La gravité.
Aujourd'hui on va parler d'un truc qu'on expérimente tous, tous les jours, depuis notre premier souffle, au point que ça nous parait tellement normal qu'on en oublie, ou pire, que l'on en ignore les mécanismes.
Vous voyez ces miettes sur la table ? elles s'attirent mutuellement.
Alors pourquoi ne se rejoignent-elles pas ?
Parce que leur attraction mutuelle est beaucoup trop faible pour vaincre les frottements avec la table.
Et aussi, un autre objet autrement plus massif les attire.
La table ? Non, plus lourd.
La maison ?
Non, beaucoup plus lourd : la Terre !
La gravité, on pense ne pas la ressentir.
Pourtant c'est elle qui fait que vous vous tenez debout sur vos 2 pieds.
Ah vous croyiez que c'était parce que le sol est plat et horizontal ? 😂
Un Français, un Australien et un Japonais sont tous persuadés de se tenir parfaitement droits. Pourtant, vus depuis l'espace, ils pointent dans des directions différentes ! Et aucun ne tombe dans le vide. Ouf ! Merci la gravité !
(Tomber dans le vide signifierait s'élever dans les airs). 😳
Vous est-il déjà arrivé de passer une heure ou deux dans une piscine ? En sortant, votre corps semble soudain peser une tonne ! Pourtant, la gravité n'a pas changé d'un iota. Dans l'eau, la poussée d'Archimède compense une grande partie de votre poids. En sortant, vos muscles doivent à nouveau le supporter entièrement. Voilà une façon amusante de prendre conscience de cette gravité qu'on oublie si facilement.
La gravité est l'une des 4 interactions fondamentales qui régissent l'univers :
l’interaction nucléaire forte,
l'interaction électromagnétique,
l'interaction nucléaire faible,
l'interaction gravitationnelle.
Aristote (-384 à - 322 avant notre ère) est l'un des premiers à donner son avis : il écrit que plus un corps est lourd, plus il tombe vite. Il n'a pas compris que les frottements de l'air freinent plus fortement un objet très léger qu'un objet lourd.
Ainsi, un marteau et une plume lâchés au même moment ne toucheront pas le sol en même temps. Sur terre !
La première expérimentation réalisée en situation de gravité mais sans atmosphère est réalisée par les astronautes d'Apollo 15 : en 1971 David Scott laisse tomber un marteau (d'environ 1,32 kg) et une plume de faucon au même moment et de la même hauteur sur la surface lunaire :
Les deux objets touchent le sol pratiquement simultanément, car la résistance de l'air est absente. Et non parce que la gravité lunaire serait particulière.
Sur la Lune, la gravité est environ six fois plus faible que sur Terre. Les objets tombent donc plus lentement, mais ils tombent tous avec la même accélération, quelle que soit leur masse, si l'on néglige les autres forces.
Au début du moyen âge, les hommes de science savent que la Terre est sphérique. Mais tourne-t-elle sur elle-même ? La question fait débat pendant des siècles.
Au Vème siècle, l'astronome et mathématicien indien Aryabhata (476 > ?) défend l'idée d'une Terre en rotation. Les objets et les humains présents sur terre pourraient donc être éjectés de sa surface :
Comme d'autres avant lui, il imagine une force d'attraction et utilise le terme « Gurutvaakarshan » (je vous laisse prononcer 😅) pour décrire ce qui deviendra la gravité.
D'autres savants indiens entameront des réflexions sur l'attraction terrestre, bien avant Newton.
Vers 1604, Galilée étudie la chute des corps, notamment à l'aide de plans inclinés qui permettent de ralentir le mouvement pour mieux le mesurer. Il comprend que, sans résistance de l'air, tous les corps tombent avec la même accélération, indépendamment de leur masse.
La vitesse augmente proportionnellement au temps écoulé. Aujourd'hui, nous notons cette accélération « g », dont la valeur est d'environ 9,81 m/s² à la surface de la Terre.
Autrement dit, un objet lâché sans vitesse initiale gagne environ 9,81 mètres par seconde (35 km/h) de vitesse à chaque seconde de chute. Au bout de trois secondes, il file déjà à près de 106 km/h ! À condition, bien sûr, de négliger les frottements de l'air.
Impressionnant pour l'époque !
Kepler étudie le mouvement des planètes autour du soleil. En 1609 il publie 2 de ses 3 lois, les lois de Kepler, qu'il échafaude sur la simple observation et de façon empirique. Il découvre que la trajectoire des planètes autour du soleil est non pas circulaire, mais elliptique.
Le soleil occupe l'un des foyers de l'ellipse.
Un pavé dans la mare à une époque où l'on considère encore que les astres doivent suivre des trajectoires parfaitement circulaires !
Comme si l'idée que la Terre ne soit pas au centre de tout ne suffisait pas déjà à provoquer quelques migraines chez les autorités religieuses ! 😅
Entre 1665 et 1685, sir Isaac Newton va faire avancer la science d'un grand pas. Entre autres choses (voir mon article dédié à Newton ici) il peaufine sa théorie de la mécanique fondée sur l’étude de l’accélération. Il franchit une étape décisive en établissant des lois qui relient les forces aux mouvements des objets. Il démontre que ces mêmes lois gouvernent aussi bien les objets terrestres que les astres.
Il comprend que la force qui fait tomber la pomme de l'arbre est la même force qui maintient la lune autour de la terre ou la terre autour du soleil. 😲
Newton unifie les diverses lois connues pour les objets sur Terre (Galilée) et les lois observées pour les astres, notamment la gravitation terrestre et les mouvements des planètes (Kepler). Il traite la gravitation dans son ensemble comme étant une seule et unique force, qui s'applique aussi bien sur terre que dans l'espace.
En 1687 Newton publie son chef d’œuvre : Principes mathématiques de la philosophie naturelle. (La constante G n'apparait pas telle quelle dans Principia).
Dans les grandes lignes :
la force agissant entre deux corps s’exerce en ligne droite entre les deux corps et est inversement proportionnelle au carré de la distance séparant les centres des deux corps (Plus deux objets sont massifs, plus ils s'attirent. Mais plus ils sont éloignés, plus cette attraction diminue. Et pas n'importe comment : si vous doublez la distance, la force est divisée par quatre. Si vous triplez la distance, elle est divisée par neuf !)
cette force est proportionnelle à la quantité de matière présente dans le corps exerçant cette force
la force exercée par l’autre corps sur le premier doit être égale (et de sens opposé) et doit aussi être proportionnelle à la masse du deuxième corps
parmi les paramètres, l'un revient toujours comme une constante : "G" : la constante gravitationnelle.
Vous avez remarqué ces deux lettres, « g » et « G » ? Elles se ressemblent, mais ne désignent pas du tout la même chose !
Le petit g représente l'accélération de la pesanteur. Sur Terre, environ 9,81 m/s². Sur la Lune, seulement 1,62 m/s².
Le grand G est la constante universelle de gravitation. Elle intervient dans l'attraction entre tous les objets de l'Univers. Contrairement à g, sa valeur est la même partout, selon nos connaissances actuelles.
Après avoir publié sa théorie de la relativité restreinte en 1905 : la vitesse de la lumière est une constante dans le vide, Albert Einstein essaye de rendre compatible cette théorie avec la gravitation, dont les effets sont censés se propager à une vitesse infinie selon Newton, alors que rien ne peut dépasser la vitesse de la lumière selon Einstein.
Vers 1915, Albert comprend que la gravitation n'est pas une force au sens classique, mais une manifestation de la déformation de l'espace/temps sous l'effet de l'énergie de la matière qui s'y trouve. Ouais je sais, c'est chaud hein, je vais vous le dire autrement. Vous êtes au volant d'un bolide sur un circuit en 0 dont les virages sont relevés. Si les virages sont suffisamment relevés vous n'avez pas besoin de tourner le volant, le virage est tellement vertical que le véhicule suit la courbe du virage. Donc vous tournez sans braquer les roues. (C'est une analogie bancale, mais bon).
C'est la même chose avec la gravitation : un corps massif (le soleil) déforme tellement le tissu de l'espace/temps que de plus petits corps (les planètes) "roulent" sur le tissu déformé de l'espace/temps.
Tout se passe comme si une force maintenait l’équilibre du système solaire.
Avec Einstein, la gravitation n'est plus seulement une force qui attire les corps à distance : elle devient une propriété de la géométrie de l'espace et du temps.
Sa nouvelle théorie porte le nom de relativité générale.
Elle permet de prédire et de décrire des phénomènes extraordinaires : les trous noirs, les lentilles gravitationnelles et les ondes gravitationnelles. Ces dernières seront détectées directement pour la première fois en 2015 !
La théorie Newtonienne reste valable dans la limite des champs gravitationnels faibles et des vitesses modestes comparées à celle de la lumière. Mais elle devient insuffisante lorsque les champs gravitationnels sont très intenses.
La découverte de Neptune en 1846 fut une éclatante confirmation de la théorie de Newton. Mais lorsqu'on tenta d'expliquer de la même manière les anomalies de l'orbite de Mercure, les choses se compliquèrent sérieusement… Et il fallut attendre Einstein pour résoudre l'énigme ! Je vous raconte cette incroyable histoire dans mon article consacré à la découverte de Neptune.
Plus d'un siècle après sa naissance, la relativité générale résiste remarquablement bien aux observations. Des trous noirs aux ondes gravitationnelles, les confirmations se multiplient.
Pourtant, tonton Albert ne nous a pas livré le dernier mot de l'histoire. La matière noire et l'énergie noire restent mystérieuses. 🤔 Et surtout, personne n'a encore réussi à réconcilier complètement la gravitation avec la physique quantique.
Questions subsidiaires :
Pourquoi la lune ne tombe t'elle pas sur la terre ?
Ben si, elle tombe ! L'attraction terrestre attire la lune. Mais la lune a une vitesse linéaire propre. Elle file à ~3600 km/h. Dans une absence totale de frottements d'air. En conséquence la lune voudrait continuer tout droit, mais la gravitation terrestre dévie constamment sa trajectoire. Résultat : elle tombe continuellement vers la Terre, mais avance suffisamment vite pour toujours la manquer !
Et ce n'est pas « comme par hasard » hein 😅 ! C'est la mécanique céleste qui détermine les orbites possibles en fonction des vitesses et des distances.
Pourquoi les astronautes "flottent" dans l'ISS ?
De la même façon que la lune, l'ISS a une vitesse propre : ~28.000 km/h et elle orbite à ~400 km d'altitude. Sa vitesse a été ajustée précisément pour correspondre à cet équilibre : l'orbite. Modifiez sa vitesse, et vous modifiez son orbite. Ralentissez-la au bon moment, et vous pouvez la faire descendre vers une orbite plus basse. Accélérez-la, et vous pouvez l'envoyer vers une orbite plus haute. Et si l'ISS dépasse une vitesse critique, elle peut même échapper définitivement à l'attraction terrestre : c'est la vitesse de libération.
Je parle de la vitesse de libération dans les trous noirs.
A l'altitude de l'ISS, sa vitesse de libération serait de 39000 km/h.
À 400 km d'altitude, la gravité terrestre représente encore près de 90 % de sa valeur au sol. De quoi nous maintenir solidement les pieds sur Terre ! Pourtant, les astronautes flottent dans l'ISS.
Why ?
Because ils tombent !
La station et ses occupants sont en chute libre permanente autour de la Terre. Tous tombent ensemble, avec pratiquement la même accélération.
Imaginez : vous êtes dans un ascenseur dont le câble vient de rompre. 🫨 Pendant sa chute libre, vous flottez à l'intérieur de la cabine, puisque vous et l'ascenseur tombez ensemble. Vous semblez en apesanteur apparente par rapport à la cabine, mais certainement pas libéré de la gravité ! Tout va bien tant que dure la chute.
(Ne testez pas cette expérience chez vous. 😅)
Malgré que l'ISS évolue à 400 km d'altitude, dans l'espace donc, elle subit encore de très faibles frottements atmosphériques qui ralentissent progressivement sa course et nécessitent des rehaussements réguliers de son orbite.
Conclusion :
Et si la gravitation cachait encore un secret ?
Les physiciens recherchent depuis des décennies une théorie quantique de la gravitation. Dans certaines approches, cette interaction serait associée à une particule hypothétique : le graviton.
Comme le photon, il serait dépourvu de masse. Mais contrairement au photon, personne n'a jamais réussi à en détecter un seul.
Alors, le graviton existe-t-il vraiment ? Ou notre compréhension de l'Univers nous réserve-t-elle une surprise encore plus grande ?
Affaire à suivre... sur Space News ! 😉
Michel HAVEZ, Octobre 2026.
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