Champs d'observation et laboratoire des fictions

Intervention de Rémi Dall'Aglio avec les deuxième année, dans le cadre de l'atelier hybride 2007.

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La gravitation

ou

La symphonie newtonienne: Pom pom pom poom







Lorsque l'enfant apprend que la Terre est ronde, il est généralement perturbé par un point qui lui paraît illogique: Pourquoi les Chinois, qui sont de l'autre coté, ne tombent-ils pas "en-bas"?
Nous sommes tellement habitué à identifier le bas comme étant "là où les objets tombent".
Cette force qui nous plaque au sol s'appelle la force de gravitation: gravitation car c'est la même force qui fait graviter la Lune autour de la Terre et la Terre autour du Soleil (et le Soleil autour du centre de notre galaxie).
 



 


La loi de Newton
 

C'est en 1687 que le physicien anglais Isaac Newton fit la relation entre les astres qui s'attirent et nos objets familiers qui tombent par terre; telle la fameuse pomme qui, en tombant d'une branche sur la tête de Newton, lui donna cette révélation...Ainsi naissent de merveilleuses légendes en Sciences...


L'univers astronomique est dominé par la gravitation: Dans l'espace deux objets s'attirent d'autant plus fortement qu'ils sont massifs et qu'ils sont proches l'un de l'autre.

Ces objets peuvent être deux astres ou le couple pomme-Terre. Evidemment, dans ce dernier cas, la Terre attirera beaucoup plus fortement la pomme que l'inverse, mais en réalité, la pomme attire également notre Terre! Cette énorme différence de masse rend bien sûr négligeable (mais non nul) l'action de la pomme sur la Terre!
Tout se passe comme si la masse des objets était concentrée en leur point central, appelé le centre de gravité.


 
Si la distance d diminue de moitié, la force gravitationnelle augmentera d'un facteur 4 !




L'interaction gravitationnelle, toujours attractive, est de portée infinie mais décroit selon l'inverse du carré de la distance.... Telle est la loi de Newton qui est définie par la célèbre formule ci-dessus.

Elle s'applique à toutes les particules, y compris au photon qui n'a pourtant pas de masse. C'est pour cela que la lumière d'une étoile située exactement derrière un autre astre nous est......visible.
Ce phénomène paradoxal n'est possible que parce que la lumière peut être déviée par un astre massif. Pourquoi?
 


Gravitation et relativité générale
 

La théorie de la Relativité Générale d'Albert Einstein (établie en 1915) nous dit qu'un objet très massif (étoile, trou noir) déforme l'espace autour de lui et peut donc dévier la trajectoire des photons.

L'analogie la plus courante pour comprendre ce curieux phénomène consiste à imaginer notre univers passer de 3 dimensions spatiales (longueur + largeur + hauteur) à 2 (on supprime la hauteur): On aplatit l'univers pour le simplifier (notre cerveau est limité!). L'espace sera donc semblable à une sorte de membrane élastique (style trampoline).

Si vous faites rouler sur cette membrane une petite bille (symbolisant un photon) sans poids, sa trajectoire sera rectiligne car la membrane restera plane. Par contre, si vous mettez au milieu de cette membrane-espace une boule en plomb, cette dernière va s'enfoncer dans la membrane et la déformer, plus ou moins, selon son poids. Cette bille sera une étoile massive. Si vous lancez une petite bille-photon aux alentours de la boule-étoile, vous verrez sa trajectoire s'incurver et se dévier; la bille-lumière pouvant ainsi atteindre un point situé exactement derrière la boule-étoile. Si ce point correspond à nos yeux, nous verrions alors la source de ce photon pourtant caché derrière la boule-étoile.
 


 

Où l'infiniment grand rejoint l'infiniment petit
 

De toutes les 4 interactions de l'Univers, la gravitation est celle dont l'intensité est la plus faible: A l'échelle atomique, l'influence de la gravitation est négligeable car les particules sont très peu massives. En fait, cette force est cumulative, c'est-à-dire que c'est la somme gigantesque de la gravitation de toutes les particules qui va engendrer la force gravitationnelle sensible à notre échelle.

Cela n'est possible que parce que la gravitation ne marche que dans un sens: elle attire et ne repousse pas (pas d'antigravitation, désolé!), cette force ne peut donc que s'additionner contrairement à l'interaction électromagnétique.

Dominante à l'échelle de l'infiniment grand, la gravitation donc négligeable aux échelles accessibles en physique des particules. Cependant, elle redevient importante, voire dominante, aux échelles ultra-microscopiques de l'ordre de 10-35 m. Cette longueur est très particulière et s'appelle la longueur de Planck.

Le temps que met la lumière à parcourir cette distance s'appelle aussi le temps de Planck (du nom du physicien allemand Max Planck) et vaut 10-34 s.

Ces deux valeurs sont très inaccessibles à nos moyens d'observation et semblent être des limites pour notre physique. Au-delà de ces bornes mystérieuses, les physiciens imaginent un univers très déroutant où l'espace-temps pourrait être discontinu ou fluctuant. Cet univers était celui des tout premiers instants du Big Bang.
L'infiniment petit et l'infiniment grand semblent ainsi se rejoindre dans le royaume de la gravitation, tel un serpent se mordant la queue...

La théorie quantique imagine que toute interaction doit se faire par l'intermédiaire d'un boson ou particule médiatrice associée à une onde gravitationnelle de très faible fréquence, si faible qu'on ne l'a encore jamais détecté. Mais cet hypothétique boson a déjà été baptisé graviton.
On suppose sa masse nulle et son énergie infime. Les physiciens prient pour qu'il existe: dans le cas contraire, cela signifierait que la physique quantique et la relativité générale sont des théories insuffisantes!