La gravitation

J’aimerais vous partager un peu de mon enghousisame pour la gravitation, car ce phénomène, cette force, cet effet, ce sujet d’étude est plus que fascinant.

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En Grèce antique, elle n’était pas universelle puisque les observations montraient que la fumée montait. Ainsi, tout ne tombait pas sur Terre. Ils voyaient également que la Lune ne tombait pas. Les objets possédaient donc un lieu naturel auquel ils se raccrochaient, soit la Terre, soit le ciel.

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Par la suite, Galilée montre que la chute des corps est universelle et pourtant l’expérience avec des corps légers et lourds ne pouvait pas le démontrer à cause de la résistance de l’air plus perturbante pour les objets très légers. Dans le vide, tous les corps tombent effectivement de façon identique, mais pas sur Terre. Et pourtant, il ose le prétendre grâce à des exercices de pensée, mais certainement pas grâce à une expérience qui aurait prouvé qu’une plume tombe à la même vitesse qu’une pierre ! Sa démonstration à la tour de Pise est du folklore.

Newton fait faire un bond de géant à la gravitation avec sa loi montrant que c’est une force qu’exercent les objets massifs entre eux. Il en déduit une formule montrant que cette force est proportionnelle à la multiplication des masses et diminue en fonction du carré de la distance séparant les deux objets.

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Mais le plus impressionnant est qu’il établit un parallèle entre la chute des corps sur Terre et les orbites célestes en affirmant que la Lune tombe bien sur la Terre, mais sa rotation autour de notre planète fait qu’elle ne cesse de nous rater. Il découvre l’existence d’une constante gravitationnelle (G) identique pour tous les corps s’attirant dans l’Univers. La force gravitationnelle s’exerce sans aucune limite de distance et elle est instantanée. Il sait que cette force dépend des masses des objets, mais il ignore ce qui fait que la masse attire la masse.

Einstein saute ensuite sur l’occasion de déclasser la théorie de Newton en sachant que la force gravitationnelle ne peut pas s’exercer instantanément puisque rien ne peut dépasser la vitesse limite correspondant à la vitesse de la lumière dans le vide. Il a compris que la théorie de Newton n’est qu’une approximation d’une théorie plus générale. Il cesse de voir la gravitation comme une force. Il établit une équivalence entre la masse inertielle et la masse pesante. Il considère que la masse déforme l’espace-temps et c’est cette déformation d’autant plus importante que la masse est grande et dense qui fait courber les trajectoires des objets, leur imposant de tourner le long d’une courbe elliptique pour les planètes gravitant autour des étoiles et des lunes autour de leurs planètes.

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La théorie du grand homme parvient même à prévoir que le temps est modifié par le champ de gravité. Aujourd’hui, il suffit de surélever une horloge atomique de 20 cm pour commencer à apercevoir un décalage entre celle-ci et une autre restée bien en place. Il reste cependant encore une grande inconnue dans cette théorie, pourquoi la masse plie-t-elle l’espace ? Et si la gravitation n’est pas une force, comment la masse parvient-elle à déformer l’espace autour d’elle sinon en lui appliquant une force qui l’étire ?

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Mais le plus gros problème avec la théorie de la gravitation d’Einstein qu’on appelle la relativité générale se situe dans les extrêmes. Elle prédit correctement la formation des trous noirs, mais elle établit une densité centrale valant l’infini, ce qui cesse d’être de la physique. Même chose pour le Big Bang, la relativité générale considère qu’au temps zéro, l’Univers était infiniment dense, infiniment chaud et infiniment petit. Une théorie qui prédit des infinis n’est plus une théorie et là encore, on peut considérer qu’il existe une meilleure théorie que la relativité générale.

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Afin de se dépêtrer de ces dérangeants infinis, les physiciens inventent d’autres théories dont l’une semble prometteuse, la gravitation quantique à boucles. Cette théorie cesse de voir l’espace-temps comme étant continu, il devient discret, comme des atomes tous identiques d’espace-temps. On obtient alors des aires et des volumes minimaux et discrets, une sorte de maillage tridimensionnel où tous les petits volumes incompressibles sont reliés entre eux par un réseau de spins. Le plus grand spécialiste de cette théorie est l’Italien Carlo Rovelli. L’Américain Lee Smolin de l’Institut Perimeter au Canada a également apporté une importante contribution. Plus récemment on entend beaucoup parler du Français Aurélien Barrau, une étoile montante de cette théorie et un excellent vulgarisateur. Je le félicite également pour ses sorties remarquées en faveur de l’environnement.

Mais la gravitation n’a pas terminé de nous surprendre et de nous étonner. Récemment, la mise en lumière du boson de Higgs et du champ de Higgs nous éclaire un peu plus sur le mécanisme engendrant la masse. Cependant, des questions fondamentales demeurent, dont à savoir pourquoi les particules ont toutes des masses différentes et pourquoi elles ont les masses qu’on leur connait ?

Mais il y a pire. On ignore si la gravitation existe aux petites échelles. Et quand je parle des petites échelles, je ne fais pas seulement allusion au niveau des particules élémentaires, mais à tout ce qui se situe en deçà du dixième de millimètre à cause d’autres forces s’exerçant à ces échelles et qui masquent très efficacement les éventuels effets de la gravitation. Pour savoir si deux protons s’attirent par la force gravitationnelle, il faudrait pouvoir la discerner à travers la force électromagnétique qui les repousse avec un facteur 1030 fois plus important.

En résumé, on sait calculer plein de choses en rapport avec la gravitation, mais on ignore encore totalement ce qui la constitue et même si elle existe réellement. Si la gravitation reste l’effet le plus évident à l’échelle humaine, elle demeure la plus mystérieuse de toutes les interactions.

Antigravitation — 2 : La piste de l’antimatière

Le premier article sur le sujet de l’antigravitation s’attardait à définir sa véritable nature afin de la distinguer des autres forces capables de s’opposer à la gravitation sans dire pour autant que ce sont des forces antigravitationnelles.

Dans cet article, j’aborde les différences entre les forces afin de trouver une façon de concevoir de l’antigravitation. L’antimatière s’avèrerait-elle une solution réaliste ? Vous découvrirez la réponse à cette question.

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Force contre force

Un autre point très important à aborder avant de poursuivre est la grandeur de la force gravitationnelle à comparer aux autres forces de la Nature, l’électromagnétisme, par exemple.

Un petit exercice consiste à comparer la force attractive électrostatique entre un proton et un électron à la force gravitationnelle s’exerçant entre ces deux mêmes particules lorsque placés à même distance dans les deux cas.

La force électrostatique s’avérera 2,3 x 1039 fois plus grande que la force gravitationnelle. La force électrostatique est 2 300 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 de fois plus grande que la force gravitationnelle !

En résumé, la force gravitationnelle est si faible que la masse de la Terre entière ne suffit même pas à empêcher un tout petit aimant de soulever une clé. La puissance électromagnétique d’un minuscule aimant s’oppose ainsi aisément à la puissance gravitationnelle de toute la masse de la Terre!

Ce n’est pas de l’antigravitation

Dans l’exemple précédent, l’aimant n’est pas une force antigravitationnelle. C’est une force électromagnétique appliquée en direction opposée à la direction de la force gravitationnelle qui s’exerce sur la clé. Ce faisant, la force résultante déterminera si l’aimant ou la Terre aura le dessus l’un sur l’autre en soulevant la clé ou en la laissant gésir au sol.

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Ce sont deux forces de nature totalement différentes dans leur essence, alors que l’antigravitation serait de nature identique à la gravitation, mais avec une composante répulsive plutôt qu’attractive. Ce serait comme pour  les forces électrostatiques qui possèdent les deux composantes. Des charges électriques identiques se repoussent et des charges électriques inverses s’attirent. On peut donc véritablement parler de forces électrostatiques et de forces antiélectrostatiques.

L’idée est de savoir si la gravitation possède ce même genre de double comportement et la réponse jusqu’à maintenant est non. Cependant, faut-il s’arrêter de chercher pour autant ?

L’antimatière est-elle une solution ?

Si la matière creuse l’espace-temps, il serait plausible que son opposé fasse le contraire et le surélève, créant par le fait même une force répulsive entre matière et antimatière, mais aussi entre l’antimatière et elle-même?

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Cette hypothèse est encore débattue aujourd’hui quoique la très grande majorité des physiciens n’y croient pas. Pour eux, l’antimatière n’est qu’une histoire de charges électriques inverses et ne devrait pas influencer la manière dont sa masse se comporte avec l’espace-temps. Effectivement, on ne distingue aucune différence de masse entre un électron et un positron, ce qui laisse croire en une similarité gravitationelle comportementale.

Le problème est d’observer le phénomène. Puisque les forces électrostatiques sont 1039 fois plus grandes que les forces gravitationnelles, la faible répulsion antigravitationnelle, si elle existe, passe totalement inaperçue à côté des autres forces.

Mais une hypothèse non démontrée se fout des consensus. La physique n’a pas pour but de contenter les physiciens en leur donnant raison. Il se pourrait qu’ils aient tous tort et que l’antimatière engendre effectivement une force antigravitationnelle.

Antimatière et objets volants

Dans l’éventualité que l’antimatière engendre effectivement une force réellement antigravitationnelle, pourrait-on au moins s’en servir pour faire voler des engins?

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En postulant qu’un atome d’antimatière engendre une force antigravitationnelle équivalente à la force gravitationnelle d’un atome de matière, il faudrait embarquer dans l’engin volant une quantité d’antimatière équivalente à la matière de toute la Terre pour compenser la gravitation terrestre.

L’antimatière semble donc une solution totalement irréaliste pour créer une forte antigravitation capable de se dégager de la gravitation terrestre.

Et si l’antigravitation était bien plus forte que la gravitation pour une masse semblable?

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Voilà une idée intéressante, mais ne s’appuyant sur rien. Pourquoi l’espace se courberait-il bien plus facilement en présence d’antimatière que de matière? La trame d’espace-temps serait extrêmement rigide à la présence de matière et totalement souple à celle de l’antimatière. Il faudrait trouver un mécanisme permettant de rendre l’espace-temps très souple en présence d’antimatière. Aucun indice ne semble pointer dans cette direction.

En fait, la preuve aurait probablement été trouvée puisque nous aurions découvert une différence de comportement entre un électron et un positron dans un même champ électromagnétique. Leurs déviations diffèreraient puisque la force antigravitationnelle du positron deviendrait non négligeable par rapport à sa force électromagnétique. Toutes les observations montrent une parfaite équivalence entre les deux particules. On peut donc réfuter une asymétrie forte entre les forces gravitationnelle et antigravitationnelle.

L’antigravitation forte existe-t-elle?

Nous ne connaissons rien pour l’instant qui parviendrait à surélever fortement le tissu de l’espace-temps. Je dirais, c’est normal puisque nous ignorons tout de la nature de cette trame. L’espace-temps reste un concept dont nous sommes encore loin de découvrir sa nature profonde. Si nous y parvenons un jour, nous serons plus à même de trouver un moyen de jouer sur sa trame pour lui faire produire des bosses répulsives plutôt que des creux attractifs.

Et si la solution se trouvait à portée de main ?

Pour ma part, j’aperçois un moyen. En injectant du temps dans la trame d’espace-temps, celle-ci se distendrait. Mais comment entrer du temps dans une sorte de seringue et l’insérer dans le tissu spatio-temporel? Voilà un joli défi technologique. Cependant, le temps regorge d’atouts non négligeables, il ne possède aucune masse, ainsi il devient facile d’en transporter autant qu’on veut à bord d’un objet volant. Reste à comprendre comment jouer avec le temps afin d’étirer la trame spatiale en sens inverse de la gravitation.

Dans le troisième article, j’abordera une façon d’y parvenir et ce faisant, de concevoir rien de moins que des… ovnis.

***** À suivre dans le prochain article*****