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Histoire de la gravitation

Grave = lourd, pesant en grec

 

De nombreux savants se sont relayés pour aboutir aux lois de la gravitation que nous connaissons actuellement. Notion de masse, de poids, de pesanteur. Plusieurs domaines impliqués: mécanique céleste, dynamique des corps ou encore la notion de relativité.

 

Grandes étapes

Terre centre du monde

*    Aristote et ses deux mondes, sur terre et dans le ciel;

*    Ptolémée: la Terre est au centre: géocentrisme;

Révolutions

*    Copernic: la Terre tourne autour du Soleil: héliocentrisme;

*    Kepler: les trois lois qui régissent le mouvement des planètes;

*    Galilée: lois sur la chute des objets;

Mouvement des planètes et chute des corps: deux théories à réunir!

*    Newton: le fera: attraction universelle et ses équations; et

*    Einstein: la théorie de la relativité: la géométrie de l'espace-temps.

 

 

 

 

-3000

 /

*        Terre immobile, au centre du cosmos limité. Les étoiles sont fixées sur une sphère fixe. Le Soleil et les planètes gravitent autour de notre monde.

DÉMOCRITE d'Abdère

 

(-460 à -370)

Grèce

*        Fondateur de l'atomisme: les différents types d'atomes se déplacent dans le vide et interagissent, justifiant des phénomènes observés dans la nature.

                                                            

HÉRACLITE du Pont

 

( -388 à -310)

Grèce

*        Vénus tourne autour du Soleil (système géo-héliocentrique); La terre tourne sur elle-même. Il anticipe le modèle de Tycho Brahe.

-350

ARISTOTE

 

(-384 à -322)

Grèce

*        La Terre est sphérique et non pas plate. Aristote se fonde sur l'observation des éclipses. Circonférence de 444 000 stades (81 400 km), deux fois la réalité.

*        Conception géocentrique.

*        Aristote pense que les corps lourds rejoignent naturellement le centre de la Terre du fait d'une propriété qu'ils possèdent.

*        Il pense surtout qu'il existe deux mondes sur terre et dans le ciel (sublunaire et supralunaire). En l'air, les mouvements sont circulaires.

*        Pour se mouvoir, un objet doit être poussé, et ce, par une force en contact direct. Idée qui va perdurer jusqu'au XVIe siècle.

ÉPICURE

(-341 à -270)

*        Comme Démocrite soutient la thèse des atomes.

-250

ARISTARQUE de Samos

( -310 à -203)

Grèce

*        Idée de l'héliocentrisme (-280) qui ne sera pas reprise avant Copernic
Archimède dans son livre l'Arénaire mentionne l'idée d'Aristarque:

Aristarque de Samos fait l'hypothèse que les étoiles fixes et le Soleil sont immobiles. Quant à la Terre, elle se déplace autour du Soleil sur la circonférence d'un cercle ayant son centre dans le Soleil

ARCHIMÈDE de Syracuse

( -287 à -212)

Grèce

*        Père de la mécanique statique.

*        Traité sur l'équilibre des figures planes: levier et centre de gravité. S'approche de la notion de force.

LUCRÈCE

( – 94 à – 54)

*        Atomiste:

Il n’y a rien d’autre dans la nature que du vide et des atomes, qui sont éternels, absolument pleins et insécables (atome signifie en grec: qui ne peut être coupé).

*        Lucrèce, comme Épicure, pense que l’univers ne se réduit pas à notre système solaire. Il est illimité et d’autres mondes existent.

100

PTOLÉMÉE Claude

( 90 – 168)

Alexandrie

*        Modèle complexe, géocentrique du mouvement du Soleil et des planètes tel qu'imaginé par Hipparque
Auteur de l'Almageste et de Géographie. Synthèse des connaissances, enrichie de ses apports propres; textes qui seront redécouverts, avec ceux d'Aristote, par les Occidentaux via les Arabes et les Byzantins.

*        Cette théorie va vivre pendant mille trois cents ans.

300

MARTIANUS Capella

( 360 – 428)

*        Fait connaître le modèle géo-héliocentrique d'Héraclite dans son traité d'astronomie, document le plus populaire durant le Moyen Âge.

500

PHILIPON Jean

( 492 – 568)

Grèce

*        Le premier à introduire la théorie de l'impetus, notion qu'adoptera Galilée: un objet lancé conserve en lui l'élan initial. Par exemple, si je lâche un objet en marchant, il tombera à mes pieds et non en arrière.

*        Jean Buridan redécouvrira l'impetus en 1340.

600

BRAHMAGUPTA

 

(598-668)

Inde

*        Les objets sont attirés par le centre de la Terre, laquelle est sphérique.

800

AL-KHUWARIZMI

( 780 – 850)

Ouzbékistan

*        Il existe une force d'attraction entre les corps.

Voir Contemporains Avant J.-C. / Après J.-C.

 

1400

NICOLAS de CUES

ou de CUSA

(1401-1464)

*        Contrairement à l'idée d'Aristote, le monde est sans limite (ou indéterminé) et la Terre ne peut évidemment pas en être le centre.

*        La Terre, comme tous les astres, est en mouvement.

TARTAGLIA

(1499-1557)

Italie

*        Le boulet suit d'abord une trajectoire rectiligne oblique; se courbe; et retombe verticalement. Il révisera sa position en indiquant que la trajectoire est courbe tout le long.

COPERNIC

Nicolas

(1473-1543)

Pologne

*        Émet l'hypothèse que la Terre et les autres planètes tournent autour du Soleil. La Terre n'est pas au centre du cosmos. Il s'abstint de publier sa théorie jusqu'en 1543, année de sa mort. Il est souvent reconnu comme le père de l'astronomie moderne.

*        Kepler, Galilée, Gassendi et Descartes vont devenir copernicien et peaufiner la théorie.

*        La terre est une planète comme les autres: c'est la Révolution copernicienne.

Voir Contemporains  1400

 

1500

BENEDETTI Giovanni

(1530-1590)

Italie

*        Les corps de même densité tombent à la même vitesse même s'ils sont de masse différente. Il compare la chute d'une boule de quatre livres à celles de quatre boules d'une livre chutant ensemble.

BRAHE Tycho

(1546-1601)

Danemark

*        Rompt la tradition scientifique en donnant la priorité à l'observation pour valider ses hypothèses.

*        Ses observations très précises, à l'œil nu et muni d'un grand compas (immense sextant), de la planète Mars seront utilisées par Kepler pour établir ses trois lois.

*        Ne se résout pas à admettre l'héliocentrisme. Il met au point un système intermédiaire:

La Terre est immobile; les planètes tournent autour du Soleil; le Soleil et la Lune tournent autour de la Terre. Système qui sera adopté par les jésuites; celui de Copernic étant contraire à la Bible. Tycho, lui, ne pouvait admettre le système copernicien du fait de l'absence d'observation d'une parallaxe.

*        Lors d'un duel avec un cousin il a le nez tranché et sera obligé de porter une prothèse.

BRUNO Giordano

(1548-1600)

Italie

*        Reprend les idées de Nicolas de Cues et de Copernic pour développer sa théorie de l'héliocentrisme.

*        L'univers est infini et n'a pas de centre.

*        Il sera brûlé vif pour ses idées hérétiques tant religieuses que scientifiques.

STEVIN Simon

(1548-1620)

Bruges

La Haye

*        Idée de force et d'équilibre. Expérience du chapelet de bille posé sur un double plan incliné

Il imagine un triangle solide posé sur sa base horizontale formant ainsi deux plans inclinés. Un chapelet de billes, fermé, est placé de chaque côté et une partie pend librement. Le chapelet est au repos sinon elle serait en mouvement perpétuel. Il y a équilibre. Or la partie pendante est en équilibre d'elle-même. C'est que les biles d'un côté du plan équilibrent les billes de l'autre côté. Or la quantité de chaque côté est dans le rapport des longueurs.

GALILEI

Galileo

(1564-1642)

Italie

*        Principe d'inertie de Galilée: le boulet lâché du haut d'un mât tombe au pied du mât malgré le mouvement du bateau.

*        En chute libre, la vitesse moyenne est la moitié de la vitesse finale (loi en t²) et cela indépendamment de la masse.

*        Construit la première lunette, grossissement 32. Toutes ses observations (satellites de Jupiter, phases de Vénus comme celles de la Lune) le convainquirent que Copernic avait raison.  En 1597, il écrit à Kepler pour lui rendre hommage pour ouvrage: Le Secret du monde.

*        En dépit des avertissements de l'église, il consigna ses idées dans un ouvrage révolutionnaire : "Dialogue sur les deux grands systèmes du monde (1632) " >>>

KEPLER Johannes

(1571-1630)

Allemagne

*        Épouse les idées de Copernic en 1589 (28 ans).

*        Suite à l'étude précise de l'orbite de Mars, il met au point les trois lois de Kepler (1618).

*        Publie Harmonices Mundi en 1619

 

DESCARTES René

(1596-1650)

France

*        En 1633, il renonce à publier le Traité du monde et de la lumière dans lequel il défend la thèse de l'héliocentrisme. Galilée vient d'être condamné. Il ne sera publié en 1664.

*        Il fait avancer la géométrie, outil indispensable pour décrire les mouvements.

*         Il introduit la notion de quantité de mouvement, produit de la masse par le vecteur vitesse.

 

Il y a deux forces: celle de l'objet au repos liée à sa masse et celle de l'objet en mouvement liée à sa quantité de mouvement. Descartes en déduit sept lois du mouvement des corps.

Voir Contemporains  1500

1600

HUYGENS Christian

(1629-1695)

Néerlandais

*        Théorie du pendule oscillant

*        Les forces vives (mv²) se conservent lors de chocs.

*        Loi de Huygens sur les forces centrifuges (a = v² / R).

HOOKE Robert

(1635-1703)

GB

*        En 1678: deux composantes pour expliquer le mouvement des planètes:

Une selon la tangente de la trajectoire (inertielle) et l'autre vers le centre de l'astre due à son attraction. Cette dernière étant en 1/r².

*        Hooke qui avait communiqué avec Newton, lui reprochera ne pas l'avoir cité dans ses ouvrages.

MALEBRANCHE Nicolas

(1638-1715)

France

*        En 1675, publie Recherche de la vérité réfutant une idée de Descartes: un objet au repos ne subit aucune force.

NEWTON

Isaac

(1642-1727)

GB

*        En 1687, publication de Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ou Principes mathématiques de la philosophie naturelle. Texte qui sera amélioré jusqu'en 1726

*        Théorie sur le mouvement et la gravitation définissant la relation entre les objets et l'espace:

L'attraction est proportionnelle au produit des masses et à l'inverse du carré de la distance.

*        Savant mélange d'équations mathématiques et de géométrie. Il calcula l'orbite de la Lune, des comètes. Il explique comment la gravité régit les marées.

*        Newton fut critiqué et désolé de ne pourvoir expliquer pourquoi deux corps s'attirent à distance.

Gravity must be caused by an agent acting constantly according to certain laws; but whether this agent be material or immaterial I have left to the consideration of my reader.

LEIBNIZ Gottfried

(1646-1716)

Allemagne

*        Leibniz est surtout connu pour avoir introduit, en parallèle avec Newton, le calcul intégral.

*        Invente le concept de force vive. Il s'oppose (1691) à Descartes pour dire que ce n'est pas mv qui est conservé mais ½ mv² (l'énergie cinétique).

Voir Contemporains 1600

1700

MAUPERTUIS Pierre Louis

(1698-1759)

France

*        Principe de moindre action (énoncé en même temps par Leibniz): grosso modo, la vitesse, l'accélération, un champ … évoluent en consommant à tout instant le moins d'action (d'énergie)  possible. Ce principe sera formalisé mathématiquement par Lagrange en 1756.

EULER Leonhard

(1707-1783)

Suisse

*        Axiomatise la théorie de Newton: équations différentielles faisant intervenir mouvement, forces, couples …

*        Détermination avec une grande précision des orbites des corps célestes dont les comètes

*        Calcul de la parallaxe du Soleil.

*        Tables précises de longitudes.

CAVENDISH Henry

(1731-1810)

GB

*        En 1798, avec son pendule de torsion inspiré par les travaux de Coulomb sur les charges électriques, il mesure la densité de la Terre qu'il obtient à 1% de la valeur admise actuellement.

*        Mesure qui conduisit à la première valeur fiable de la constante de gravitation (6,75 au lieu de 6,67 10-11 N-m²/kg².

LAGRANGE Joseph-Louis

(1736-1813)

France

*        Équations différentielles de Lagrange qui caractérisent la mise en mouvement d'un objet.

*        Point de Lagrange: point de non-gravité Terre-Soleil.

*        Travaille sur le problème des trois corps et met en évidence des points de libration

LAPLACE Pierre-Simon

(1749-1827)

France

*        Développe l'astronomie mathématique. Utilisation des équations différentielles (laplacien)

*        Vérification de la stabilité dynamique du système  solaire.

*        Imagine le trou noir: une gravité telle que la lumière n'aurait pas la vitesse suffisante pour en sortir. Il suppose que certaines nébuleuses sont des galaxies hors de la Voie Lactée.

Voir Contemporains 1700

Vitesses de libération

Vitesse de libération: vitesse à communiquer à un objet (fusée) pour échapper à l'attraction d'un astre.

 

 

 

1800

LE VERRIER Urbain

(1811-1877)

France

*        Spécialiste de mécanique céleste, il découvre la planète Neptune comme la cause des anomalies de mouvements d'Uranus. En 1846, Johann Galle observe cette planète.

*        John Adams avait fait le même calcul mais ne l'avait pas publié.

*        Il tente de répéter ses calculs pour expliquer les anomalies de Mercure et se hasarde à prédire une nouvelle planète (Vulcain). C'est en fait la relativité qui expliquera le phénomène.

RIEMANN Bernhard

(1826-1866)

Allemagne

*        Introduction (1854 – Göttingen)) d'une géométrie non-euclidienne, base théorique pour la théorie de la relativité générale. Carl Gauss était son superviseur de thèse.

Les concepts de Riemann sont en avance sur son temps. Il faudra attendre 1915 et la formulation de la relativité générale pour apprécier ces travaux.

L'espace-temps est de type semi-riemannien: la courbure impose le mouvement de la matière et la matière engendre la courbure de l'espace-temps.

MACH Ernst

(1838-1616)

Autrichien

*        Principe de Mach (1893) relatif à l'origine de l'inertie qui serait induite par l'ensemble des autres masses présentes dans l'univers.

*        Principe non prouvé ni infirmé, mais qui aurait inspiré Einstein pour la découverte de la relativité générale.

MICHELSON

Albert

(1852-1931)

USA

*        Démontra que l'éther ne pouvait pas remplir le vide de l'espace. L'éther était une solution pratique pour expliquer la propagation de l'onde-lumière sur un véhicule, comme l'onde acoustique dans l'air ou l'eau.

En essayant de mesurer la vitesse relative de la lumière sur la Terre, Michelson et son collègue Edward Morley ne purent pas trouver la composante de la vitesse de la Terre, comme si la vitesse de la lumière était constante.

Après de nombreuses expériences de plus en plus sophistiquées, toujours aucune différences. Le projet est abandonné, le considérant comme un échec.

*        Einstein, prendra le relais... la vitesse de la lumière est une constante, quelque soit la vitesse du véhicule qui la porte. Idée originale qui perturbe le sens commun relative à la loi de la composition des vitesses de la mécanique classique.

LORENTZ Henrdik

(1853-1928)

Néerlandais

*        Les transformations de Lorentz sont à la base de la théorie de la relativité restreinte.

*        Lorentz avait fait l'hypothèse d'une contraction des appareils lors des expériences de Michelson et Morley.

 

POINCARÉ

Henri

(1854-1912)

Français

*        Au début du siècle, Poincaré donne la liste des grands principes de la physique:

*    Conservation de l'énergie

*    Conservation de la masse - Lavoisier

*    Dégradation de l'énergie - Carnot

*    Égalité de l'action et de la réaction - Newton

*    Principe de la moindre action

*    Principe de la relativité

*        Considéré comme co-inventeur de la relativité avec Einstein.

*        Certains pensent qu'il n'a pas la reconnaissance qu'il mériterait dans ce domaine.

*        Il est le père de la théorie du Chaos suite à ses travaux sur le problème des trois corps.

 

MINKOWSKI Hermann

(1864-1909)

Allemagne

*        Définit un espace-temps à quatre dimensions modélisant l'espace-temps de la relativité restreinte. Introduit préalablement par Poincaré  et sujet de débat quant à la paternité.

*        Cet espace-temps est le même pour tous les observateurs inertiels.

EINSTEIN

Albert

(1879-1955)

Suisse

*        Einstein publie " Les fondements de la théorie de la relativité restreinte et généralisée ".

*        Restreinte : la vitesse de la lumière est constante ; l'éther n'existe pas ; tout est relatif - temps, distances - sauf la vitesse de la lumière. Avec la vitesse, le temps se rétrécit, la masse augmente et les distances diminuent. Théorie publié par Einstein en 1905.

*        Puis il formula sa célèbre relation E = m.c² en 1907.

*        Généralisée : Einstein passa 10 ans à étudier la gravité. "  jamais de ma vie je n'ai travaillé aussi dur ". Étant donné que le temps est relatif - ou élastique - l'espace-temps possède les mêmes propriétés que notre espace classique à trois dimensions.

*        Notion de déformation de l'espace temps avec les objets de l'espace.

*        L'espace prend des contours incurvés en quatre dimensions qui fixent la trajectoire des objets en mouvement.

EDDINGTON

Arthur

(1882-1944)

DYSON

Frank

(1868-1939)

GB

*        Éclipse totale de Soleil, observée dans le golfe de Guinée, le 29 mai 1919. En captant l'image de la fort lointaine constellation Taurus, il serait possible de vérifier la théorie de la relativité restreinte. La lumière qui provenait de ces étoiles était bien déviée par le Soleil.

*        Ce fut la première vérification expérimentale de cette théorie.

FIEDMANN Alexandre

(1888-1925)

Russie

*        Étudie les équations d'Einstein et en déduit que l'univers devrait être en expansion (1922). Einstein s'opposera à cette conception dynamique.

*        Père de l'expansion de l'Univers avec Georges Lemaitre et George Gamow.

LEMAÎTRE

Georges

(1894-1966)

Belgique

*        Jeune prêtre belge, il imagine (1927) l'expansion à rebours de l'Univers pour remonter à son origine : un œuf cosmique d'une densité et d'une chaleur inconcevables.

HUBBLE

Edwin

(1889-1953)

USA

*        Décalage vers le rouge du spectre de la lumière des étoiles, prouvant que l'Univers est en expansion (1929).

*        Constante de Hubble.

Voir Contemporains 1800

1900

HAWKINS

Stephen

(Né en 1942)

GB

*        Tentent d'unifier la théorie de la relativité et la mécanique quantique. Ses formules, basées sur celles d'Einstein, vérifient l'hypothèse des trous noirs.

*        Une étoile mourante ; la gravité entre en conflit avec les forces internes de la matière atomique. Si elle est trop petite (cas du Soleil), le processus ne va pas plus loin que la naine blanche (ou étoile à neutrons).

*        Plus massive, sa gravité est suffisante pour provoquer son autodestruction ; rien ne peut stopper son anéantissement total ; l'astre se consume complètement, enfle démesurément : géante rouge ; et implose en trou noir ; sa matière est piégée derrière un rempart de gravité (horizon des événements) et sa lumière est piégée à jamais.

PENROSE

Roger

(Né en 1931)

GB

*        Principe fort de censure cosmique (1979): les singularités gravitationnelles sont masquées derrière l'horizon des événements. Un des problèmes importants de la relativité générale.

?

*        La plupart des théories de gravité quantique postulent l'existence d'un quantum correspondant appelé le graviton.

2000

BROUT Robert

(1928-2011)

USA / Belgique

ENGLERT François

(Né en 1932)

Belgique

HIGGS Peter

(Né en 1929)

GB

*        Boson de Higgs imaginé en 1964 par Brout et Englert et simultanément par Higgs. Il est rebaptisé boson BEH en leur honneur.

*        C'est cette particule qui expliquerait la masse.

*        Première observation en 2012 au grand collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN.

*        Prix Nobel 2013 à Englert et Higgs (Brout décédé)

  Voir Contemporains  1900 / 2000

 

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*    Mécanique classique

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*    Relativité et son histoire

Livre

*    L'histoire des sciences pour les Nuls – Vincent Jullien – First Edition – 2009

Sites

*      Histoire de la gravitation – Wikipédia

*      Une brève histoire du principe de la relativité (diaporama) – Loïc Villain – 2010

*      Theory of gravitation – J J O'Connor and E F Robertson – MacTutor

*      A brief tour into the history of gravity: from Democritus to Einstein – Panagiotis Papaspirou and Xenophon Moussas – 2013

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