L'histoire de la gravité

Les gens qui tombent

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L'un des comportements les plus répandus que nous connaissons, il n'est pas étonnant que même les premiers scientifiques aient essayé de comprendre pourquoi les objets tombent vers le sol. Le philosophe grec Aristote a donné l'une des premières et des plus complètes tentatives d'explication scientifique de ce comportement en avançant l'idée que les objets se déplaçaient vers leur «lieu naturel».

Cet endroit naturel pour l'élément Terre était au centre de la Terre (qui était, bien sûr, le centre de l'univers dans le modèle géocentrique de l'univers d'Aristote). Autour de la Terre se trouvait une sphère concentrique qui était le domaine naturel de l'eau, entourée par le domaine naturel de l'air, puis le domaine naturel du feu au-dessus. Ainsi, la Terre s'enfonce dans l'eau, l'eau s'enfonce dans l'air et les flammes s'élèvent au-dessus de l'air. Tout gravite vers sa place naturelle dans le modèle d'Aristote, et cela semble assez cohérent avec notre compréhension intuitive et nos observations de base sur la façon dont le monde fonctionne.



Aristote croyait en outre que les objets tombent à une vitesse proportionnelle à leur poids. En d'autres termes, si vous preniez un objet en bois et un objet métallique de la même taille et que vous les laissiez tomber tous les deux, l'objet métallique le plus lourd tomberait à une vitesse proportionnellement plus rapide.

Galileo et le mouvement

La philosophie d'Aristote sur le mouvement vers le lieu naturel d'une substance a régné pendant environ 2 000 ans, jusqu'à l'époque de Galilée . Galileo a mené des expériences en faisant rouler des objets de poids différents sur des plans inclinés (sans les déposer de la tour de Pise, malgré les histoires apocryphes populaires à cet effet), et a constaté qu'ils tombaient avec le même accélération prix quel que soit leur poids.



En plus des preuves empiriques, Galileo a également construit une expérience de pensée théorique pour étayer cette conclusion. Voici comment le philosophe moderne décrit l'approche de Galilée dans son livre de 2013 Pompes à intuition et autres outils de réflexion :

'Certaines expériences de pensée sont analysables comme des arguments rigoureux, souvent de la forme réduction à l'absurde , dans lequel on prend les prémisses de ses adversaires et en tire une contradiction formelle (un résultat absurde), montrant qu'ils ne peuvent pas tous avoir raison. L'une de mes préférées est la preuve attribuée à Galileo que les objets lourds ne tombent pas plus vite que les objets légers (lorsque la friction est négligeable). S'ils le faisaient, a-t-il soutenu, alors puisque la pierre lourde A tomberait plus vite que la pierre légère B, si nous liions B à A, la pierre B agirait comme un frein, ralentissant A. Mais A lié à B est plus lourd que A seul, donc les deux ensemble devraient également tomber plus vite que A seul. Nous avons conclu que lier B à A ferait quelque chose qui tomberait à la fois plus vite et plus lentement que A par lui-même, ce qui est une contradiction.

Newton introduit la gravité

La contribution majeure développée par Monsieur Isaac Newton était de reconnaître que ce mouvement de chute observé sur Terre était le même comportement de mouvement que la Lune et d'autres objets subissent, ce qui les maintient en place les uns par rapport aux autres. (Cette idée de Newton a été construite sur le travail de Galilée, mais aussi en adoptant le modèle héliocentrique et Principe copernicien , qui avait été développé par Nicolas Copernic avant les travaux de Galilée.)

Le développement par Newton de la loi de la gravitation universelle, plus souvent appelée la la loi de la gravité , a réuni ces deux concepts sous la forme d'une formule mathématique qui semblait s'appliquer pour déterminer la force d'attraction entre deux objets ayant une masse. Ensemble avec Les lois du mouvement de Newton , il a créé un système formel de gravité et de mouvement qui guiderait la compréhension scientifique sans contestation pendant plus de deux siècles.

Einstein redéfinit la gravité

La prochaine étape majeure dans notre compréhension de la gravité vient de Albert Einstein , sous la forme de son théorie générale de la relativité , qui décrit la relation entre la matière et le mouvement à travers l'explication de base selon laquelle les objets avec une masse plient en fait le tissu même de l'espace et du temps (collectivement appelé espace-temps). Cela modifie la trajectoire des objets d'une manière qui est en accord avec notre compréhension de la gravité. Par conséquent, la compréhension actuelle de la gravité est qu'elle est le résultat d'objets suivant le chemin le plus court à travers l'espace-temps, modifié par la déformation d'objets massifs à proximité. Dans la majorité des cas que nous rencontrons, cela est en parfait accord avec la loi classique de la gravité de Newton. Certains cas nécessitent une compréhension plus fine de la relativité générale pour adapter les données au niveau de précision requis.



La recherche de la gravité quantique

Cependant, il y a des cas où même la relativité générale ne peut pas tout à fait nous donner des résultats significatifs. Plus précisément, il y a des cas où la relativité générale est incompatible avec la compréhension de la physique quantique .

L'un des plus connus de ces exemples est le long de la limite d'un trou noir , où le tissu lisse de l'espace-temps est incompatible avec la granularité de l'énergie requise par la physique quantique. Cela a été théoriquement résolu par le physicien Stephen Hawking , dans une explication qui prédit que les trous noirs émettent de l'énergie sous la forme de Rayonnement de Hawking .



Ce qu'il faut, cependant, c'est une théorie globale de la gravité qui puisse pleinement intégrer la physique quantique. Une telle théorie de gravité quantique serait nécessaire pour résoudre ces questions. Les physiciens ont de nombreux candidats pour une telle théorie, dont le plus populaire est théorie des cordes , mais aucune qui ne fournisse des preuves expérimentales suffisantes (ou même des prédictions expérimentales suffisantes) pour être vérifiées et largement acceptées comme une description correcte de la réalité physique.

Mystères liés à la gravité

En plus de la nécessité d'une théorie quantique de la gravité, il reste deux mystères expérimentaux liés à la gravité qui doivent encore être résolus. Les scientifiques ont découvert que pour que notre compréhension actuelle de la gravité s'applique à l'univers, il doit y avoir une force d'attraction invisible (appelée matière noire) qui aide à maintenir les galaxies ensemble et une force de répulsion invisible (appelée énergie noire ) qui éloigne les galaxies éloignées à des vitesses plus rapides.