Abonnez-vous à Universalis pour 1 euro

INTERACTIONS (physique) Interaction gravitationnelle

  • Article mis en ligne le
  • Modifié le
  • Écrit par et

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 - crédits : Encyclopædia Universalis France

Gravitation entre le Soleil et une planète

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 :

explicite l'action qui s'exerce entre deux corps matériels de « masses graves » M et M′, distants de r, K étant une constante.

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 :

la loi d'attraction devient :
et s'exprime en fonction des masses inertes, faisant ainsi intervenir la constante newtonienne d'attraction universelle :
. Cette loi s'écrit encore :
U étant le potentiel newtonien créé par la masse m′ au point où est située la masse m.

En rapprochant cette loi d'attraction de la loi fondamentale de la dynamique :

on connaît ainsi l'expression :
de l'accélération d'un corps matériel sous l'influence de forces centrales déduites du potentiel newtonien U.

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[...]

La suite de cet article est accessible aux abonnés

  • Des contenus variés, complets et fiables
  • Accessible sur tous les écrans
  • Pas de publicité

Découvrez nos offres

Déjà abonné ? Se connecter

Écrit par

  • : chercheur au Laboratoire de gravitation et cosmologie relativistes, université de Paris-VI
  • : professeur à la faculté des sciences de l'université de Paris-VI-Pierre-et-Marie-Curie

Classification

Pour citer cet article

Alain KARASIEWICZ et Marie-Antoinette TONNELAT. INTERACTIONS (physique) - Interaction gravitationnelle [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

Article mis en ligne le et modifié le 10/02/2009

Médias

Gravitation entre le Soleil et une planète - crédits : Encyclopædia Universalis France

Gravitation entre le Soleil et une planète

Courbure de l'espace selon Einstein - crédits : Encyclopædia Universalis France

Courbure de l'espace selon Einstein

Autres références

  • INTERACTION (physique)

    • Écrit par
    • 1 683 mots

    Dans la nature, les objets sont soumis à toutes sortes de forces qui s'exercent à distance. Ainsi, par exemple, deux masses s'attirent, deux charges électriques s'attirent ou se repoussent suivant leur signe. Les objets ont une action l'un sur l'autre : ils interagissent. La conception classique de...

  • PARTICULES ÉLÉMENTAIRES

    • Écrit par et
    • 8 172 mots
    • 12 médias
    Les interactions entre particules élémentaires, sur lesquelles nous reviendrons plus en détail, correspondent à l'émission d'un champ et à la réaction à ce champ. L'archétype est le champ électrique, créé par la présence d'une particule chargée, qui influence d'autres éléments chargés....
  • DÉTECTEURS DE PARTICULES

    • Écrit par , , , et
    • 10 978 mots
    • 12 médias
    ...mesurer leur flux moyen, leur énergie, leur position spatiale, ou à déterminer leur nature. Les problèmes varient suivant la nature des rayonnements dont l'interaction avec la matière conditionne le choix du type de détecteur. Mais, en règle générale, l'impulsion électrique finale est commandée par l'interaction...
  • AXIONS

    • Écrit par
    • 2 118 mots
    • 2 médias
    ...théorie, la chromodynamique quantique (QCD, pour Quantum ChromoDynamics), construite au début des années 1970 pour rendre compte des manifestations de l’interaction forte liant quarks et gluons comme éléments fondamentaux de la matière nucléaire. Pour suivre le raisonnement des physiciens théoriciens,...
  • BANDES D'ÉNERGIE THÉORIE DES

    • Écrit par
    • 946 mots

    Dans un atome isolé, les électrons se répartissent, en obéissant au principe de Pauli, entre des niveaux d'énergie bien déterminés, pratiquement sans largeur. Quand on rapproche par la pensée N atomes (avec N ∼ 1023) pour construire un solide et qu'on oublie l'interaction entre...

  • Afficher les 37 références