1.5 La force de gravité

Les chutes d'Iguaçu, à la frontière du Brésil et de l'Argentine, offrent un exemple spectaculaire de la force de gravité. "C'est un océan qui se déverse dans un abîme", a pu dire le botaniste Suisse Robert Chodat. En ces lieux, 275 chutes distinctes dévalent les 82 m qui séparent le rebord supérieur, large de 4 km, de l'étroit défilé connu sous le nom de gorge du Diable. Les eaux serpentent ensuite à travrs le plateau  jusqu'au Rio Parana, à 22 km plus au sud.

Un enfant laisse tomber sa cuillère : elle tombe par terre sous l'effet de la gravité. Vous chaussez vos skis en haut d'une piste et vous vous laissez glisser vers le bas : une force gravitationnelle vous entraîne le long de la pente. La Lune tourne en orbite autour de la Terre : son mouvement circulaire est provioqué par la force de gravité. Il en est de même pour les planètes, les comètes et les astéroïdes qui tournent en orbite autour u Soleil. Et c'est la même force qui anime ke disque majestueux de notre Voie lactée, lequel mesure plus de 100 000 années-lumière de diamètre.

Ces quelques exemples illustrent l'ubiquité et l'omnipotence de la gravité. Contrairement à la plupart des autres forces, elle semble agir avec une intensité égale à toutes les échelles, du microscopique à l'astronomique. Mais il fallut l'immense intelligence d'Isaac Newton pour en comprendre le principe sous-jacent. En 1687, comme l'histoire nous le raconte, Newton réfléchit aux conséquences de la chute d'une pomme dans son verger, puis il publia son ouvrage fondamental, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Principes mathématiques de la philosophie naturelle), connu sous le nom de Principes. L'ouvrage traitait de nombreux sujets, mais, surtout, il énonçait la loi de la gravitation universelle, qui pose comme principe fondamental de l'Univers que toute matière attire n'importe quelle autre matière par le jeu d'une force gravitationnelle. L'intensité de cette force dépend de la masse des corps qui s'attirent mutuellement et elle décroît rapidement, en proportion inverse du carré de leur éloignement, au fur et à mesure que la distance de ces corps augmente. Cette affirmation d'une élégante et profonde simplicité permettait de prédire à la fois la chute de la pomme et la mise sur orbite des planètes.

La gravité est indubitablement la force qui régit à une grande échelle le comportement de tous les éléments de l'Univers. Tout objet de grande taille, qu'il s'agisse d'une planète, d'une étoile ou d'une galaxie, est entouré d'un champ gravitationnel. Aujourd'hui, suivant les théories d'Einstein, ce champ est souvent conçu comme un "puits de gravité" (un creux ou une dépression) dans le tissus de l'espace-temps dont la profondeur est déterminée par la quantité de matière qui constitue l'objet. Cette courbure ou ce "gauchissement" de l'espace-temps oblige toute matière ou toute forme d'énergie, telle que la lumière, à se courber lorsqu'elle traverse le champs gravitationnel d'objets de grande taille, comme les étoiles.

Les autres objets ou courants de radiations qui pénètrent dans ces dépressions glissent en elles ; autrement dit, ils sont influencés par la force gravitationnelle. Lorsqu'un vaisseau spatial sort du puits de gravité de la Terre, les influences gravitationnelles résiduelles sont faibles et tous les objets logés dans le vaisseau sont en apesanteur. Le poids (la masse) d'un objet n'est que la force gravitationnelle qui agit sur lui en un lieu donné.

Les progrès scientifiques accomplis au XXe siècle ont complétés de diverses manières l'édifice bâti par Newton. Grâce à la théorie de la relativité d'Einstein, nous savons désormais que la masse et l'énergie sont équivalentes. L'une peut se changer en l'autre, entraînant les effets dévastateurs d'une bombe atomique.

Nous n'avons également pas hésité à imaginer des objets d'une densité assez élevée pour que leur puits gravitationnel soit si profond et si escarpé que rien ne puisse s'en échapper. Cet objet est le fameux "trou noir", entité cosmologique dont la gravité est si forte qu'elle empêche même la lumière de s'échapper. De telles masses mystérieuses existent peut-être au coeur de nombreuses galaxies, formant un noyau immense et pourtant invisible autour duquel tournent les myriades de soleils de la galaxie.

Les spéculations sur les mystères de la gravité sont allées plus loin encore. De même qu'une charge électrique animée d'un mouvement ou d'une vibration émet des ondes électromagnétiques, on a émis l'hypothèse qu'une grande masse vibrante puisse produire des ondes gravitationnelles, ou perturbations du champ gravitationnel, semblables à des rides qui se déplacent à la vitesse de la lumière. Diverses expériences de laboratoire sont actuellement en cours pour tenter de démontrer l'existence de telles ondes. Aucune de ces tentatives n'a encore fourni de résultats positifs qui ne soit sujet à contreverse. Mais nous espérons beaucoup qu'une supernova (explosion stellaire cataclysmique) qui vient d'être observée tout récemment émettra des ondes gravitationnelles détectables.

Notre aptitude à explorer le mystérieux a été à l'origine, au cours de la dernière décennie, d'une multitude de "théories du tout", visant à établir des liens entre toutes les forces de la nature, y comprit de la gravité. Les connaissances actuelles laissent supposer qu'à des niveaux d'énergie normaux quatre forces agissent. Ce serait la gravité, la force électromagnétique et les forces nucléaires dites faible et forte, qui assurent la structure du noyau de l'atome. Les deux dernières agissent seulement à de courtes distances alors que la gravité et l'électromagnétisme produisent des effets à des distances infinies.

La gravité est de loin la plus petite des quatres ; les autres sont au moins 10 Exp 35 (c'est-à-dire 1 suivi de 35 zéros) fois plus grandes. En dépit de son infime éfficacité, c'est la gravité qui est la force dominante à l'échelle astronomique, car elle opère à n'importe quelle distance.

L'Univers étant électromagnétiquement neutre, les forces électromagnétiques n'affectent pas les mouvements cosmologiques : toute charge positive est contrebalancée par une force négative correspondante.

Certains savants ont soutenu l'idée qu'à des niveau d'énergie de plus en plus élevés ces quatre forces de natures très différentes pourraient se fondre en une force unique. Ces énergies d'une importance suffisante n'ont peut-être exister qu'au moment du "Big Bang", l'explosion qui a marqué le début de l'Univers. Si c'était le cas, un déploiement majestueux et mystérieux de la nature se serait produit dans les premiers instants de cet évènement, au moment où les forces seraient apparues et où la matière aurait commencé à exister.