se contractent en formant des étoiles et des galaxies. Après épuisement de leurs réserves en « combustible » nucléaire, les étoiles s'effondrent sous l'effet de leur propre gravité, qu'aucune autre force ne vient plus contrebalancer. Le terme ultime d'une telle évolution est la formation d'un trou noir.

La théorie de la relativité générale prévoit l'existence d'ondes gravitationnelles, qui pendant près d'un siècle n'ont été observées que de manière indirecte, ainsi que la déviation des rayons lumineux passant au voisinage de masses très importantes, phénomène effectivement décelé sur la lumière de certaines étoiles lors d'éclipses totales de Soleil et grâce auquel certains astres très lointains (galaxies, quasars) situés à l'arrière-plan de galaxies plus proches deviennent observables (mirage gravitationnel).

En 2016, les ondes gravitationnelles prévues par la relativité générale ont enfin pu être détectées par l'instrument LIGO aux États-Unis.

La gravitation et la théorie des champs unifiée

Longtemps, la loi de force en 1/r2 a servi de modèle aux autres forces d'interaction. Ainsi, l'interaction électrostatique entre deux charges électriques immobiles q et q' a délibérément été posée comme proportionnelle à qq'/r2. Mais il est très vite apparu que ce modèle n'a pas de valeur universelle. À l'idée d'interaction à distance s'est substituée au xixe s., lors de l'étude des interactions électromagnétiques, celle de champ. Albert Einstein, après avoir développé sa théorie du champ de gravitation, a tenté, en vain, d'élaborer une théorie qui rendrait compte des deux champs d'interaction, électromagnétique et gravitationnel.

Son programme est repris sous une forme différente par la physique d'aujourd'hui. En effet, l'exploration de l'intérieur du noyau atomique fait apparaître qu'il existe dans ce domaine deux autres interactions, dites « faible » et « forte ». Les recherches actuelles ont pour objectif l'unification des quatre interactions : gravitationnelle, électromagnétique, faible et forte. Si l'unification des trois dernières ne semble pas poser de problème majeur, il apparaît que la gravitation, précisément parce qu'elle a à voir avec la structure géométrique de l'espace-temps, ne pourra probablement pas être unifiée aux trois autres sans modification radicale des théories physiques existantes.