Elle n’est probablement pas vraiment tombée sur la tête de Sir Isaac Newton en 1665, faisant tomber en vrac l’illumination sur la nature de la chute des corps. Et pendant que vous y êtes, oubliez ce que vous avez appris sur la gravité à l’école. Ce n’est pas comme ça que ça marche vraiment. Mais ne nous croyez pas sur parole. Laissez les principaux prétendants à l’histoire de la théorie gravitationnelle s’affronter eux-mêmes.
Round 1 : Newton
« La gravité existe vraiment », déclarait Newton en 1687. » agit selon les lois que nous avons expliquées, et sert abondamment à rendre compte de tous les mouvements des corps célestes. » Avant Newton, personne n’avait entendu parler de la gravité, et encore moins du concept d’une loi universelle.
L’université de Cambridge, où Newton a étudié, a été fermée à cause de la peste en 1665. Trouvant du répit dans la maison de son enfance, le jeune homme de 23 ans s’est plongé dans des mois de remue-méninges mathématiques fiévreux. Ces travaux, auxquels s’ajoute une douteuse descente de pommes dans le verger de l’arrière-boutique, jettent les bases de son œuvre maîtresse Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Dans Principia, Newton décrit la gravité comme une force omniprésente, une traction que tous les objets exercent sur les objets voisins. Plus la masse d’un objet est importante, plus cette attraction est forte. L’augmentation de la distance entre deux objets affaiblit l’attraction.
Les explications mathématiques de Principia sur ces relations étaient simples et extrêmement pratiques. Grâce à ses équations, Newton a pu expliquer pour la première fois pourquoi la Lune reste en orbite autour de la Terre. Aujourd’hui encore, nous utilisons les mathématiques de Newton pour prédire la trajectoire d’un lancer de balle de softball ou de l’atterrissage des astronautes sur la Lune. En fait, toutes les observations quotidiennes de la gravité sur Terre et dans les cieux peuvent être expliquées assez précisément avec la théorie de Newton.
Ok, on y croit. Mais comment cela fonctionne-t-il ? Bonjour ? Silence dans le coin de l’anneau de Newton. La vérité est que Newton pouvait décrire la gravité, mais il ne savait pas comment elle fonctionnait. « La gravité doit être causée par un agent agissant constamment selon certaines lois », admettait-il. « Mais que cet agent soit matériel ou immatériel, je l’ai laissé à la considération de mes lecteurs. »
Pendant 300 ans, personne n’a vraiment considéré ce que cet agent pourrait être. Peut-être que tous les prétendants possibles ont été intimidés par le génie de Newton. L’homme a inventé le calcul, pour l’amour de Dieu.
Ding. 2ème round : Einstein
Apparemment Albert Einstein n’a pas été intimidé. Il s’est même excusé. « Newton, pardonne-moi », a-t-il écrit dans ses mémoires. « Vous avez trouvé la seule voie qui, à votre âge, était tout juste possible pour un homme de la plus haute pensée et de la plus grande puissance créatrice. »
© Einstein Archives Université hébraïque de Jérusalem
En 1915, après huit ans de tri de ses pensées, Einstein avait rêvé (littéralement – il n’avait aucun précurseur expérimental) d’un agent qui causait la gravité. Et ce n’était pas simplement une force. Selon sa théorie de la relativité générale, la gravité est beaucoup plus étrange : une conséquence naturelle de l’influence d’une masse sur l’espace.
Einstein était d’accord avec Newton pour dire que l’espace avait une dimension : largeur, longueur et hauteur. L’espace pouvait être rempli de matière, ou non. Mais Newton ne croyait pas que l’espace était affecté par les objets qui s’y trouvent. Einstein, si. Il a théorisé qu’une masse peut prodiguer beaucoup d’espace. Elle peut le déformer, le plier, le pousser ou le tirer. La gravité n’était qu’un résultat naturel de l’existence d’une masse dans l’espace (Einstein avait, avec sa théorie spéciale de la relativité de 1905, ajouté le temps comme quatrième dimension à l’espace, appelant le résultat espace-temps. Les grandes masses peuvent aussi déformer le temps en l’accélérant ou en le ralentissant).
Vous pouvez visualiser la déformation de la gravité d’Einstein en marchant sur un trampoline. Votre masse provoque une dépression dans le tissu extensible de l’espace. Faites rouler une balle devant la distorsion à vos pieds et elle s’incurvera vers votre masse. Plus vous êtes lourd, plus vous courbez l’espace. Regardez les bords du trampoline : la déformation diminue à mesure que vous vous éloignez de votre masse. Ainsi, les mêmes relations newtoniennes sont expliquées (et prédites mathématiquement avec une meilleure précision), mais à travers la lentille différente de l’espace déformé. Prends ça, Newton, dit Einstein. Avec regrets.
La théorie d’Einstein a également percé triomphalement un trou dans la logique de Newton. Si, comme le prétendait Newton, la gravité était une force constante et instantanée, l’information concernant un changement soudain de masse devait être communiquée d’une manière ou d’une autre à travers tout l’univers en même temps. Cela n’avait guère de sens pour Einstein. Selon son raisonnement, si le Soleil disparaissait soudainement, le signal indiquant aux planètes d’arrêter leur orbite devrait logiquement prendre un certain temps. Et il mettrait certainement plus de temps à arriver sur Pluton que sur Mars. Rien d’universellement instantané à ce sujet du tout.
Qu’a proposé Einstein comme agent de communication manquant ? Entrez, à nouveau, sa très utile distorsion spatiale. Un peu comme une pierre jetée dans un étang, un changement de masse va provoquer une ondulation dans l’espace qui part de sa source dans toutes les directions à la vitesse de la lumière. Au fur et à mesure de son déplacement, l’ondulation comprime et étire l’espace. Nous appelons une telle perturbation une onde gravitationnelle.
Avec ce coup final, la relativité générale d’Einstein expliquait tout ce que la théorie de Newton faisait (et certaines choses qu’elle ne faisait pas), et mieux. « Je suis pleinement satisfait », a déclaré Einstein en 1919. « Je ne doute plus de la justesse de l’ensemble du système. »
A ce round, victoire d’Einstein.
Ding. Round 3 : La prochaine vague
Einstein a peut-être prédit les ondes gravitationnelles, mais il ne croyait guère que les scientifiques les détecteraient un jour. Les ondes gravitationnelles ne compriment et n’étirent que très peu l’espace. En fait, c’est ridiculement, horriblement, presque incroyablement petit : une distance des centaines de millions de fois plus petite que celle d’un atome.
Jusqu’à présent, Einstein a eu raison. Cela fait huit décennies qu’il a introduit la relativité générale, et une onde gravitationnelle n’a pas encore été détectée. Ce n’est qu’en 1974 que les scientifiques s’en sont même approchés. Cette année-là, deux radioastronomes, Joseph Taylor et Russell Hulse, analysaient une paire d’étoiles à neutrons (étoiles effondrées superdenses) qui orbitent l’une autour de l’autre. Hulse et Taylor se sont aperçus que les orbites s’accéléraient à la vitesse prédite par Einstein si des ondes gravitationnelles étaient effectivement générées par le système. La première preuve indirecte d’ondes gravitationnelles était en, mais les ondes elles-mêmes n’ont pas été directement mesurées.
Bien que tout objet puisse générer des ondes gravitationnelles, seuls les objets extrêmement massifs produisent des déformations de l’espace suffisamment importantes pour être mesurées. De tels changements gargantuesques de masse ne se trouvent que dans l’espace, comme les étoiles à neutrons en orbite, les trous noirs en collision ou les supernovas. Les chercheurs recherchent actuellement les ondes émanant de ces sources à l’aide de l’un des instruments scientifiques les plus précis jamais fabriqués : LIGO, l’observatoire d’ondes gravitationnelles par interféromètre laser. LIGO est gigantesque, intelligent et étrange, et son développement a nécessité plus de 365 millions de dollars et 30 ans. Sa capacité à mesurer des distances infinitésimales pourrait contribuer à mettre la « découverte » des ondes gravitationnelles à la une de tous les journaux à tout momentet annoncer le prochain grand tour de piste dans notre compréhension de la gravité.
Liens connexes
L’Univers élégant de NOVA
Timeline de l’histoire de la gravitation
Voir l’article d’Einstein sur la relativité générale et une image de la distorsion spatiale
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