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La gravitation, l'une des quatre interactions fondamentales qui régissent l'Univers, est l'interaction physique responsable de l'attraction des corpsmassifs. Elle se manifeste notamment par l'attraction terrestre qui nous retient au sol, la gravité, qui est responsable de plusieurs manifestations naturelles ; les marées, l'orbite des planètes autour du Soleil, la sphéricité de la plupart des corps célestes en sont quelques exemples. D'une manière plus générale, la structure à grande échelle de l'Univers est déterminée par la gravitation.
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Plusieurs théories ont tenté de rendre compte de la gravitation. Actuellement encore, la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein (1915) reste la plus satisfaisante. Elle considère la gravitation comme une manifestation de la courbure de l'espace-temps sous l'effet de l'énergie de la matière qui s'y trouve. La loi de la gravitation de Newton, élaborée à la fin du XVIIe siècle, demeure cependant une excellente approximation dans les cas non relativistes (vitesses faibles par rapport à celle de la lumière et masses de l'ordre de la masse solaire ou inférieures).
À l’échelle microscopique, la gravitation est la plus faible des quatre interactions fondamentales de la physique ; elle devient dominante au fur et à mesure que l’échelle de grandeur augmente. Avec la force électromagnétique, elle est l'une des deux interactions à agir au-delà de la dimension du noyau atomique. De plus, comme elle est toujours attractive, elle domine sur les forces électromagnétiques qui l'emportent à plus courte portée, étant tantôt attractives, tantôt répulsives.
La théorie de la gravitation est ainsi toujours l'objet de nombreuses recherches, et la communauté scientifique considère qu'élaborer une théorie plus complète de la gravitation, capable de prendre en compte les effets de nature microscopique (quantiques), et pour cette raison appelée gravitation quantique, est un des grands défis à relever pour la physique du XXIe siècle.
Maupertuis est le premier à avoir clairement distingué la gravité et la pesanteur. Reprise par d'Alembert et par Clairaut, sa distinction est devenue conventionnelle. La gravité est la somme des actions attractives exercées sur une masse par le biais de la gravitation, alors que la pesanteur est la résultante de la gravité et de l'action de l'accélération d'entraînement due à la rotation de la Terre sur elle-même. Ainsi, un satellite en orbite autour de la Terre est soumis à la gravité alors que tout corps sur Terre est soumis à la pesanteur.
La gravitation maintient les planètes en orbite autour du Soleil. (Échelle non respectée).
Compréhension intuitive
Penser, comme Aristote, que sur Terre (et avec l'hypothèse du vide atmosphérique) plus un corps est lourd, plus il tombe vite c'est faire une confusion entre quantité et qualité :
quantité : prenons en main un corps attiré par la Terre, et décomposons-le, par un jeu de l'esprit, en une myriade de « micro-briques de matière ». Chaque « brique de matière », étant attirée par la Terre, exerce une force sur la main, nommée poids, et le grand nombre de briques exerçant ce poids donne le poids global. Le poids global d'un objet dépend de la quantité de matière : c'est une grandeur approximativement extensive ;
qualité : lâchons ce corps, supposé fait d'une seule matière, il tombe. Chaque micro-brique tombe parce qu'elle est attirée par la Terre et acquiert une certaine vitesse, sans tenir compte de la présence éventuelle d'autres briques alentour. Donc, quel que soit le nombre de micro-briques, toutes tombent simultanément et à la même vitesse (car toutes faites de la même matière et identiques) : c'est la vitesse du corps entier, qui ne dépend pas du nombre de briques et donc ne dépend pas de sa masse. Cette vitesse est une qualité du corps totalement indépendante de la quantité de matière : c'est une grandeur intensive.
Ainsi, bien qu'elles soient intimement associées dans nos expériences et nos sensations courantes, les deux grandeurs (poids et vitesse de chute) sont bien distinctes.
La distinction ci-dessus entre qualité et quantité n'explique pas qu'en l'absence d'air, du bois et du métal tombent exactement à la même vitesse. Ce fait expérimental laisse penser que ces deux matières différentes (ainsi que toutes les autres) ont en commun la même qualité. Les expérimentations et les réflexions sur ce sujet ont donné le principe d'équivalence.
En termes plus précis et plus scientifiques, la relativité générale étudie la gravitation et, comme « qualité commune » aux corps dans le problème posé ci-dessus, permet de proposer « l'énergie », bien qu'en toute rigueur cette théorie admet comme hypothèse l'existence de cette « qualité commune » (en admettant le principe d'équivalence) et qu'elle exclut toute idée d'attraction et de force gravitationnelle.
En laissant tomber simultanément des objets de poids, formes ou volumes très différents, par exemple une balle de mousse et une bille de métal de même diamètre, depuis une hauteur d'homme, on peut penser qu'il y a égalité des vitesses de chute. Mais quand la hauteur de chute est plus grande, des différences perceptibles apparaissent, du fait des frottements de l'air. Galilée sera le premier à comprendre que les frottements sont la seule cause des différences de vitesses entre ces corps.
Histoire
Article détaillé : Histoire de la gravitation.
Antiquité
Le philosophe grecArchimède a découvert le centre de gravité d'un triangle. Il a également postulé que si deux poids égaux n'avaient pas le même centre de gravité, le centre de gravité des deux poids combinés serait au milieu de la ligne qui joint leurs centres de gravité respectifs.
L'architecte et ingénieur romain Vitruve postule dans l'ouvrage De Architectura que la gravité d'un objet ne dépend pas de son poids mais plutôt de sa nature.
Moyen Âge
Dans l'Inde ancienne, Aryabhata a identifié la force pour expliquer pourquoi les objets ne sont pas projetés vers l'extérieur lorsque la Terre tourne. Brahmagupta a décrit la gravité comme une force d'attraction et a utilisé le terme « Gurutvaakarshan » pour décrire cette dernière,.
Modélisation de Galilée
Article détaillé : Pesanteur.
Par une expérience, mythique, réalisée du haut de la tour de Pise, le savant italien Galilée (1564-1642) aurait constaté que des balles lourdes et de poids différents ont le même temps de chute, mais, quand il explique dans son Dialogue sur les deux grands systèmes du monde pourquoi il en est ainsi dans le vide, il justifie par des expériences de pensée : notamment en imaginant deux pierres de même poids et forme, chutant simultanément et reliées ou non par un lien, formant ainsi deux corps séparés de même poids ou bien un seul de poids double, mais ayant dans tous les cas la même vitesse de chute.
Vers 1604, Galilée utilise un constat : un objet en chute libre possède une vitesse initiale nulle, mais quand il arrive au sol, sa vitesse… n'est pas nulle. Donc la vitesse varie durant la chute. Galilée propose une loi simple : la vitesse varierait continûment à partir de 0, et proportionnellement au temps écoulé depuis le début de la chute.
Ainsi : vitesse = constante × temps écoulé.
Il en conclut, après un calcul similaire à la démonstration établie plus de deux siècles auparavant par Nicolas Oresme[réf. nécessaire], que, pendant une chute, la distance parcourue est proportionnelle au carré du temps écoulé.
Plus précisément : distance = ½ constante × temps écoulé2 (avec la même constante que ci-dessus).
Son idée est confirmée dans une expérience, avec du matériel construit de sa main : une gouttière inclinée le long de laquelle des clochettes sont disposées pour indiquer le passage de la bille.
La constante sera notée g (accélération de la pesanteur) et sa valeur déterminée expérimentalement (environ 9,81 m/s2). La pesanteur varie notamment selon le lieu sur Terre. Par convention, sa valeur normale est fixée à g0 = 9,806 65 m s−2.
Modélisation d'Isaac Newton (1643-1727)
Isaac Newton jette un pont entre le ciel et la Terre. Il suggère que la force qui nous retient au sol est la même que celle qui retient la Lune autour de la Terre.
Article détaillé : Loi universelle de la gravitation.
Mathématicien autant que physicien et alchimiste, Isaac Newton mit au point, entre 1665 et 1685, sa théorie de la mécanique fondée sur l’étude de l’accélération, et non seulement de la vitesse comme le faisaient Galilée et René Descartes.
Newton chercha à unifier les lois connues pour les objets sur Terre et les lois observées pour les astres, notamment la gravitation terrestre et les mouvements des planètes, en considérant et traitant la gravitation comme une force.
En considérant deux corps ponctuels exerçant une force gravitationnelle l’un sur l’autre, une justification de la loi de Newton est la suivante :
à partir des lois de Kepler, que celui-ci avait obtenues en observant les mouvements des planètes du Système solaire, et de la loi de Christiaan Huygens sur la force centrifuge, Newton conclut que la force agissante entre deux corps s’exerce en ligne droite entre les deux corps et est proportionnelle à 1/d2, où d est la distance entre les deux corps ;
considérant que cette force est proportionnelle à la quantité de matière présente dans le corps exerçant cette force (un corps ayant deux fois plus de matière exerce une force égale à la somme des forces de deux corps, donc exerce une force deux fois plus grande), il suppose que la force est proportionnelle à mA, nombre appelé « masse gravifique », proportionnelle à la quantité de matière dans le corps A et reflétant sa capacité à exercer cette force (la « charge » gravitationnelle en fait), dépendant sans doute de sa nature (plomb, argile ou gaz…) ;
en vertu du principe des actions réciproques, la force exercée par l’autre corps sur le premier doit être égale (et de sens opposé) et doit aussi être proportionnelle à mB, la masse gravifique du deuxième corps B ;
aucun autre paramètre ne semblant entrer en compte, cette force du corps A sur le corps B s’exprime sous la forme : où est une constante, appelée constante gravitationnelle qui est environ égale à 6,67 × 10−11 N m2 kg−2.
En écrivant le principe fondamental de la dynamique pour le corps A de masse inerte, on obtient . On constate que pour que l’accélération (et donc la vitesse) d’un corps en chute libre sur terre soit indépendante de sa masse inertielle (comme l’a expérimenté Galilée), il faut que pour ce corps, c’est-à-dire que la « masse gravifique » soit égale à la masse inertielle, indépendamment de la nature du corps (en fait la proportionnalité entre ces masses suffit, avec le même coefficient pour tous les matériaux, ensuite on peut les rendre égales avec un choix des unités de mesure). Newton a testé cette égalité pour de nombreux matériaux, et depuis les expériences n’ont jamais cessé, avec de plus en plus de raffinements (balance d’Eötvös, etc.). Depuis, cette égalité a été appelée le principe d’équivalence faible.
L’action à distance (sans contact, à travers le vide) et la propagation instantanée de la force de gravitation ont aussi suscité des doutes, y compris de Newton.
Force gravitationnelle exercée par l'objet 1 sur l'objet 2 (en rouge) ; est le vecteur unitaire de 1 vers 2 (en bleu).
Dans l’écriture vectorielle moderne, la force gravitationnelle s’écrit :
étant la force gravitationnelle exercée par le corps 1 sur le corps 2 (en newtons ou m kg s−2) ;
, la constante gravitationnelle, qui vaut 6,674 2 × 10−11 N m2 kg−2 (ou m3 kg−1 s−2) ;
et , les masses des deux corps en présence (en kilogrammes) ;
, la distance entre les deux corps (en mètres) ;
le vecteur unitaire dirigé du corps 1 vers le corps 2 ;
le signe – indique que le corps 2 est attiré par le corps 1.
La loi newtonienne de la gravitation permet d'expliquer l'origine de la loi de Galilée : en notant r le rayon terrestre et mT la masse de la Terre, on obtient m s−2 soit approximativement 9,8 m/s2.
La théorie newtonienne est bien vérifiée expérimentalement. D’un point de vue technique, elle suffit pour faire voler des objets plus lourds que l’air et pour envoyer des hommes sur la Lune. La force de pesanteur est la résultante de la force de gravité et de forces axifuges (la force centrifuge liée à la rotation de la terre sur elle-même, de la loi de l’inertie du mouvement, etc.).
Reformulations de la théorie de Newton
Joseph-Louis Lagrange a réécrit, à partir de 1762, la théorie de 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 la notion d'énergie, qui est une constante pour tout système isolé (c’est-à-dire : sans interaction avec l'extérieur) et qui sera de la plus grande importance pour la physique relativiste et en mécanique quantique, au XXe siècle.
L'idée d'un champ de force, introduite par Michael Faraday, ne permit qu'une réécriture de la théorie de la gravitation newtonienne, mais cette notion se révélera féconde quand il s'agira de concevoir la gravitation relativiste. Le champ ou champ de force de la gravitation est une propriété de l'espace due à la masse d'un corps. Une autre masse entrant en contact avec ce champ est soumise 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 modifiée. Toutefois, le champ est lui-même instantanément modifié par le corps qui le crée.
Si M est la masse du corps ponctuel émetteur du champ, et si r est la distance entre ce corps et le point de l'espace que l'on considère, le champ en ce point s'exprime par le « potentiel gravitationnel » .
Un corps ponctuel de masse m étant en contact avec ce champ, la force qu'il subit est , où est le vecteur unitaire de même direction et de même sens que qui va de M à m.
Article détaillé : Champ gravitationnel.
Modélisation d'Albert Einstein (1879-1955)
Depuis la relativité générale, la gravitation n'est plus perçue comme une force d'attraction, mais plutôt comme une manifestation de la déformation de la géométrie de l'espace-temps sous l'influence de la masse des objets qui l'occupent.
Article détaillé : Introduction à la relativité générale.
Après avoir énoncé la théorie de la relativité restreinte en 1905, Albert Einstein cherche à la rendre compatible avec la gravitation, dont l'effet est supposé se propager à une vitesse infinie dans la théorie de Newton, alors que la vitesse de la lumière est la vitesse maximale pour toute interaction selon la relativité restreinte.
Vers 1915, Einstein émet l'hypothèse que la gravitation n'est pas une force au sens classique, que l'on donne à ce mot en physique, mais une manifestation de la déformation de l'espace-temps sous l'effet de l'énergie de la matière qui s'y trouve. Cette hypothèse résulte de l'observation que tous les corps tombent de la même façon dans un champ de gravitation, quelles que soient leur masse ou leur composition chimique. Cette observation, a priori fortuite en théorie newtonienne, mais remarquablement vérifiée expérimentalement, est formalisée sous le nom de principe d'équivalence et amène naturellement à considérer que la gravitation est une manifestation de la géométrie à 4 dimensions de l'espace-temps. Au terme traditionnel de force se substitue alors celui plus générique d'interaction.
La théorie ainsi construite, qui porte le nom de relativité générale, incorpore le principe de relativité, et la théorie newtonienne en est une approximation dans la limite des champs gravitationnels faibles et des vitesses petites devant celle de la lumière. En effet, les déformations de l'espace-temps prévues sous l'effet des corps massifs, quand ceux-ci ont une forte accélération, ne se propagent pas plus vite que la vitesse de la lumière, ce qui résout le paradoxe de l'instantanéité apparente de l'interaction newtonienne. Il en résulte des ondes gravitationnelles, détectées pour la première fois le .
Domaines
Gravitation et astronomie
Pour un article plus général, voir astronomie.
La gravitation newtonienne est suffisante pour décrire la majorité des phénomènes observés à l'échelle des étoiles. Elle suffit, par exemple, pour décrire l'évolution des planètes du Système solaire, à quelques détails près comme l'avance du périhélie de Mercure et l'effet Shapiro.
Mais la relativité générale est nécessaire pour modéliser certains objets et phénomènes astronomiques particuliers : les étoiles à neutrons, les mirages gravitationnels, les objets très compacts tels que les trous noirs, etc.
Gravitation et cosmologie
Effet de mirage gravitationnel prédit par la relativité générale. Les forts champs gravitationnels déforment l'espace autour d'eux ce qui courbe la trajectoire empruntée par les rayons lumineux, déformant ainsi certaines images que nous recevons du cosmos. On a ici un seul quasar.
Pour un article plus général, voir 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 de la structure à grande échelle de l'univers. Si aux échelles des étoiles et des galaxies, la gravitation newtonienne est suffisante, dans beaucoup de situations, la théorie newtonienne est en difficulté. Par exemple, elle est incapable d'offrir une description cohérente d'un univers homogène infini alors que la relativité générale est parfaitement en mesure de décrire une telle situation.
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. Les observations indiquent qu'à grande échelle, l'univers est remarquablement homogène (à plus petite échelle, la matière est répartie de façon non uniforme : l'espace entre les étoiles d'une même galaxie est essentiellement vide, 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 une modélisation cohérente de l'Univers. Il existe cependant, outre la matière visible constituant les étoiles, et le gaz des galaxies, une matière noire aux propriétés et à la distribution encore très mal connues dans les années 2020.
La dynamique de l'Univers va, elle, dépendre des propriétés de la matière qui le compose, en particulier de son équation d'état. On peut montrer que, sauf cas particulier, l'Univers ne peut être statique : il est soit en contraction, soit en expansion globales. 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, attirant la matière des parties les moins denses, et les laissant entièrement vides. Cependant, à moyenne échelle, l'Univers a une « structure d'éponge » et il existe d'énormes bulles sans matière visible.
Bien que la théorie de « l'Expansion » tienne peu compte des nombreuses interactions existant entre la matière et les rayonnements électromagnétiques, les observations confirment globalement 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. Le décalage spectral des lumières lointaines a été découvert par Edwin Hubble à la fin des années 1920. Plus tard, son élève Allan Sandage a introduit le concept de l'Expansion, à la suite des travaux de Lemaître et Gamow. Elle indique que l'Univers tel que nous le connaissons est issu d'une phase extraordinairement dense et chaude : le Big Bang. Plusieurs observations quantitatives confirment cette hypothèse, à partir de sa première minute. 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 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, ou que cette expansion n'est qu'une apparence commode pour rendre compte de nombreuses observations.
Gravitation et physique quantique
Pour un article plus général, voir physique quantique.
La relativité générale a été conçue sur l'hypothèse de la continuité de l'espace-temps (et même sa différentiabilité) et sur l'hypothèse de la continuité de la matière (entre autres pour construire le tenseur de densité d'énergie-impulsion). Cette deuxième hypothèse est une approximation au regard de la physique quantique.
La physique quantique étant l'exploration de l'infiniment petit, l'expérimentation de la gravitation dans ce cadre se heurte à un problème majeur : les trois autres forces qui y règnent sont au moins 1025 fois plus fortes, alors qu'il est déjà difficile d'expérimenter sur elles ; du coup les effets de la gravitation se perdent dans les inévitables imprécisions des mesures.
Cette difficulté expérimentale n'a pas empêché les tentatives de construire une gravitation quantique, sans résultat susceptible dans les années 2020 de vérification expérimentale.
On peut toutefois remarquer que :
L'ajout du potentiel gravitationnel à l'équation de Schrödinger permet de retrouver un résultat connu : les particules tombent ;
L'utilisation des intégrales de chemin de Feynman a permis de prévoir un déphasage de la fonction d'onde dû à la gravitation (galiléenne) ; ces deux effets correspondent à une approximation semi-classique en mécanique quantique ;
L'équation des ondes gravitationnelles peut s'interpréter comme celle de la propagation d'une particule appelée « graviton », jugée responsable de la gravitation, dont on peut déduire certaines propriétés (notamment sa masse, nulle, et son spin, égal à 2), sans que cela ait pu encore être vérifié expérimentalement malgré les tentatives de plus en plus sophistiquées.
Il existe plusieurs modèles de théories quantiques de la gravitation : théorie M, supergravité, géométrie non commutative et gravitation quantique à boucles.
Notes et références
Notes
À condition de ne pas comparer la chute d'une bille et celle d'une feuille d'automne.
L’incertitude relative sur cette constante est cependant élevée par rapport à d’autres constantes fondamentales : 1 pour 10 000, soit une incertitude absolue de ± 0,000 67 × 10−11 N m2 kg−2. cf. CODATA 2006 sur le site du NIST.
(en) Reviel Netz et William Noel, The Archimedes Codex : Revealing The Secrets Of The World's Greatest Palimpsest, Orion, , 320 p. (ISBN978-1-78022-198-4), p. 125
(en) Lewis Wolpert, Science and Mathematics in Ancient Greek Culture, Oxford University Press, , 379 p. (ISBN978-0-19-815248-4)
(la) Marcus Vitruvius Pollio, De Architectura, Liber Septimus, Rome, (lire en ligne), p. 123-149
(en) Clifford Pickover, Archimedes to Hawking : Laws of Science and the Great Minds Behind Them, Oxford University Press, , 528 p. (ISBN978-0-19-979268-9, lire en ligne), p. 105
(en) Amartya Kumar Sen, The Argumentative Indian : Writings on Indian History, Culture and Identity, Penguin UK, , 304 p. (ISBN978-0-7139-9687-6), p. 29
Alexandre Koyré, étude d'histoire de la pensée scientifique, éditions Gallimard, 1986 (1re édition), (ISBN2-07-070335-5) : article « Le de motu gravium de Galilée », issu de la revue d'histoire des sciences et de leurs applications chez les éditions PUF, 1960, p197-245.
Voir aussi
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Bibliographie
Les Cahiers de Science et Vie : Galilée (1991), Newton (1993), Kepler (1994), Descartes (2001).
Gianni Pascoli, La Gravitation, Paris, PUF, coll. Que sais-je ?. Exposé court des problématiques qui ont amené à la relativité générale, et études de quelques conséquences de cette théorie.
Françoise Balibar, Galilée, Newton lus par Einstein, Paris, PUF, 1984.
Françoise Balibar, Einstein 1905. De l'éther aux quanta, Paris, PUF, 1992, (ISBN2-13-044298-6).
Dominique Lecourt et Thomas Bourgeois, Dictionnaire d'histoire et philosophie des sciences, Presses universitaires de France, coll. « Quadrige Dicos Poche », , 4e éd. (ISBN978-2-13-054499-9). On y trouve, entre autres, l'article Champ rédigé par Françoise Balibar, ainsi que l'article Gravitation rédigé par John Stachel.
Lev Landau et Evgueni Lifchits, Physique théorique [détail des éditions]
Georges-Antoine Chaduteau, La Gravitation, attraction ou répulsion ?, Éditions Rencontres université, 2017, 9782873070670.
[Capderou 2011] Michel Capderou (préf. Hervé Le Treut), Satellites : de Kepler au GPS, Paris, Berlin et Heidelberg, Springer, hors coll., (réimpr. sept. 2012), 1re éd., XXII-844 p., 15,5 × 23,5 cm (ISBN978-2-287-99049-6, EAN9782287990496, OCLC780308456, BNF42541514, DOI10.1007/978-2-287-99050-2, SUDOC156644711, présentation en ligne, lire en ligne).
Articles connexes
Champ gravitationnel
Onde gravitationnelle
Figure de la Terre et gravitation universelle
Graviton
Histoire de la gravitation, Lois de Kepler
Lagrangien, Mécanique hamiltonienne
Masse de la Terre
Mécanique newtonienne, Force (physique), Lois du mouvement de Newton
Pesanteur, Poids
Liens externes
Ressource relative à la littérature :
The Encyclopedia of Science Fiction
Ressource relative à la santé :
Medical Subject Headings
Ressource relative à la recherche :
JSTOR
Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes :
Britannica
Den Store Danske Encyklopædi
Enciclopedia italiana
L'Encyclopédie canadienne
Encyclopédie de l'Ukraine moderne
Internetowa encyklopedia PWN
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"Gravitation : plus dure sera la chute ?", émission "La méthode scientifique", France Culture, le 31 janvier 2019
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Actuellement encore la theorie de la relativite generale d Albert Einstein 1915 reste la plus satisfaisante Elle considere la gravitation comme une manifestation de la courbure de l espace temps sous l effet de l energie de la matiere qui s y trouve La loi de la gravitation de Newton elaboree a la fin du XVII e siecle demeure cependant une excellente approximation dans les cas non relativistes vitesses faibles par rapport a celle de la lumiere et masses de l ordre de la masse solaire ou inferieures A l echelle microscopique la gravitation est la plus faible des quatre interactions fondamentales de la physique elle devient dominante au fur et a mesure que l echelle de grandeur augmente Avec la force electromagnetique elle est l une des deux interactions a agir au dela de la dimension du noyau atomique De plus comme elle est toujours attractive elle domine sur les forces electromagnetiques qui l emportent a plus courte portee etant tantot attractives tantot repulsives La theorie de la gravitation est ainsi toujours l objet de nombreuses recherches et la communaute scientifique considere qu elaborer une theorie plus complete de la gravitation capable de prendre en compte les effets de nature microscopique quantiques et pour cette raison appelee gravitation quantique est un des grands defis a relever pour la physique du XXI e siecle Maupertuis est le premier a avoir clairement distingue la gravite et la pesanteur Reprise par d Alembert et par Clairaut sa distinction est devenue conventionnelle La gravite est la somme des actions attractives exercees sur une masse par le biais de la gravitation alors que la pesanteur est la resultante de la gravite et de l action de l acceleration d entrainement due a la rotation de la Terre sur elle meme Ainsi un satellite en orbite autour de la Terre est soumis a la gravite alors que tout corps sur Terre est soumis a la pesanteur La gravitation maintient les planetes en orbite autour du Soleil Echelle non respectee Comprehension intuitivePenser comme Aristote que sur Terre et avec l hypothese du vide atmospherique plus un corps est lourd plus il tombe vite c est faire une confusion entre quantite et qualite quantite prenons en main un corps attire par la Terre et decomposons le par un jeu de l esprit en une myriade de micro briques de matiere Chaque brique de matiere etant attiree par la Terre exerce une force sur la main nommee poids et le grand nombre de briques exercant ce poids donne le poids global Le poids global d un objet depend de la quantite de matiere c est une grandeur approximativement extensive qualite lachons ce corps suppose fait d une seule matiere il tombe Chaque micro brique tombe parce qu elle est attiree par la Terre et acquiert une certaine vitesse sans tenir compte de la presence eventuelle d autres briques alentour Donc quel que soit le nombre de micro briques toutes tombent simultanement et a la meme vitesse car toutes faites de la meme matiere et identiques c est la vitesse du corps entier qui ne depend pas du nombre de briques et donc ne depend pas de sa masse Cette vitesse est une qualite du corps totalement independante de la quantite de matiere c est une grandeur intensive Ainsi bien qu elles soient intimement associees dans nos experiences et nos sensations courantes les deux grandeurs poids et vitesse de chute sont bien distinctes La distinction ci dessus entre qualite et quantite n explique pas qu en l absence d air du bois et du metal tombent exactement a la meme vitesse Ce fait experimental laisse penser que ces deux matieres differentes ainsi que toutes les autres ont en commun la meme qualite Les experimentations et les reflexions sur ce sujet ont donne le principe d equivalence En termes plus precis et plus scientifiques la relativite generale etudie la gravitation et comme qualite commune aux corps dans le probleme pose ci dessus permet de proposer l energie bien qu en toute rigueur cette theorie admet comme hypothese l existence de cette qualite commune en admettant le principe d equivalence et qu elle exclut toute idee d attraction et de force gravitationnelle En laissant tomber simultanement des objets de poids formes ou volumes tres differents par exemple une balle de mousse et une bille de metal de meme diametre depuis une hauteur d homme on peut penser qu il y a egalite des vitesses de chute Mais quand la hauteur de chute est plus grande des differences perceptibles apparaissent du fait des frottements de l air Galilee sera le premier a comprendre que les frottements sont la seule cause des differences de vitesses entre ces corps HistoireArticle detaille Histoire de la gravitation Antiquite Le philosophe grec Archimede a decouvert le centre de gravite d un triangle Il a egalement postule que si deux poids egaux n avaient pas le meme centre de gravite le centre de gravite des deux poids combines serait au milieu de la ligne qui joint leurs centres de gravite respectifs L architecte et ingenieur romain Vitruve postule dans l ouvrage De Architectura que la gravite d un objet ne depend pas de son poids mais plutot de sa nature Moyen Age Dans l Inde ancienne Aryabhata a identifie la force pour expliquer pourquoi les objets ne sont pas projetes vers l exterieur lorsque la Terre tourne Brahmagupta a decrit la gravite comme une force d attraction et a utilise le terme Gurutvaakarshan pour decrire cette derniere Modelisation de Galilee Article detaille Pesanteur Par une experience mythique realisee du haut de la tour de Pise le savant italien Galilee 1564 1642 aurait constate que des balles lourdes et de poids differents ont le meme temps de chute mais quand il explique dans son Dialogue sur les deux grands systemes du monde pourquoi il en est ainsi dans le vide il justifie par des experiences de pensee notamment en imaginant deux pierres de meme poids et forme chutant simultanement et reliees ou non par un lien formant ainsi deux corps separes de meme poids ou bien un seul de poids double mais ayant dans tous les cas la meme vitesse de chute Vers 1604 Galilee utilise un constat un objet en chute libre possede une vitesse initiale nulle mais quand il arrive au sol sa vitesse n est pas nulle Donc la vitesse varie durant la chute Galilee propose une loi simple la vitesse varierait continument a partir de 0 et proportionnellement au temps ecoule depuis le debut de la chute Ainsi vitesse constante temps ecoule Il en conclut apres un calcul similaire a la demonstration etablie plus de deux siecles auparavant par Nicolas Oresme ref necessaire que pendant une chute la distance parcourue est proportionnelle au carre du temps ecoule Plus precisement distance constante temps ecoule2 avec la meme constante que ci dessus Son idee est confirmee dans une experience avec du materiel construit de sa main une gouttiere inclinee le long de laquelle des clochettes sont disposees pour indiquer le passage de la bille La constante sera notee g acceleration de la pesanteur et sa valeur determinee experimentalement environ 9 81 m s2 La pesanteur varie notamment selon le lieu sur Terre Par convention sa valeur normale est fixee a g0 9 806 65 m s 2 Modelisation d Isaac Newton 1643 1727 Isaac Newton jette un pont entre le ciel et la Terre Il suggere que la force qui nous retient au sol est la meme que celle qui retient la Lune autour de la Terre Article detaille Loi universelle de la gravitation Mathematicien autant que physicien et alchimiste Isaac Newton mit au point entre 1665 et 1685 sa theorie de la mecanique fondee sur l etude de l acceleration et non seulement de la vitesse comme le faisaient Galilee et Rene Descartes Newton chercha a unifier les lois connues pour les objets sur Terre et les lois observees pour les astres notamment la gravitation terrestre et les mouvements des planetes en considerant et traitant la gravitation comme une force En considerant deux corps ponctuels exercant une force gravitationnelle l un sur l autre une justification de la loi de Newton est la suivante a partir des lois de Kepler que celui ci avait obtenues en observant les mouvements des planetes du Systeme solaire et de la loi de Christiaan Huygens sur la force centrifuge Newton conclut que la force agissante entre deux corps s exerce en ligne droite entre les deux corps et est proportionnelle a 1 d2 ou d est la distance entre les deux corps considerant que cette force est proportionnelle a la quantite de matiere presente dans le corps exercant cette force un corps ayant deux fois plus de matiere exerce une force egale a la somme des forces de deux corps donc exerce une force deux fois plus grande il suppose que la force est proportionnelle a mA nombre appele masse gravifique proportionnelle a la quantite de matiere dans le corps A et refletant sa capacite a exercer cette force la charge gravitationnelle en fait dependant sans doute de sa nature plomb argile ou gaz en vertu du principe des actions reciproques la force exercee par l autre corps sur le premier doit etre egale et de sens oppose et doit aussi etre proportionnelle a mB la masse gravifique du deuxieme corps B aucun autre parametre ne semblant entrer en compte cette force du corps A sur le corps B s exprime sous la forme FA B G mA mBd2 displaystyle F A B G times frac m A cdot m B d 2 ou G displaystyle G est une constante appelee constante gravitationnelle qui est environ egale a 6 67 10 11 N m2 kg 2 En ecrivant le principe fondamental de la dynamique pour le corps A de masse inerte m displaystyle m on obtient m a G mA mBd2 displaystyle m cdot a G cdot frac m A cdot m B d 2 On constate que pour que l acceleration a displaystyle a et donc la vitesse d un corps en chute libre sur terre soit independante de sa masse inertielle m displaystyle m comme l a experimente Galilee il faut que m mA displaystyle m m A pour ce corps c est a dire que la masse gravifique soit egale a la masse inertielle independamment de la nature du corps en fait la proportionnalite entre ces masses suffit avec le meme coefficient pour tous les materiaux ensuite on peut les rendre egales avec un choix des unites de mesure Newton a teste cette egalite pour de nombreux materiaux et depuis les experiences n ont jamais cesse avec de plus en plus de raffinements balance d Eotvos etc Depuis cette egalite a ete appelee le principe d equivalence faible L action a distance sans contact a travers le vide et la propagation instantanee de la force de gravitation ont aussi suscite des doutes y compris de Newton Force gravitationnelle F 12 displaystyle vec F 12 exercee par l objet 1 sur l objet 2 en rouge u 12 displaystyle vec u 12 est le vecteur unitaire de 1 vers 2 en bleu Dans l ecriture vectorielle moderne la force gravitationnelle s ecrit F 12 Gm1m2d2u 12 displaystyle vec F 12 G frac m 1 m 2 d 2 vec u 12 F 12 displaystyle vec F 12 etant la force gravitationnelle exercee par le corps 1 sur le corps 2 en newtons ou m kg s 2 G displaystyle G la constante gravitationnelle qui vaut 6 674 2 10 11 N m2 kg 2 ou m3 kg 1 s 2 m1 displaystyle m 1 et m2 displaystyle m 2 les masses des deux corps en presence en kilogrammes d displaystyle d la distance entre les deux corps en metres u 12 displaystyle vec u 12 le vecteur unitaire dirige du corps 1 vers le corps 2 le signe indique que le corps 2 est attire par le corps 1 La loi newtonienne de la gravitation permet d expliquer l origine de la loi de Galilee en notant r le rayon terrestre et mT la masse de la Terre on obtient g G mTr2 displaystyle g G cdot frac m mathrm T r 2 m s 2 soit approximativement 9 8 m s2 La theorie newtonienne est bien verifiee experimentalement D un point de vue technique elle suffit pour faire voler des objets plus lourds que l air et pour envoyer des hommes sur la Lune La force de pesanteur est la resultante de la force de gravite et de forces axifuges la force centrifuge liee a la rotation de la terre sur elle meme de la loi de l inertie du mouvement etc Reformulations de la theorie de Newton Joseph Louis Lagrange a reecrit a partir de 1762 la theorie de la gravitation et l ensemble de la physique en y introduisant le principe de moindre action qui avait ete formule par Pierre Louis Maupertuis vers 1744 William Rowan Hamilton vers 1830 a substitue au principe de moindre action la notion d energie qui est une constante pour tout systeme isole c est a dire sans interaction avec l exterieur et qui sera de la plus grande importance pour la physique relativiste et en mecanique quantique au XX e siecle L idee d un champ de force introduite par Michael Faraday ne permit qu une reecriture de la theorie de la gravitation newtonienne mais cette notion se revelera feconde quand il s agira de concevoir la gravitation relativiste Le champ ou champ de force de la gravitation est une propriete de l espace due a la masse d un corps Une autre masse entrant en contact avec ce champ est soumise a une influence une force due au champ Ainsi l influence gravitationnelle n est pas dans ce cadre creee et transportee instantanement d un corps a l autre mais est deja presente dans tout l espace sous la forme du champ et a son contact un corps voit sa dynamique modifiee Toutefois le champ est lui meme instantanement modifie par le corps qui le cree Si M est la masse du corps ponctuel emetteur du champ et si r est la distance entre ce corps et le point de l espace que l on considere le champ en ce point s exprime par V r G Mr displaystyle V r frac G cdot M r le potentiel gravitationnel Un corps ponctuel de masse m etant en contact avec ce champ la force qu il subit est F r m V r G M mr2 u r displaystyle vec F r m vec nabla V r frac G cdot M cdot m r 2 cdot vec u vec r ou u r displaystyle vec u vec r est le vecteur unitaire de meme direction et de meme sens que r displaystyle vec r qui va de M a m Article detaille Champ gravitationnel Modelisation d Albert Einstein 1879 1955 Depuis la relativite generale la gravitation n est plus percue comme une force d attraction mais plutot comme une manifestation de la deformation de la geometrie de l espace temps sous l influence de la masse des objets qui l occupent Article detaille Introduction a la relativite generale Apres avoir enonce la theorie de la relativite restreinte en 1905 Albert Einstein cherche a la rendre compatible avec la gravitation dont l effet est suppose se propager a une vitesse infinie dans la theorie de Newton alors que la vitesse de la lumiere est la vitesse maximale pour toute interaction selon la relativite restreinte Vers 1915 Einstein emet l hypothese que la gravitation n est pas une force au sens classique que l on donne a ce mot en physique mais une manifestation de la deformation de l espace temps sous l effet de l energie de la matiere qui s y trouve Cette hypothese resulte de l observation que tous les corps tombent de la meme facon dans un champ de gravitation quelles que soient leur masse ou leur composition chimique Cette observation a priori fortuite en theorie newtonienne mais remarquablement verifiee experimentalement est formalisee sous le nom de principe d equivalence et amene naturellement a considerer que la gravitation est une manifestation de la geometrie a 4 dimensions de l espace temps Au terme traditionnel de force se substitue alors celui plus generique d interaction La theorie ainsi construite qui porte le nom de relativite generale incorpore le principe de relativite et la theorie newtonienne en est une approximation dans la limite des champs gravitationnels faibles et des vitesses petites devant celle de la lumiere En effet les deformations de l espace temps prevues sous l effet des corps massifs quand ceux ci ont une forte acceleration ne se propagent pas plus vite que la vitesse de la lumiere ce qui resout le paradoxe de l instantaneite apparente de l interaction newtonienne Il en resulte des ondes gravitationnelles detectees pour la premiere fois le 14 septembre 2015 DomainesGravitation et astronomie Pour un article plus general voir astronomie La gravitation newtonienne est suffisante pour decrire la majorite des phenomenes observes a l echelle des etoiles Elle suffit par exemple pour decrire l evolution des planetes du Systeme solaire a quelques details pres comme l avance du perihelie de Mercure et l effet Shapiro Mais la relativite generale est necessaire pour modeliser certains objets et phenomenes astronomiques particuliers les etoiles a neutrons les mirages gravitationnels les objets tres compacts tels que les trous noirs etc Gravitation et cosmologie Effet de mirage gravitationnel predit par la relativite generale Les forts champs gravitationnels deforment l espace autour d eux ce qui courbe la trajectoire empruntee par les rayons lumineux deformant ainsi certaines images que nous recevons du cosmos On a ici un seul quasar Pour un article plus general voir cosmologie La gravitation etant la force dominante a l echelle des distances astronomiques les theories newtonienne et einsteinienne ont ete confrontees depuis leurs creations respectives aux observations de la structure a grande echelle de l univers Si aux echelles des etoiles et des galaxies la gravitation newtonienne est suffisante dans beaucoup de situations la theorie newtonienne est en difficulte Par exemple elle est incapable d offrir une description coherente d un univers homogene infini alors que la relativite generale est parfaitement en mesure de decrire une telle situation La relativite generale seule ne suffit cependant pas pour decrire la structure a grande echelle de l Univers Il faut lui adjoindre des hypotheses sur la repartition spatiale de la matiere Les observations indiquent qu a grande echelle l univers est remarquablement homogene a plus petite echelle la matiere est repartie de facon non uniforme l espace entre les etoiles d une meme galaxie est essentiellement vide tout comme l espace entre les galaxies Ce fait observationnel avait au depart ete suppose par Einstein qui lui avait donne le nom de principe cosmologique Sous cette hypothese la relativite generale permet une modelisation coherente de l Univers Il existe cependant outre la matiere visible constituant les etoiles et le gaz des galaxies une matiere noire aux proprietes et a la distribution encore tres mal connues dans les annees 2020 La dynamique de l Univers va elle dependre des proprietes de la matiere qui le compose en particulier de son equation d etat On peut montrer que sauf cas particulier l Univers ne peut etre statique il est soit en contraction soit en expansion globales Une structure globale uniforme de l Univers serait instable les parties les plus denses meme tres faiblement finiraient par s effondrer sous leur propre poids attirant la matiere des parties les moins denses et les laissant entierement vides Cependant a moyenne echelle l Univers a une structure d eponge et il existe d enormes bulles sans matiere visible Bien que la theorie de l Expansion tienne peu compte des nombreuses interactions existant entre la matiere et les rayonnements electromagnetiques les observations confirment globalement cette prediction puisque l on observe une recession apparente des galaxies celles ci s eloignant de nous d autant plus vite qu elles sont eloignees Le decalage spectral des lumieres lointaines a ete decouvert par Edwin Hubble a la fin des annees 1920 Plus tard son eleve Allan Sandage a introduit le concept de l Expansion a la suite des travaux de Lemaitre et Gamow Elle indique que l Univers tel que nous le connaissons est issu d une phase extraordinairement dense et chaude le Big Bang Plusieurs observations quantitatives confirment cette hypothese a partir de sa premiere minute Le destin de l univers n est pas connu avec certitude car le comportement a long terme de la matiere est incertain On a observe une acceleration de l expansion de l univers due a une force de repulsion a tres longue distance prevue comme une possibilite dans la relativite generale Ceci semble etre le signe probable que l expansion durera indefiniment sans donner lieu a une phase de recontraction ou que cette expansion n est qu une apparence commode pour rendre compte de nombreuses observations Gravitation et physique quantique Pour un article plus general voir physique quantique La relativite generale a ete concue sur l hypothese de la continuite de l espace temps et meme sa differentiabilite et sur l hypothese de la continuite de la matiere entre autres pour construire le tenseur de densite d energie impulsion Cette deuxieme hypothese est une approximation au regard de la physique quantique La physique quantique etant l exploration de l infiniment petit l experimentation de la gravitation dans ce cadre se heurte a un probleme majeur les trois autres forces qui y regnent sont au moins 1025 fois plus fortes alors qu il est deja difficile d experimenter sur elles du coup les effets de la gravitation se perdent dans les inevitables imprecisions des mesures Cette difficulte experimentale n a pas empeche les tentatives de construire une gravitation quantique sans resultat susceptible dans les annees 2020 de verification experimentale On peut toutefois remarquer que L ajout du potentiel gravitationnel a l equation de Schrodinger permet de retrouver un resultat connu les particules tombent L utilisation des integrales de chemin de Feynman a permis de prevoir un dephasage de la fonction d onde du a la gravitation galileenne ces deux effets correspondent a une approximation semi classique en mecanique quantique L equation des ondes gravitationnelles peut s interpreter comme celle de la propagation d une particule appelee graviton jugee responsable de la gravitation dont on peut deduire certaines proprietes notamment sa masse nulle et son spin egal a 2 sans que cela ait pu encore etre verifie experimentalement malgre les tentatives de plus en plus sophistiquees Il existe plusieurs modeles de theories quantiques de la gravitation theorie M supergravite geometrie non commutative et gravitation quantique a boucles Notes et referencesNotes A condition de ne pas comparer la chute d une bille et celle d une feuille d automne L incertitude relative sur cette constante est cependant elevee par rapport a d autres constantes fondamentales 1 pour 10 000 soit une incertitude absolue de 0 000 67 10 11 N m2 kg 2 cf CODATA 2006 sur le site du NIST References a b c et d Capderou 2011 p 56 en Reviel Netz et William Noel The Archimedes Codex Revealing The Secrets Of The World s Greatest Palimpsest Orion 13 octobre 2011 320 p ISBN 978 1 78022 198 4 p 125 en Lewis Wolpert Science and Mathematics in Ancient Greek Culture Oxford University Press 2002 379 p ISBN 978 0 19 815248 4 la Marcus Vitruvius Pollio De Architectura Liber Septimus Rome 15 av J C lire en ligne p 123 149 en Clifford Pickover Archimedes to Hawking Laws of Science and the Great Minds Behind Them Oxford University Press 16 avril 2008 528 p ISBN 978 0 19 979268 9 lire en ligne p 105 en Amartya Kumar Sen The Argumentative Indian Writings on Indian History Culture and Identity Penguin UK 2005 304 p ISBN 978 0 7139 9687 6 p 29 Alexandre Koyre etude d histoire de la pensee scientifique editions Gallimard 1986 1re edition ISBN 2 07 070335 5 article Le de motu gravium de Galilee issu de la revue d histoire des sciences et de leurs applications chez les editions PUF 1960 p197 245 Voir aussiSur les autres projets Wikimedia gravitation sur le Wiktionnairegravite sur le WiktionnaireGravitation sur Wikiquote Une categorie est consacree a ce sujet Gravitation Bibliographie Les Cahiers de Science et Vie Galilee 1991 Newton 1993 Kepler 1994 Descartes 2001 Gianni Pascoli La Gravitation Paris PUF coll Que sais je Expose court des problematiques qui ont amene a la relativite generale et etudes de quelques consequences de cette theorie Francoise Balibar Galilee Newton lus par Einstein Paris PUF 1984 Francoise Balibar Einstein 1905 De l ether aux quanta Paris PUF 1992 ISBN 2 13 044298 6 Dominique Lecourt et Thomas Bourgeois Dictionnaire d histoire et philosophie des sciences Presses universitaires de France coll Quadrige Dicos Poche 2006 4e ed ISBN 978 2 13 054499 9 On y trouve entre autres l article Champ redige par Francoise Balibar ainsi que l article Gravitation redige par John Stachel Lev Landau et Evgueni Lifchits Physique theorique detail des editions Georges Antoine Chaduteau La Gravitation attraction ou repulsion Editions Rencontres universite 2017 9782873070670 Capderou 2011 Michel Capderou pref Herve Le Treut Satellites de Kepler au GPS Paris Berlin et Heidelberg Springer hors coll oct 2011 reimpr sept 2012 1re ed XXII 844 p 15 5 23 5 cm ISBN 978 2 287 99049 6 EAN 9782287990496 OCLC 780308456 BNF 42541514 DOI 10 1007 978 2 287 99050 2 SUDOC 156644711 presentation en ligne lire en ligne Articles connexes Champ gravitationnel Onde gravitationnelle Figure de la Terre et gravitation universelle Graviton Histoire de la gravitation Lois de Kepler Lagrangien Mecanique hamiltonienne Masse de la Terre Mecanique newtonienne Force physique Lois du mouvement de Newton Pesanteur PoidsLiens externes Ressource relative a la litterature The Encyclopedia of Science Fiction Ressource relative a la sante Medical Subject Headings Ressource relative a la recherche JSTOR Notices dans des dictionnaires ou encyclopedies generalistes Britannica Den Store Danske Encyklopaedi Enciclopedia italiana L Encyclopedie canadienne Encyclopedie de l Ukraine moderne Internetowa encyklopedia PWN Larousse Nationalencyklopedin Store norske leksikon Treccani Universalis Notices d autorite BnF donnees IdRef LCCN GND Japon Espagne Israel Tchequie Coree du Sud Gravitation plus dure sera la chute emission La methode scientifique France Culture le 31 janvier 2019 Portail de la physique Portail de la geodesie et de la geophysique Portail de l astronomie Portail de la cosmologie