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Il n’est pas étonnant que même les premiers scientifiques aient tenté de comprendre pourquoi les objets tombent vers le sol, un des comportements les plus répandus que nous connaissons. Le philosophe grec Aristote a donné l’une des premières et des plus complètes explications scientifiques de ce comportement en avançant l’idée que les objets se déplacent vers leur « place naturelle ».
Cet endroit naturel pour l’élément de la Terre se trouvait 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, entouré du domaine naturel de l’air, puis du 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 le fonctionnement du monde.
Aristote pensait en outre que les objets tombent à une vitesse proportionnelle à leur poids. En d’autres termes, si vous prenez un objet en bois et un objet métallique de même taille et que vous les faites tomber tous les deux, l’objet métallique le plus lourd tombera à une vitesse proportionnellement plus rapide.
Galileo et le mouvement
La philosophie d’Aristote sur le mouvement vers la place naturelle d’une substance a tenu le coup pendant environ 2 000 ans, jusqu’à l’époque de Galileo Galilei. Galilée a mené des expériences en faisant rouler des objets de différents poids sur des plans inclinés (sans les faire tomber de la Tour de Pise, malgré les histoires apocryphes populaires à cet effet), et a constaté qu’ils tombaient avec le même taux d’accélération quel que soit leur poids.
En plus des preuves empiriques, Galilée a également construit une expérience de pensée théorique pour appuyer cette conclusion. Voici comment le philosophe moderne décrit l’approche de Galilée dans son livre Intuition Pumps and Other Tools for Thinking, publié en 2013 :
« Certaines expériences de pensée sont analysables comme des arguments rigoureux, souvent de la forme reductio ad absurdum, dans lesquels on prend les prémisses de ses adversaires et on en tire une contradiction formelle (un résultat absurde), montrant qu’ils ne peuvent pas tous avoir raison. Un de mes préférés est la preuve attribuée à Galilée que les choses lourdes ne tombent pas plus vite que les choses légères (quand la friction est négligeable). Si c’était le cas, argumentait-il, alors comme la pierre lourde A tomberait plus vite que la pierre légère B, si nous attachions B à A, la pierre B agirait comme une traînée, ralentissant A. Mais A lié à B est plus lourd que A seul, donc les deux ensemble devraient aussi tomber plus vite que A seul. Nous avons conclu que le fait de lier B à A ferait tomber quelque chose à la fois plus vite et plus lentement que A seul, ce qui est une contradiction ».
Newton introduit la gravité
La principale contribution développée par Sir Isaac Newton a été de reconnaître que ce mouvement de chute observé sur la Terre est le même comportement de mouvement que celui de la Lune et d’autres objets, ce qui les maintient en place les uns par rapport aux autres. (Cette idée de Newton s’est appuyée sur les travaux de Galilée, mais aussi en adoptant le modèle héliocentrique et le principe copernicien, qui avaient été développés par Nicholas Copernic avant les travaux de Galilée).
Le développement par Newton de la loi de la gravitation universelle, plus souvent appelée 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 quelconques ayant une masse. Avec les lois du mouvement de Newton, elle a créé un système formel de gravité et de mouvement qui allait guider la compréhension scientifique de manière incontestée pendant plus de deux siècles.
Einstein redéfinit la gravité
La prochaine étape majeure dans notre compréhension de la gravité nous vient d’Albert Einstein, sous la forme de sa théorie générale de la relativité, qui décrit la relation entre la matière et le mouvement en expliquant que les objets ayant une masse tordent en fait le tissu même de l’espace et du temps (appelés collectivement 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 résulte du fait que les objets suivent le chemin le plus court à travers l’espace-temps, modifié par le gauchissement des objets massifs proches. Dans la majorité des cas que nous rencontrons, cela est en accord complet avec la loi classique de la gravité de Newton. Dans certains cas, il est nécessaire de mieux comprendre 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 nous donner de 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 exemples les plus connus se trouve à 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. Ce problème a été théoriquement résolu par le physicien Stephen Hawking, dans une explication qui prédisait que les trous noirs émettent de l’énergie sous forme de rayonnement Hawking.
Ce qu’il faut, cependant, c’est une théorie globale de la gravité qui puisse intégrer pleinement la physique quantique. Une telle théorie de la gravité quantique serait nécessaire pour résoudre ces questions. Les physiciens ont de nombreux candidats pour une telle théorie, dont le plus populaire est la théorie des cordes, mais aucun ne fournit suffisamment de preuves expérimentales (ou même suffisamment de prédictions expérimentales) pour être vérifié et largement accepté comme une description correcte de la réalité physique.
Mystères liés à la gravité
Outre la nécessité d’une théorie quantique de la gravité, il reste deux mystères liés à la gravité, d’origine expérimentale, à résoudre. Les scientifiques ont découvert que pour que notre compréhension actuelle de la gravité s’applique à l’univers, il doit y avoir une force attractive invisible (appelée matière noire) qui aide à maintenir les galaxies ensemble et une force répulsive invisible (appelée énergie noire) qui pousse les galaxies lointaines à se séparer plus rapidement.
