QUI A DéCOUVERT LA GRAVITé?

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Quatre forces fondamentales régissent toutes les interactions au sein de l'Univers. Ce sont des forces nucléaires faibles, des forces nucléaires fortes, l'électromagnétisme et la gravité. Parmi celles-ci, la gravité est peut-être la plus mystérieuse. Bien que l'on comprenne depuis un certain temps comment cette loi de la physique opère à la macro-échelle - régissant notre système solaire, les galaxies et les superamas - comment elle interagit avec les trois autres forces fondamentales reste un mystère.

Naturellement, les êtres humains ont une compréhension de base de cette force depuis des temps immémoriaux. Et quand il s'agit de notre compréhension moderne de la gravité, le mérite est dû à un homme qui a déchiffré ses propriétés et comment elle régit toutes choses grandes et petites - Sir Isaac Newton. Grâce à ce physicien et mathématicien anglais du XVIIe siècle, notre compréhension de l'Univers et des lois qui le régissent serait à jamais modifiée.

Bien que nous connaissions tous l'image emblématique d'un homme assis sous un pommier et en ayant une tombée sur la tête, les théories de Newton sur la gravité représentaient également l'aboutissement d'années de recherches, qui à leur tour étaient basées sur des siècles de connaissances accumulées. Il présenterait ces théories dans son magnum opus, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica («Principes mathématiques de la philosophie naturelle»), qui a été publié pour la première fois en 1687.

Dans ce volume, Newton a exposé ce qui allait devenir ses trois lois du mouvement, dérivées des lois de Johannes Kepler sur le mouvement planétaire et de sa propre description mathématique de la gravité. Ces lois jetteraient les bases de la mécanique classique et resteraient incontestées pendant des siècles - jusqu'au XXe siècle et à l'émergence de la théorie de la relativité d'Einstein.

Physique au 17e siècle:

Le 17e siècle a été une période très propice aux sciences, avec des percées majeures dans les domaines des mathématiques, de la physique, de l'astronomie, de la biologie et de la chimie. Certains des plus grands développements de la période comprennent le développement du modèle héliocentrique du système solaire par Nicolaus Copernicus, le travail de pionnier avec les télescopes et l'astronomie d'observation par Galileo Galilei, et le développement de l'optique moderne.

C'est également au cours de cette période que Johannes Kepler a développé ses lois de mouvement planétaire. Formulées entre 1609 et 1619, ces lois décrivaient le mouvement des planètes alors connues (Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter et Saturne) autour du Soleil. Ils ont déclaré que:

Les planètes se déplacent autour du Soleil en ellipses, avec le Soleil au centre
La ligne reliant le Soleil à une planète balaie des zones égales en des temps égaux.
Le carré de la période orbitale d'une planète est proportionnel au cube (3e puissance) de la distance moyenne du Soleil dans (ou en d'autres termes - de l '«axe semi-majeur» de l'ellipse, la moitié de la somme des plus petites et la plus grande distance du Soleil).

Ces lois ont résolu les problèmes mathématiques restants soulevés par le modèle héliocentrique de Copernic, éliminant ainsi tout doute qu'il s'agissait du modèle correct de l'Univers. À partir de ces données, Sir Isaac Newton a commencé à considérer la gravitation et ses effets sur les orbites des planètes.

Les trois lois de Newton:

En 1678, Newton a subi une dépression nerveuse complète en raison d'un surmenage et d'une querelle avec son collègue astronome Robert Hooke. Pendant les prochaines années, il se retire de la correspondance avec d'autres scientifiques, sauf là où ils l'ont initiée, et renouvelle son intérêt pour la mécanique et l'astronomie. Au cours de l’hiver 1680-1681, l’apparition d’une comète, à laquelle il correspond avec John Flamsteed (astronome royal d’Angleterre), renouvelle également son intérêt pour l’astronomie.

Après avoir examiné les lois du mouvement de Kepler, Newton a développé une preuve mathématique que la forme elliptique des orbites planétaires résulterait d'une force centripète inversement proportionnelle au carré du vecteur de rayon. Newton a communiqué ces résultats à Edmond Halley (découvreur de "Haley’s Comet") et à la Royal Society dans son De motu corporum in gyrum.

Ce tract, publié en 1684, contenait la graine de ce que Newton allait développer pour former son magnum opus, le Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Ce traité, publié en juillet 1687, contenait les trois lois du mouvement de Newton, qui stipulaient que:

Lorsqu'il est observé dans un référentiel inertiel, un objet reste au repos ou continue de se déplacer à une vitesse constante, sauf s'il est soumis à une force externe.
La somme vectorielle des forces externes (F) sur un objet est égale à la masse (m) de cet objet multiplié par le vecteur d'accélération (a) de l'objet. Sous forme mathématique, cela s'exprime comme suit: F =mune
Lorsqu'un corps exerce une force sur un deuxième corps, le deuxième corps exerce simultanément une force égale en amplitude et opposée en direction sur le premier corps.

Ensemble, ces lois décrivent la relation entre tout objet, les forces qui agissent sur lui et le mouvement qui en résulte, jetant les bases de la mécanique classique. Les lois ont également permis à Newton de calculer la masse de chaque planète, l'aplatissement de la Terre aux pôles et le renflement à l'équateur, et comment l'attraction gravitationnelle du Soleil et de la Lune crée les marées de la Terre.

Dans le même travail, Newton a présenté une méthode d'analyse géométrique semblable à un calcul utilisant les `` premier et dernier ratios '', a calculé la vitesse du son dans l'air (basée sur la loi de Boyle), a expliqué la procession des équinoxes (dont il a montré qu'ils étaient: résultat de l'attraction gravitationnelle de la Lune sur la Terre), a lancé l'étude gravitationnelle des irrégularités du mouvement de la lune, a fourni une théorie pour la détermination des orbites des comètes, et bien plus encore.

Newton et «l'incident d'Apple»:

L'histoire de Newton proposant sa théorie de la gravitation universelle à la suite de la chute d'une pomme sur sa tête est devenue un incontournable de la culture populaire. Et bien qu'il ait souvent été soutenu que l'histoire est apocryphe et que Newton n'a pas conçu sa théorie à un moment donné, Newton lui-même a raconté l'histoire plusieurs fois et a affirmé que l'incident l'avait inspiré.

De plus, les écrits de William Stukeley - un membre du clergé anglais, antiquaire et membre de la Royal Society - ont confirmé l'histoire. Mais plutôt que la représentation comique de la pomme frappant Newton sur la tête, Stukeley a décrit dans son Mémoires de la vie de Sir Isaac Newton (1752) une conversation dans laquelle Newton a décrit la réflexion sur la nature de la gravité en regardant tomber une pomme.

«… Nous sommes allés dans le jardin, & avons bu du thé à l'ombre de quelques pommiers; seulement lui et moi-même. parmi d'autres discours, m'a-t-il dit, il était juste dans la même situation que lorsque jadis, la notion de gravitation lui venait à l'esprit. «Pourquoi cette pomme devrait-elle toujours descendre perpendiculairement au sol», se dit-il; occasionnellement par la chute d'une pomme… "

John Conduitt, l'assistant de Newton à la Monnaie royale (qui a finalement épousé sa nièce), a également décrit avoir entendu l'histoire dans son propre compte de la vie de Newton. Selon Conduitt, l'incident a eu lieu en 1666 lorsque Newton voyageait pour rencontrer sa mère dans le Lincolnshire. Tout en serpentant dans le jardin, il a envisagé comment l'influence de la gravité s'étendait bien au-delà de la Terre, responsable de la chute de la pomme ainsi que de l'orbite de la Lune.

De même, Voltaire a écrit dans son Essai sur la poésie épique (1727) que Newton avait d'abord pensé au système de gravitation en marchant dans son jardin et en regardant une pomme tomber d'un arbre. Cela est cohérent avec les notes de Newton des années 1660, qui montrent qu'il était aux prises avec l'idée de la façon dont la gravité terrestre s'étend, dans une proportion inverse du carré, à la Lune.

Cependant, il lui faudra encore deux décennies pour développer pleinement ses théories au point de pouvoir offrir des preuves mathématiques, comme le démontre le Principia. Une fois cela terminé, il a déduit que la même force qui fait tomber un objet au sol était responsable d'autres mouvements orbitaux. Par conséquent, il l'a appelée «gravitation universelle».

Divers arbres seraient «le» pommier décrit par Newton. L'école du roi, Grantham, affirme que leur école a acheté l'arbre d'origine, l'a déraciné et l'a transporté dans le jardin du directeur quelques années plus tard. Cependant, le National Trust, qui détient le Woolsthorpe Manor (où Newton a grandi) en fiducie, affirme que l'arbre réside toujours dans leur jardin. Un descendant de l'arbre d'origine peut être vu pousser à l'extérieur de la porte principale du Trinity College de Cambridge, en dessous de la pièce dans laquelle Newton vivait lorsqu'il y a étudié.

Le travail de Newton aurait un effet profond sur les sciences, avec ses principes restant canon pour les 200 années suivantes. Il a également informé le concept de la gravitation universelle, qui est devenu le pilier de l'astronomie moderne, et ne sera pas révisé avant le 20e siècle - avec la découverte de la mécanique quantique et la théorie d'Einstein de la relativité générale.

Nous avons écrit de nombreux articles intéressants sur la gravité ici à Space Magazine. Voici qui était Sir Isaac Newton?, Qui était Galileo Galilei?, Quelle est la force de la gravité?, Et quelle est la constante gravitationnelle?

Astronomy Cast a deux bons épisodes sur le sujet. Voici l'épisode 37: Lensing gravitationnel et l'épisode 102: Gravity,

Sources: