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Gravitation

La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.

Cet article de science fait partie de la série physique

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Interprétation prérelativiste

Pour la physique prérelativiste, la gravitation explique l'attraction mutuelle entre tous les corps ayant une masse. Elle est régie par une loi établie par Isaac Newton en 1687, et qui s'exprime selon la formule :

• étant la force gravitationnelle (en newton).
• G, la constante gravitationnelle, qui vaut 6,6742.10^-11 Nm²kg^-2.
• m₁ et m₂, les masses des 2 corps en présence (en kilogrammes).
• d, la distance entre les 2 corps (en mètres).
• est un vecteur unitaire sur la droite reliant 1 à 2

Dans cette interprétation, le phénomène de gravitation se traduit donc par une force, au sens de la mécanique newtonienne. On peut déduire de la formule que :

• plus un corps a une masse importante, plus il exercera une attraction sur l'autre corps ;
• plus les objets sont éloignés moins ils s'attirent.
• l'accélération que subi un objet à cause de la gravitation est indépendante de sa masse.

On constate aussi que cette formule est compatible avec le principe des actions réciproques.

Cette loi est bien vérifiée expérimentalement. Du point de vue de la technique, elle suffit à faire voler des objets plus lourds que l'air ou pour envoyer des hommes sur la Lune. Pourtant, elle n'est considérée aujourd'hui que comme une approximation de la théorie relativiste de la gravitation.

Approche relativiste

À partir de 1915, Albert Einstein donnera une autre vision de la gravitation dans sa théorie de la Relativité générale. La gravitation n'est plus une force mais la manifestation d'une déformation de l'espace par les corps massifs qui y sont plongés.

Ce qui avait intrigué Einstein, et même Newton, dans l'interprétation mécanique de la gravitation, est que cette force paraissait « intelligente ». En effet, tous les objets quelque soit leur masse accélèrent de la même façon sous l'effet de leur poids. Or, cela implique qu'un objet deux fois plus massif est toujours attiré deux fois plus fort, indépendamment de sa composition.

Einstein exprime le problème en remarquant qu'on peut distinguer deux concepts de masse :

• la masse « gravitationnelle », qui correspond à la force d'attraction exercée par un corps (cette force étant proportionnelle à cette masse), force qu'on peut traduire en une pente dans l'espace-temps induite par la présence d'un corps, et qui fait descendre les autres corps vers lui.
• la masse « inerte » ou « inertie », qui correspond à la réaction d'un corps à n'importe quelle force, l'accélération acquise sous l'effet d'une force quelconque étant inversement proportionnelle à cette inertie.

A priori le lien entre ces deux masses devrait varier selon les corps, exactement comme masse et volume ont des rapports très variés. Alors 1 kg de plume et 1 kg de plomb (par exemple), soumis à la même force gravitationnelle, devraient accélérer différemment en fonction de leur masse inerte (le plus inerte accélérant moins). Et ce n'est justement pas le cas. Les deux masses sont toujours égales, ce qui relève soit de la coïncidence la plus miraculeuse, soit (plus raisonnablement), d'une relation fondamentale qu'exprime justement la relativité générale.