Gravitation - Définition et Explications

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Reformulations de la théorie de Newton

Joseph-Louis Lagrange a réécrit, à partir de 1762, la gravitation et l'ensemble de la physique en y introduisant le principe de moindre action qui avait été formulé par Pierre Louis Maupertuis vers 1744.

William Rowan Hamilton, vers 1830, a substitué au principe de moindre action (Le principe de moindre action est l'hypothèse physique selon laquelle la dynamique d'une...) la notion d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...), qui est une constante pour tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) système isolé (c’est-à-dire : sans interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) avec l'extérieur) et qui sera de la plus grande importance pour la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) relativiste et en mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...), au XXe siècle.

L'idée d'un champ de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...), introduite par Michael Faraday (Michael Faraday (Newington, 22 septembre 1791 - Hampton Court,...), ne permit qu'une réécriture de la gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...) newtonienne, mais cette notion se révéla féconde quand il s'est agit de concevoir la gravitation relativiste. Le champ ou champ de force de la gravitation est une propriété de l'espace due à la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) d'un corps. Une autre masse entrant en contact avec ce champ est soumis à une influence, une force, due au champ. Ainsi, l'influence gravitationnelle n'est pas, dans ce cadre, créée et transportée instantanément d'un corps à l'autre, mais est déjà présente dans tout l'espace sous la forme du champ et à son contact un corps voit sa dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) modifiée. Toutefois, le champ est lui-même instantanément modifié par le corps qui le crée.

Si M est la masse du corps ponctuel (En géométrie, un point est le plus petit élément constitutif de l'espace de travail.) émetteur du champ, et si r est la distance entre ce corps et le point (Graphie) de l'espace que l'on considère, le champ en ce point s'exprime par V(r)=-\frac{G.M}{r}\, , le « potentiel gravitationnel » .

Un corps ponctuel de masse m étant en contact avec ce champ, la force qu'il subit est \vec F(r) = -m\vec \nabla V(r) = -\frac{G.M.m}{r^2}.\vec u_{\vec r}, où \vec u_{\vec r} est le vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) unitaire de même direction et de même sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) que \vec r qui va de M à m.

Gravitation et cosmologie

La gravitation étant la force dominante à l'échelle des distances astronomiques, les théories newtonienne et einsteinienne ont été confrontées depuis leurs créations respectives aux observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) de la structure à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...) de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Si aux échelles des étoiles et des galaxies, la gravitation newtonienne est suffisante, dans beaucoup de situations, la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) newtonienne est en difficulté. Par exemple, elle est incapable d'offrir une description cohérente d'un univers homogène infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus,...). En revanche, la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...) est parfaitement en mesure de décrire une telle situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un...).

La relativité générale seule ne suffit cependant pas pour décrire la structure à grande échelle de l'univers. Il faut lui adjoindre des hypothèses sur la répartition spatiale de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...). Les observations indiquent qu'à grande échelle, l'univers est remarquablement homogène (à plus petite échelle, la matière est bien sûr répartie de façon non uniforme : l'espace entre les étoiles d'une même galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec...) est essentiellement vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), tout comme l'espace entre les galaxies). Ce fait observationnel avait au départ été supposé par Einstein, qui lui avait donné le nom de principe cosmologique. Sous cette hypothèse, la relativité générale permet, assez facilement du reste, une modélisation cohérente de l'univers. Il existe cependant, outre la matière visible constituant les étoiles, et le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) des galaxies, une matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais...) aux propriétés et à la distribution encore très mal connues.

La dynamique de l'univers va, elle, dépendre des propriétés de la matière qui le compose, en particulier de son équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) d'état. On peut montrer que, sauf cas particulier, l'univers ne peut être statique : il est soit en contraction, soit en expansion globales. De toute manière, une structure globale uniforme de l'univers serait instable : les parties les plus denses, même très faiblement, finiraient par s'effondrer sous leur propre poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...), attirant la matière des parties les moins denses, et les laissant entièrement vides.

Les observations confirment cette prédiction puisque l'on observe une récession apparente des galaxies, celles-ci s'éloignant de nous d'autant plus vite qu'elles sont éloignées. L'expansion de l'univers a été découverte par Edwin Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en...) à la fin des années 1920. Elle indique que l'univers tel que nous le connaissons est issu d'une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) extraordinairement dense et chaude : le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a...). Plusieurs observations quantitatives confirment l'histoire du Big Bang, à partir de sa première minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un...). Le destin de l'univers n'est pas connu avec certitude, car le comportement à long terme de la matière est incertain. On a observé une accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) de l'expansion de l'univers, due à une force de répulsion à très longue distance, prévue comme une possibilité dans la Relativité Générale. Ceci semble être le signe probable que l'expansion durera indéfiniment, sans donner lieu à une phase de recontraction (Big Crunch).

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