La gravitation, de Newton à Einstein : pourquoi tout tombe

L'idée

Lâche ton stylo : il tombe. Lance un ballon en l'air : il retombe. Cette force invisible, c'est la gravitation. Sa règle est simple : tout ce qui a une masse attire tout ce qui a une masse.

• Plus un objet est massif, plus il attire fort. La Terre est énorme, alors elle t'attire vers son centre : c'est ton poids.
• Plus on est loin, plus l'attraction est faible. Deux fois plus loin, elle devient quatre fois plus faible.

Toi aussi, tu attires la Terre ! Mais ta masse est si petite à côté de la sienne que c'est toi qui tombes vers elle, pas l'inverse.

Une expérience à faire

Prends un livre et une feuille de papier. Lâche-les en même temps, de la même hauteur : le livre arrive en premier. Maintenant, froisse la feuille en boule bien serrée et recommence : ils touchent le sol presque ensemble !

Ce n'est donc pas le poids qui faisait la différence, c'est l'air qui freinait la feuille étalée. Sans air, tout tombe à la même vitesse. En 1971, sur la Lune, où il n'y a pas d'air, l'astronaute David Scott de la mission Apollo 15 a lâché en même temps un marteau et une plume de faucon devant les caméras. Les deux ont touché le sol au même moment.

L'histoire de la découverte

Aristote se trompait. Dans la Grèce antique, Aristote enseignait que les objets lourds tombent plus vite que les légers. Cela paraissait évident, et on l'a cru pendant près de 2 000 ans.

Galilée mesure. Vers 1600, en Italie, Galilée fait rouler des billes sur des pentes douces pour ralentir la chute et la mesurer. Il montre que, sans la résistance de l'air, tous les objets tombent de la même façon.

Newton relie la Terre et le ciel. En 1687, l'Anglais Isaac Newton publie un livre célèbre, les Principia. Il y montre que la force qui fait tomber une pomme est la même que celle qui retient la Lune. La Lune « tombe » en permanence vers la Terre, mais elle avance si vite sur le côté qu'elle ne fait que tourner autour. Avec une seule loi, Newton explique les chutes, les marées et le mouvement des planètes.

Une planète trouvée par le calcul. Au XIXe siècle, la planète Uranus ne suit pas exactement le chemin prévu. Le Français Urbain Le Verrier calcule qu'une planète inconnue doit la tirer. En 1846, à Berlin, l'astronome Johann Galle pointe sa lunette à l'endroit indiqué et trouve Neptune dès sa première nuit de recherche. C'est la première planète découverte par des calculs plutôt qu'en observant le ciel au hasard.

Einstein voit plus loin. La loi de Newton marche presque parfaitement, mais pas tout à fait : l'orbite de Mercure, la planète la plus proche du Soleil, garde un petit décalage inexpliqué. En 1915, Albert Einstein propose une nouvelle théorie, la relativité générale. Pour lui, la gravitation n'est pas une force qui tire à distance : une masse déforme l'espace et le temps autour d'elle, et les objets suivent ces creux. Imagine un drap tendu : pose une lourde boule au milieu, il se creuse, et une bille lancée sur le drap tourne autour de la boule. Sa théorie explique le décalage de Mercure. En 1919, pendant une éclipse de Soleil observée notamment depuis l'île de Principe, au large de l'Afrique, et depuis Sobral, au Brésil, on mesure que la lumière des étoiles est bien déviée par le Soleil, comme Einstein l'avait prévu.

On entend l'Univers vibrer. Einstein avait aussi prévu des ondes gravitationnelles, des frissons de l'espace lui-même. Le 14 septembre 2015, les détecteurs LIGO, aux États-Unis, en captent pour la première fois. Elles venaient de la collision de deux trous noirs et avaient voyagé pendant 1,3 milliard d'années. Ce travail a reçu le prix Nobel de physique en 2017.

Ce que cela change pour nous

• Les marées de l'océan, à Dakar, à Boma ou au Havre, sont causées surtout par l'attraction de la Lune.
• Les satellites qui transmettent la télévision, la météo ou les appels tournent autour de la Terre grâce à la gravitation. On calcule leur trajectoire avec les lois de Newton.
• Sur la Lune, tu pèserais environ six fois moins que sur Terre, parce qu'elle est beaucoup moins massive. Ta masse, elle, ne change pas.
• Les sondes envoyées vers Mars ou Jupiter utilisent la gravité des planètes comme un tremplin pour accélérer sans brûler de carburant.

Pour aller plus loin

• La vie de l'homme des Principia : Isaac Newton.
• Celui qui a déformé l'espace et le temps : Albert Einstein, et son idée racontée simplement dans la relativité.
• Pourquoi la Lune change de forme : la Lune.