Histoire de la gravitation

L'histoire des théories de la gravitation nous permet de constater combien les théories de la gravitation qui se sont succédé, depuis Aristote, ont illustré les bouleversements dans la compréhension du monde.

Le mot grave veut dire lourd, pesant, en grec. Pour Aristote, un corps lourd rejoint son « lieu naturel » qui est le centre de la Terre. Il existait, dans la pensée aristotélicienne, une conception selon laquelle les lois de la physique qui régissaient les phénomènes sur terre n'étaient pas les mêmes que celles qui régissaient les manifestations que l'on pouvait observer dans le ciel. Avec la Terre en son centre, l'univers se divisait alors en deux : les mondes sublunaire et supralunaire. Selon cette vision des choses, la gravité faisait partie des lois qui gouvernaient le monde sublunaire et ne semblait avoir aucune conséquence sur le comportement des corps célestes.

Plus tard, au siècle l'astronome perse Al-Khwârizmî (ou Muhammad Ibn Musa) postula l'existence d'une force d'attraction entre les corps célestes préfigurant déjà la loi universelle de la gravitation de Newton.

L'astronome perse Ja'far Muhammad ibn Mūsā ibn Shākir s'avère être le premier à réfuter au siècle la conception aristotélicienne du monde en affirmant que les corps célestes et les sphères célestes obéissent aux mêmes lois physique que la terre, ainsi, il lie définitivement les deux mondes.

Le les deux mondes évoqués par Aristote ont également été soudés en un seul avec la publication de Philosophiae Naturalis Principia Mathematica dans lequel Isaac Newton dévoilait sa loi universelle de la gravitation, complétant ainsi la révolution copernicienne : la Terre ne devenait qu'un astre parmi les autres.

La théorie actuelle de la gravitation, la relativité générale, fut énoncée par Albert Einstein en 1915. Ce fut une révision complète de ce que l'on appelait jusque-là la « force de gravité ». Le caractère d'action à distance instantanée de la gravitation newtonienne n'était plus compatible avec les travaux d'Einstein portant sur la vitesse de la lumière.

En relativité générale la gravité doit se propager à la même vitesse que la lumière. L'attraction apparente des corps massifs entre eux n'est alors plus perçue comme étant une « force » mais plutôt comme une conséquence inéluctable engendrée par la déformation de la géométrie de l'espace-temps par les objets massifs qui s'y trouvent. Le terme « interaction gravitationnelle » est désormais préférable à celui de « force gravitationnelle ».

La relativité générale est à la base de la cosmologie, toutes les observations faites jusqu'à présent sont parfaitement compatibles avec elle. En astronomie elle est responsable de plusieurs phénomènes tels que l'orbite des corps célestes, la formation des étoiles, les trous noirs, etc.

Pour tenter de comprendre l'histoire des « premiers instants de l'univers » (l'ère de Planck), il est capital d'élaborer une théorie quantique de la gravitation, ce qui encore, reste à faire…

Antiquité Aristote thumb|Aristote, philosophe. 384 av. J.-C., 322 av. J.-C. Les thèses d'Aristote en physique rejettent toutes l'esprit des physiciens antérieurs (les milésiens, les pythagoriciens, Démocrite…) et ont longtemps influencé la philosophie et la science occidentale.

S'appuyant sur ses observations, il présente une physique qualitative où sa théorie des causes identifie les raisons pour lesquelles les évènements se produisent, traitant simultanément ce qui relèverait aujourd'hui de la physique, de la médecine, de la sculpture, du commerce, de l'âme, etc. Les causes de tout mouvement sont dans l' essence des êtres naturels en mouvement ; au point que le mot mouvement évoque, pour lui, le changement d'état de l'être concerné. Ainsi, les notions de mouvement, d'infini, de lieu et de temps ne sont pas conçues comme séparées de la substance des corps, et tout mouvement (dans le sens évoqué plus haut) est l'accomplissement d'un passage d'un état initial à un état final (qui se manifeste par le repos) : l'état final était présent en puissance dans l'état initial, et sa réalisation est la cause finale du mouvementÉmile Bréhier, tome I, de Histoire de la philosophie, Tomes I à III, Éditeur PUF, 1931, réédité en 1994 (), .

Analysant ainsi le monde, il distingue quatre causes : matérielle, formelle, motrice, finale. Suivant ce schéma, c'est dans la nature des objets lourds que de tomber, la cause de la chute réside dans les propriétés intrinsèques de l'objet qui tombe, elle n'est donc pas extérieure au dit objet. Par exemple :

Une pierre est tombée. La pierre était en haut : son état de pierre (cause matérielle) en fait un corps pesant, c'est-à-dire un corps dont l'état propre est d'être en bas, et non pas en haut. La pierre est tombée : elle est allée rejoindre son lieu propre (état : être en bas). Sa chute est due à cet objectif (cause finale).

Une cause motrice n'intervient que pour sortir un être de son état propre, cela correspond à la phrase d'Aristote : Phrase issue de la Physique d'Aristote, et soulignée par Émile Bréhier tome I, de Histoire de la philosophie, Tomes I à III, Éditeur PUF, 1931, réédité en 1994 (), . Par exemple une cause motrice doit intervenir pour qu'un objet lourd ne soit plus dans son état propre d'être en bas, mais il n'y a pas de cause motrice pour son retour au sol.

Ainsi, pour Aristote, la chute d'un corps n'est qu'un problème d'état qualitatif de ce corps qu'il faut savoir classer comme il convient dans la logique du monde et son univers.

Moyen Âge Brahmagupta

Au , l'astronome et mathématicien indien, Brahmagupta à qui l'on doit le concept mathématique du zéro, rejetait les conceptions qui régnaient à l'époque concernant la forme de la Terre. Brahmagupta suggéra que la Terre était ronde. Devant l'absurdité apparente de cette posture à l'égard de la forme du monde, ses contemporains lui firent remarquer que si la Terre était bel et bien ronde alors les arbres et les pierres qui se trouvaient de l'autre côté de la Terre devraient tomber pour aller se perdre dans l'immensité du ciel. Brahmagupta leur répondit ainsi :

Ainsi, pour Brahmagupta, contrairement à Aristote, il n'appartient pas aux corps de tomber, c'est plutôt à la Terre qu'incombe la tâche de faire tomber les corps.

La Scientia de ponderibus

La Scientia de sphaera mota

Impetus

De la Renaissance aux temps modernes Galilée thumb|220px|Statue de Galilée sur le piazzale des Offices de Florence Dès que Galilée énonce (vers 1602, publiée dans Dialogue sur les deux grands systèmes du monde (1632)) sa loi de la chute des corps, plusieurs problèmes se posent :

La gravitation n'est pas uniforme : Galilée sait que la Terre est ronde et que la gravité attire vers le centre de la Terre.

Galilée n'a aucune conscience du fait que la Lune tombe sous l'effet de la même force. Il existe pour lui un monde sublunaire et un monde céleste : dans son dialogue sur les deux grands systèmes du monde, celui de Tycho Brahe et celui de Copernic, il a choisi Copernic et affirme que les cieux ne sont pas « fixes » et que les comètes traversent toutes les sphères des fixes. Il s'occupe essentiellement de la pesanteur terrestre.

Son premier problème est de comprendre pourquoi de plomb tombe comme de plomb (nonobstant la résistance de l'air, bien sûr). Son raisonnement est très subtil. Plutôt que de le reprendre, examinons un problème similaire avec la chute ralentie d'un pendule simple : le mouvement de deux pendules identiques, placés côte à côte est évidemment exactement le même (identité des causes : identité des effets). Lions, « par la pensée », les deux masses : rien n'est changé ; et pourtant c'est bien un pendule de qui se balance maintenant. C'est un argument du même type qu'utilise Galilée : le mouvement d'un pendule ou de n'importe quelle chute ralentie sans frottement est indépendant de la masse ponctuelle qui glisse (en translation) le long de la courbe.

Il y a donc deux faits remarquables dans l'énoncé de Galilée : Le moins important auquel pourtant on attache le plus d'importance : la hauteur varie comme t², ou ce qu'a « vérifié » Galilée : la vitesse moyenne est la moitié de la vitesse finale (identique du point de vue mathématique cf. Chute libre, cinématique). Le plus important : l'indépendance de la vitesse de la chute par rapport à la masse, quels que soient les corps. Ce fait d'expérience est le principe de base de la relativité générale : le principe d'équivalence. Il n'est pas si facile de le tester avec précision et depuis Galilée, les expériences n'ont jamais cessé, avec de plus en plus de raffinements (balance d'Eotvos…).

Descartes thumb|left|René Descartes L'autre savant important au début de ce est René Descartes.

Il va tout à la fois obscurcir et éclairer le débat. Éclairer car, avec sa géométrie, il relègue définitivement le monde métaphysique. Son optique géométrique en est une excellente illustration.

Par contre, il trouve décevant le Discorso (1638) de Galilée, car Galilée ne cherche pas « les causes ». Il va énoncer sa théorie de la gravitation en termes de « tourbillons » et le n'aura de cesse de voir des tourbillons partout.

À la suite de ce travail, la notion d'action instantanée à distance est illégitime, et elle le restera pour longtemps.

La cause de la pesanteur est énoncée par Descartes, dans le chapitre XI du Traité du monde et de la lumière. Cette dernière n'est, pour lui, ni une qualité du corps, ni le résultat d'une quelconque attraction, mais l'effet du mouvement des parties de la matière du petit ciel environnant la terre: « Mais je désire maintenant que vous considériez quelle est la pesanteur de cette Terre, c'est-à-dire la force qui unit toutes ses parties et qui fait qu'elles tendent toutes vers son centre, chacune plus ou moins, selon qu'elles sont plus ou moins grosses et solides; laquelle n'est autre et ne consiste qu'en ce que les parties du petit Ciel qui l'environne, tournant beaucoup plus vite que les siennes autour de son centre, tendent aussi avec plus de force à s'en éloigner et par conséquent les y repoussent. » Le détail de l'explication reste délicat, mais cette interprétation permet d'éviter le recours aux qualités occultes.

De Galilée à Newton

thumb|Isaac Newton Avant Newton, il y a deux corpus différents : l'astronomie avec les lois de Kepler, et la chute libre sur Terre suivant la gravitation de Galilée.

Dès que la troisième loi paraît dans l'ouvrage Harmonices Mundi de Johannes Kepler publié en 1619, toute personne capable de faire un raisonnement par changement d'échelle peut avoir une idée de la force de gravitation. Mais ce genre de raisonnement existe peu encore. En fait il faut attendre la loi de Huygens sur la force centripète, le fameux , pour avoir grâce à la loi de Kepler :.

Newton déclare avoir fait ce raisonnement en 1665-1666 durant la peste de Londres. Et avoir eu l'intuition dite de la « pomme » : parabole pour exprimer qu'il eût l'idée de relier les lois de Kepler avec la loi de Galilée, astronomie et pesanteur. Cela aurait dû lui donner a(Lune)= g/(60)². Mais ce n'est pas ce qu'il trouva (essentiellement à cause des mauvaises données de l'époque). Il lui restait à montrer que l'attraction de la Terre se réduisait à celle d'un point matériel situé en son centre ; or, ce résultat il ne le possédera qu'en 1684-1685 (théorème dit de Newton-Gauss), soit 20 ans plus tard.

Pendant toute cette période de 70 ans, la mécanique n'a cessé de se développer. Koyré ne note pas moins d'une dizaine d'acteurs sur la seule chute libre et l'éventuelle déviation vers l'Est, un problème qu'avait sous-estimé Galilée, mais que Marin Mersenne voulait qu'on résolve.

Newton et Hooke

thumb|left|300px|Philosophiae Naturalis Principia Mathematica publié en 1687 par Isaac Newton.