QU'EST-CE QUE LA GRAVITATION ?    




Selon la théorie d'Einstein, la gravitation est indétectable localement. Elle ne se manifeste que par les différences de mouvements entre points voisins.


Christian Magnan
Collège de France, Paris
Université de Montpellier II


Quelle est l'origine de la courbure de l'espace, courbure qui fait en quelque sorte replier cet espace sur lui-même ? Réponse : la masse et l'énergie de l'Univers.

Dans une vision classique newtonienne les masses engendrent des « forces de gravité » qui les font s'attirer mutuellement. Dans la vision einsteinienne les masses engendrent une courbure de l'espace. Nous avons décrit cette courbure en explorant l'Univers dans son ensemble (en rencontrant notamment la notion d'univers fermé), mais qu'en est-il localement, à l'échelle humaine par exemple ?

La conception de la théorie de la relativité générale d'Einstein est déroutante : la gravitation n'existe tout simplement pas en un point donné, comme existe une force, mais ne se manifeste que si, ayant considéré plusieurs points, on étudie leurs trajets relatifs.

La relativité restreinte avait déclaré, comme nous le disions ailleurs, qu'un physicien n'avait pas à se soucier de son état de mouvement, en particulier de sa vitesse, pour conduire ses expériences et écrire ses lois, la forme de ces dernières étant insensible au déplacement (à condition toutefois que le mouvement se produise sans accélération). Ce fait relève d'ailleurs de l'expérience courante : dans un voyage en avion, un passager est bien incapable de ressentir et d'apprécier la vitesse de l'appareil une fois que celui-ci navigue à sa vitesse de croisière; il continuera à voir tomber les objets verticalement et son corps ne subira aucune « force » révélatrice de mouvement (sauf secousse due à un trou d'air !).

Avec Einstein, la théorie étend cette affirmation d'insensibilité au mouvement en prétendant que l'expérimentateur peut aussi ignorer le voisinage d'une masse et donc le mouvement qui existe forcément par rapport à cette masse. Autrement dit, la théorie affirme que la gravitation ne peut pas être mise en évidence par expérience physique dans un repère isolé donné - si toutefois ce repère est « libre », c'est-à-dire si le système expérimental « flotte » dans l'espace sans être soumis à quelque poussée que ce soit. Dans cette vision des choses, si nous ressentons (indéniablement !) la gravitation dans la vie de tous les jours, alors que selon notre affirmation nous ne devrions pas la percevoir, c'est que nous sommes retenus au sol et que celui-ci exerce sur nous une force. C'est ce même sol qui mettra en morceaux un verre tombant par terre alors qu'avant le choc le verre reste intact !

Une précision avant de poursuivre : pour que les expériences de physique soient insensibles à la gravitation, il y a, outre l'absence de poussée, une condition sur la taille du laboratoire, que nous préciserons à la fin.

En cette époque d'exploration de l'espace, inaugurée par le lancement le 4 octobre 1957 du premier satellite artificiel de la Terre, il est très facile d'illustrer ces notions sur la gravitation. En effet, une fois en orbite autour de la Terre, tous moteurs coupés, un satellite constitue un exemple idéal de ce repère libre de la théorie : il n'accélère pas, ne freine pas, ne manoeuvre pas et ne tourne pas sur lui-même. Eh bien, pour la relativité générale, l'intérieur de ce vaisseau n'est pas soumis à la gravitation, alors même qu'il se trouve au voisinage de la Terre. Et c'est bien ce que nous constatons sur les images merveilleuses de l'espace montrant les objets flotter sans contraintes. D'ailleurs, en dehors de la capsule, l'absence de pesanteur est tout aussi flagrante : quoi de plus libre qu'un cosmonaute effectuant une sortie dans l'espace ?

Cette conception est des plus révolutionnaires par rapport aux vues antérieures qui, toutes, conduisaient à modifier les lois physiques, notamment celles de la dynamique, en présence d'une masse attractive. Or, ce qu'affirme la nouvelle théorie d'Einstein - et ce que vérifie l'expérience ! - c'est que les occupants peuvent conduire à l'intérieur de leur satellite toute expérience de dynamique sans se soucier de la gravitation : cette dernière ne se manifeste pas dans leur capsule et n'intervient pas dans les formules servant à décrire les expériences. Comme on dit justement - et l'expression prend ici tout son sens - les occupants du satellite sont en état d'« impesanteur ». Ils peuvent se livrer à des jeux de fléchettes et constater que les projectiles suivent immanquablement des parcours rectilignes, sans « tomber », sans que leur trajectoire montre de courbure. De même un corps abandonné dans l'espace de la cabine spatiale et initialement au repos restera en place sans tomber lui non plus. D'ailleurs, on ne distingue à bord ni « haut » ni « bas ».

Bref, dans le satellite les corps semblent ne pas subir de forces.

Est-ce à dire que la gravitation n'existe pas ? Selon la théorie, elle n'existe pas localement mais elle existe autrement. La gravitation ne se manifeste que si l'on procède à une comparaison entre deux systèmes, en étudiant le mouvement de l'un par rapport à l'autre. C'est ainsi que deux satellites situés sur des orbites différentes voisines et ignorant chacun pour son propre compte la gravitation ne pourraient que constater dans leur mouvement relatif des anomalies par rapport à la dynamique prévalant dans un espace éloigné de toute masse, ces anomalies indiquant justement la présence d'une masse attractive.

En effet, en l'absence de masse perturbatrice, deux sondes spatiales voisines lancés dans des directions à peine différentes verraient leur distance mutuelle augmenter de façon tout à fait régulière au cours du temps, à taux constant, c'est-à-dire de façon linéaire : leurs trajectoires seraient rectilignes. Au contraire ces mêmes satellites placés autour de la Terre notent immédiatement une certaine périodicité, tantôt se rapprochant, tantôt s'éloignant l'un de l'autre, selon un comportement franchement différent d'une allure linéaire. Leurs trajectoires manifestent la présence d'une « courbure », elle-même engendrée par la masse attractive centrale que constitue la Terre.

Dans cette optique la gravitation devient affaire de précision de mesures car il s'agit d'effectuer la comparaison entre les mouvements de deux mobiles. Une fois donnée la taille (dans l'espace et dans le temps) du champ d'expérience, il faudra voir si la gravitation qui y règne est suffisante pour produire un effet mesurable sur les positions des corps étudiés, mesurable avec les appareils dont on dispose. Nous avons dit plus haut que dans un satellite en mouvement libre ne se manifestait aucun phénomène gravitationnel : cela n'est pas tout à fait exact, et il est temps de nuancer. À l'intérieur de la cabine, il est bien possible de mettre en évidence l'accélération d'un corps par rapport à l'autre, c'est-à-dire un écart à la linéarité des trajectoires, c'est-à-dire une gravitation, en étudiant la variation de la distance des deux objets en fonction du temps. Toutefois, pour que la détection soit effective, il faudra que l'écart à mesurer ne soit pas trop petit eu égard aux instruments utilisés.

Quels sont les ordres de grandeur des effets attendus dans le cas d'un satellite terrestre ? Deux billes flottant librement dans le vaisseau spatial, initialement au repos l'une par rapport à l'autre et distantes de 1 mètre le long d'une « verticale » (c'est-à-dire, comme il n'y a ni haut ni bas, situées le long d'une droite passant par le centre de la Terre), verraient leur distance mutuelle s'accroître d'un dixième de millimètre en 10 secondes, l'accroissement augmentant par ailleurs comme le carré du temps.

C'est ce phénomène (que l'on pourra qualifier de petit ou de grand selon le degré de précision des mesures dont on dispose) qui est le signe d'une courbure de l'espace-temps à l'intérieur du satellite, courbure elle-même équivalente à une « force » de gravitation et engendrée par la proximité de la Terre. Vue sous cet angle, la gravitation s'apparente à un effet de marée. En effet, on sait que les marées sur Terre résultent de l'inégalité des forces d'attraction gravitationnelle (pour revenir à la description newtonienne !) exercées par la Lune (et dans une moindre mesure par le Soleil) sur deux côtés opposés de le Terre, celui qui fait face à la Lune et celui qui en est le plus éloigné. Cette inégalité engendre une accélération d'un côté par rapport à l'autre. Et cette accélération d'une masse par rapport à une masse voisine est bien l'essence de la gravitation selon la théorie d'Einstein.

Que les âmes sensibles me pardonnent l'image suivante : si nous avions le malheur de tomber dans un trou noir (suffisamment massif à vrai dire, donc aussi de taille suffisamment grande) nous ne nous apercevrions pas tout de suite de la présence du champ gravitationnel, malgré sa surpuissance. L'issue fatale ne se produirait que lorsque les forces de marée nous écartèleraient, car le bas du corps (c'est-à-dire le côté situé le plus près du centre du tour noir) tomberait plus vite que le haut. Nous serions mis en morceaux, victimes non de la chute elle-même mais des effets différentiels de cette chute, les diverses parties du corps évoluant selon des trajectoires différentes et se déchirant mutuellement.

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D'après un extrait du livre de Christian Magnan,
La nature sans foi ni loi,
Éditions Belfond/Sciences (1988)
Dernière modification : 12 avril 2005


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