La gravité est la raison pour laquelle vous tenez sur le sol actuellement. Isaac Newton fut le premier à établir les premières lois de la gravitation universelle. Il s'agissait de l'une des théories les plus célèbres, les plus avancées, mais seulement jusqu'en 1905 et 1915 avec Albert Einstein et sa théorie de la relativité (respectivement : relativité restreinte et générale) qui la supplanta pour une redéfinition presque totale de la vraie nature de l'espace et du temps.
Sans la gravité, il n'y aurait, a priori, pas d'Univers possible. En effet, c'est elle qui rend toute chose dans l'Univers telle qu'elle est concevable. Elle contrôle son équilibre.
La gravité est la raison pour laquelle nous sommes comme "accrochés" à la surface de la Terre. L'intensité gravitationnelle diminue plus on s'éloigne de la planète. C'est la raison pour laquelle les astronautes qui vont dans l'espace ont l'air de flotter. Mais contrairement à ce que l'on entend de temps en temps, ces mêmes astronautes ne sont pas en réelle "gravité 0" car ils sont toujours attirés par la Terre.
On apprend au collège que la gravité est une force (d'après Isaac Newton), or, c'est complètement faux. En effet, la gravitation est le résultat de la courbure de l'espace-temps, difficile donc de la qualifier de force ou d'action.
Grâce Albert Einstein, au début du 20e siècle, on a appris que l'espace et le temps sont une seule et même chose : l'espace-temps, et que chaque objet dans l'Univers (planètes, galaxies, particules,...) avec une masse déforme le tissu de l'espace-temps, avec un impact tant sur l'espace que sur le temps !
Pour mieux comprendre, imaginez une partie d'espace comme une grille souple en 2 dimensions, comme sur l'image ci-dessous. Lorsque vous y rajoutez un objet quelconque, par exemple, la Terre. Elle va déformer l'espace, un genre de trou dans la grille. Puis, rajoutez sur cette grille un objet d'une masse moindre à la limite de la déformation de la grille causée par la Terre, la Lune. Tout d'abord, la Lune va tomber vers la Terre. Augmentez alors légèrement la vitesse de la Lune, elle va tourner autour de la Terre puis va y tomber. Mais lorsque un objet gravite autour d'un autre objet d'une masse supérieure, il doit obligatoirement avoir une vitesse suffisante pour entrer en orbite. Donc, dans notre exemple, il faut que la Lune ait une vitesse suffisamment grande pour tourner indéfiniment autour de la Terre. Ce qui est le cas dans notre système solaire avec toutes les planètes, astéroïdes, comètes,...
Absolument tout dans l'Univers suit la courbure de l'espace-temps, même la lumière (les échelles ne sont pas respectées dans l'image ci-dessous) :
Mais attention, cette représentation d'une telle grille n'est pas du tout rigoureuse car elle suggère une nouvelle dimension spatiale, or, dans les équations d'Einstein, nul besoin d'une autre dimension. En réalité, on peut imaginer un cube, quadrillé comme un Rubik's Cube, dans lequel on place au centre la Terre et la Lune, la Terre courbant les lignes du quadrillage. La Lune ne subit aucune force, donc, de part sa vitesse et son mouvement initial, va poursuivre sa route en ligne droite, sauf que les lignes droites ne sont plus vraiment droites, et suit malgré elle les courbures engendrées par la Terre dans le tissu spatio-temporel de façon à rester en orbite. A contrario, si la Lune n'avait aucune vitesse, aucun mouvement initial, alors elle resterait immobile, mais suivrait les lignes du quadrillage jusqu'à se rapprocher de plus en plus de la Terre pour y tomber, au fil du temps.
Besoin d'une meilleure visualisation ?
Pour aller plus loin dans les explications, le tour de force d'Einstein fut de proposer une description de l'espace avec une géométrie courbe, non-euclidienne. On ne parle plus de simples mouvements rectilignes uniformes comme le faisait Galilée dans la relativité galiléenne, mais de mouvements courbés. On peut imaginer la situation suivante : si on fait tomber deux objets sans vitesse initiale de façon parallèle en direction du sol, alors leur trajectoire sera parallèle. Cependant, si on agrandit les échelles pour faire tomber ces deux mêmes objets "au-dessus" d'une planète, alors on observera que les trajectoires des deux objets tombant se rapprocheront au fur et à mesure que l'on se rapproche de la planète. Ce qui peut paraître surprenant c'est que leur trajectoire, mathématiquement parlant, reste parallèle, malgré le fait qu'elles se croiseront... C'est la géométrie de Riemann dans laquelle le concept même de ligne droite est remis en question, c'est-à-dire que la ligne droite peut ne plus être le chemin le plus court d'un point A vers un point B. À vrai dire, rien d'étonnant, car il s'agit d'un phénomène que l'on constate au quotidien. En effet, sur un planisphère, le chemin le plus court de, admettons, Paris à New York, n'est pas une ligne droite, mais une courbe. Dans l'espace, on parle dorénavant de géodésique pour designer le chemin le plus court entre un point A et un point B, car le chemin le plus court peut ne plus être une ligne droite, défiant ainsi le théorème de Pythagore et mettant en place tout un système complexe de métrique.
Les ondes gravitationnelles :
Une hypothèse introduite par la relativité générale dit que lorsque deux objets gravitent ensemble, des ondes gravitationnelles se créeraient, transportées par des particules élémentaires hypothétiques (donc pouvant voyager à la vitesse de la lumière), appelées gravitons.
Récemment, la fusion de deux trous noirs s'est produite et un observatoire américain a réalisé l'exploit de détecter les ondes gravitationnelles créées lors de cette fusion.
Pour aller plus loin, d'après Newton, si le Soleil disparaissait d'une seconde à l'autre, toutes les planètes et astéroïdes du Système Solaire en seraient impactés, instantanément. Cette idée de simultanéité est contraire au principe de la vitesse finie de la lumière. C'est le seul bémol de la théorie de la gravitation universelle de Newton, car mis à part ça, cette théorie fonctionne parfaitement bien. C'est en 1915 que ce paradoxe fut réglé, la relativité générale d'Albert Einstein permit de supplanter l'équation de Newton.
Comme dit plus tôt, l'une des prédictions de la relativité est la création d'ondes gravitationnelles, ces ondes sont caractéristiques de la déformation de l'espace-temps. Ce qui est intéressant par rapport à ces ondes est leurs effets sur les objets. C'est-à-dire que lorsque ces ondes traversent un objet, celui-ci va subir des modifications : les ondes vont dilater l'objet dans un sens, puis le contracter dans le sens inverse et ainsi de suite. Mais ces transformations sur l'objet sont vraiment très minimes, très faibles. La seule chance pour les scientifiques était de détecter de fortes ondes gravitationnelles créées par des objets massifs en accélération : comme deux trous noirs ou étoile à neutron qui orbitent ensemble. Le seul moment où les ondes créées sont suffisamment puissantes pour être détectées est quand les deux objets s'apprêtent à entrer en collision.
Le moyen utilisé par les scientifiques fut d'utiliser l'interférométrie, cela permet de voir facilement de très petites variations de distances. Le mécanisme est le suivant :
À la fin, on obtient une figure spécifique, la figure d'interférences :
Il suffit de bouger très légèrement l'objet placé (de l'ordre du nanomètre) pour que cette figure subisse des modifications, c'est ainsi que les scientifiques ont pu détecter les effets du passage des ondes gravitationnelles dans un objet test. Le problème est que ces effets sont trop minimes, il faut agrandir de beaucoup le mécanisme. Les scientifiques n'y sont pas allés de main morte : il fut agrandi de 5 kilomètres. Ce sont des interféromètres géants, l'un deux est : LIGO. Ce dernier va très rapidement, après sa mise en fonction (septembre 2015), détecter des ondes gravitationnelles. Chose confirmée par la même observation dans un autre interféromètre. C'est ainsi que la dernière prédiction de la relativité générale d'Albert Einstein non observée fut démontrée 100 ans après.
Impacts sur le temps :
On a dit plus tôt que l'espace et le temps étaient une seule et même chose, donc une déformation de l'espace doit justement avoir un impact sur le temps. À notre échelle, cet impact est vraiment très faible, mais il est possible, grâce à la technologie actuelle, de percevoir cet impact. C'est simple à comprendre, imaginez que vous êtes dans l'espace, vous avez apporté avec vous une montre que vous avez réglée exactement à la même heure qu'une autre personne restée sur Terre. Après un long séjour dans l'espace, vous revenez et comparez les deux montres. Vous n'en croyez pas vos yeux quand vous voyez que l'heure que les deux mêmes montres affichent est différente ! La montre de la personne restée sur Terre sera très légèrement en retard sur l'autre car cette première montre était dans un champ gravitationnel plus intense (à la surface de la Terre). Cette différence est cependant infime, mais elle doit être prise en compte par les GPS.
Un autre exemple bien connu de cette dilatation du temps est le paradoxe des jumeaux. Vous l'avez compris, dans un champ gravitationnel intense, le temps a tendance à se dérouler légèrement moins vite que dans un champ gravitationnel moins intense. Ainsi, faisons la même expérience avec deux jumeaux. Ils sont nés au même moment, mais l'un d'eux part en voyage près d'un trou noir, et l'autre reste sur Terre. À la fin de ce long voyage, le jumeau resté sur Terre sera plus jeune que celui parti près du trou noir... On se retrouve donc avec deux jumeaux, l'un plus vieux que l'autre. Afin d'illustrer encore mieux ce phénomène, je vous invite à voir le film Interstellar pour mieux comprendre.
En résumé : plus la masse d'un objet est importante, plus il déforme l'espace et plus il ralentit le temps, il déforme l'espace-temps ! Lorsque cette déformation est quasiment infinie, ce qui est le cas lors de singularités de l'espace-temps (typique des trous noirs), le temps peut presque s'arrêter et avoir d'immenses impacts sur l'espace.
Nous pourrions même utiliser la distorsion de l'espace-temps dans le but de propulser un vaisseau spatial à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière, la vitesse supraluminique, comme dans les films ! Mais ce n'est pas près d'arriver, l'énergie nécessaire est énorme, les scientifiques pensent utiliser de la matière exotique (matière n'étant pas composée des particules élémentaires habituelles, les quarks), si jamais elle existe !
Masse et poids :
Saviez-vous que la masse et le poids sont deux choses très différentes ?
- La masse, mesurée en kilogramme, correspond à la quantité de matière d'un objet. C'est un nombre fixe peu importe le lieu où vous vous situez dans l'Univers.
- Le poids, mesuré en Newton (N), quant à lui correspond à la force gravitationnelle exercée par le corps céleste sur lequel vous êtes. Ce qui signifie que plus la masse de la planète sur laquelle vous êtes est importante, plus votre poids sera grand.
Il existe un calcul simple pour savoir combien vous pesez sur une autre planète (ou sur la Lune,...). Trouvons combien pèse quelqu'un de 80 kg (mesure prise sur Terre) sur la Lune :
- La pesanteur pT de la Terre est de 9,81 N/kg
- La pesanteur pL de la Lune est de 1,62 N/kg
Si on apportait une balance sur la Lune, on peut calculer le résultat que cela donnerait :
Une balance apportée sur la Lune donnerait ce résultat pour un individu de 80 kg. Si vous le voulez, je propose un système de calcul automatique pour chaque planète du système solaire sur cette page : Votre poids sur d'autres planètes.