Gravitasyon

Gravitasyon, youn nan kat entèraksyon fondamantal ki gouvène Linivè, se  fizik ki responsab pou atraksyon kò masif. Li manifeste tèt li an patikilye pa Atraksyon sou latè ki kenbe nou sou tè a, "gravite", ki responsab plizyè manifestasyon natirèl; mare yo, òbit planèt yo alantou Solèy la, sferisite pifò kò selès yo se kèk egzanp. Plis jeneralman, estrikti nan gwo echèl nan Linivè detèmine pa gravitasyon.

Plizyè teori yo te eseye konte pou gravitasyon. Kounye a toujou, teyori relativite jeneral Albert Einstein (1915) rete pi satisfezan. Li konsidere gravitasyon kòm yon manifestasyon kobti espas-tan anba efè enèji matyè ki la. Lwa gravitasyon Newton an, ki te devlope nan fen , sepandan rete yon apwoksimasyon ekselan nan ka ki pa relativis (vitès ki ba konpare ak sa ki nan limyè ak mas nan lòd la nan mas solè oswa pi ba).

Nan echèl mikwoskopik, gravitasyon se pi fèb nan kat entèraksyon fondamantal yo nan fizik; li vin dominan kòm echèl grandè a ogmante. Avèk fòs elektwomayetik, li se youn nan de entèraksyon pou aji pi lwen pase dimansyon nwayo atomik la. Anplis de sa, kòm li toujou atire, li domine sou fòs elektwomayetik ki domine nan pi kout ranje, yo te pafwa atire, pafwa repouse.

Teyori gravitasyon an se konsa toujou sijè a nan anpil rechèch, ak kominote syantifik la konsidere ke devlope yon teyori gravitasyon pi konplè, ki kapab pran an kont efè yon nati mikwoskopik (pwopòsyon ), e pou rezon sa a yo rele gravite pwopòsyon, se youn nan gwo defi yo dwe pran pou fizik nan .


 Konpreyansyon entwisyon 
Pou w panse, tankou Arisòt, sou Latè (e avèk ipotèz vakyòm atmosferik la) plis yon kò lou, se pi vit li tonbe se fè yon konfizyon ant' 'kantite ak bon jan kalite:
 kantite: ann pran nan men yon kò ki atire pa Latè, epi ann dekonpoze li, jwenn yon jwèt nan lespri, nan yon myriad "mikwo brik matyè". Chak "brik nan matyè", ke yo te atire pa Latè a, egzèse yon fòs sou men an, yo rele "pwa", ak gwo kantite brik ki egzèse pwa sa a bay pwa an jeneral. Pwa total yon objè depann de kantite matyè: se yon kantite kantite extensif;
 good jan: kite kò sa a, swadizan te fè nan yon sèl kalite, li tonbe. Chak mikwo-brik tonbe paske li se atire pa Latè ak achte yon byen vit seten, san yo pa pran an kont prezans nan posib nan lòt brik ki tou pre. Se konsa, kèlkeswa kantite mikwo-brik, tout tonbe ansanm ak nan menm quickes la (paske tout te fè nan menm moun sa a ak idantik): se vitès la nan tout kò a, ki pa depann de kantite brik ak Se poutèt sa . pa depann de mas li. Vitès sa a se yon kalite kò a totalman endepandan de kantite matyè a: li se yon gwo entansif.

Kidonk, byen ke yo entimman reyalize nan byenke nou yo ak sansasyon, kantite yo (pwa ak vitès sezon otòn) yo trè diferan.

Distenksyon ki anwo a ant bon jan kalite ak kantite pa prezante ke nan absan yo tonbe lè a menm bwa travay la. Reyalite eksperimantal sa a reponn ke travay sa yo diferan (kòm byen ke tout lòt yo) gen menm kalite an kòman. Eksperyans ak refleksyon sou sa a bay prensip ekivalans.

Nan tèm ki pi si ak plis syantifik, relativite jeneral etid gravitasyon ak, kòm yon "bon jan kalite komen" nan kò yo nan pwoblèm ki poze anlè a, pèmèt nou pwopoze "enèji", byenke nan tout rigor teyori sa admèt kòm ipotèz egzistans. sa a ". bon jan kalite kòman" (pa admèt prensip la ekivalans) e ke li eskli nenpòt lide nan "atraksyon" ak "fòs" gravitaksyon.

Lè nou lage objè ki gen anpil pwa, fòm oswa volim an menm tan, pa egzanp yon boul kim ak yon boul metal ki gen menm dyamèt, soti nan wotè yon moun, nou ka panse ke vitès tonbe yo egal. À condition de ne pas comparer la chute d'une bille et celle d'une feuille d'automne... Men, lè sezon otòn la pi gwo, diferans ki santi yo parèt, akòz friksyon lè. Galileo anvan tout bagay nou konnen ke li posib pou fè sa.

 Istwa 

 Antikite 
Filozòf grèk la Achimèd te dekouvri sant gravite yon triyang. Li te postule tou ke si de pwa egal pa t gen menm sant gravite a, sant gravite de pwa konbine yo ta nan mitan liy ki rejwenn sant gravite respektif yo.

Achitèk ak enjenyè Women Vitruvius te postule nan travay De Architectura ke gravite yon objè pa depann de pwa li, men pito de nati li. .

Nan Ansyen peyi Zend, Aryabhata te idantifye fòs pou eksplike poukisa objè yo pa jete deyò lè Latè vire. Brahmagupta te dekri gravite kòm yon fòs atraksyon e li te itilize tèm "Gurutvaakarshan" pou dekri dènye sa a .

 Galileo modèl 

Pa yon eksperyans mitik, ki te fèt soti nan tèt Tower Pisa, syantis Italyen an Galileo (1564-1642) ta te obsève ke lou ak nan pwa diferan yo gen menm tan an nan sezon otòn, men, lè li eksplike nan Dyalòg sou de gwo sistèm nan mond lan poukisa sa a se konsa nan vakyòm, li jistifye pa eksperyans panse: an patikilye lè w imajine de wòch ki gen menm pwa ak fòm, ki tonbe ansanm epi ki konekte oswa pa yon lyen, konsa fòme de kò separe ki gen menm pwa oswa youn ki gen doub pwa, men ki gen nan tout ka menm vitès tonbeAlexandre Koyré, etid istwa a nan panse syantifik, edisyon Gallimard, 1986 (), : atik "The de motu gravium of Galileo", ki soti nan journal istwa syans ak aplikasyon yo pami edisyon PUF, 1960, p197-245..

Anviwon 1604, Galileo te itilize yon obsèvasyon: yon objè nan tonbe lib gen yon vitès inisyal zewo, men lè li rive nan tè a, vitès li... se pa zewo. Se konsa, vitès la varye pandan sezon otòn la. Galileo te pwopoze yon lwa senp: vitès la ta varye kontinyèlman soti nan 0, ak pwopòsyonèl a tan ki pase depi kòmansman sezon otòn la.

Kidonk: .

Li te konkli, apre yon kalkil  te etabli plis pase de syèk anvan, ke, pandan yon sezon otòn, distans vwayaje a se pwopòsyonèl ak kare tan ki pase a.

Plis presizeman:  (avèk konstan menm jan ak pi wo a).

Lide li konfime nan yon eksperyans, ak ekipman konstwi pa men l ': yon goutyè enkline ansanm ki klòch yo mete yo endike pasaj la nan boul la.

Y ap note konstan an  (akselerasyon gravite) epi valè li detèmine eksperimantal (apeprè ). Gravite varye an patikilye selon kote sou Latè. Dapre konvansyon, valè nòmal li fikse nan .

 Modèl Isaac Newton (1643-1727) 

Matematisyen otan ke fizisyen ak alchimis, Isaac Newton devlope, ant 1665 ak 1685, teyori mekanik li ki baze sou etid akselerasyon an, epi non sèlman vitès. kòm Galileo ak René Descartes.

Newton te chache inifye lwa yo konnen pou objè sou Latè ak lwa yo obsève pou zetwal yo, sitou gravitasyon tèrès ak mouvman planèt yo, nan konsidere ak trete gravitasyon kòm yon fòs.

Lè nou konsidere de kò pwen ki egzèse yon fòs gravitasyonèl youn sou lòt, yon jistifikasyon nan lwa Newton a se jan sa a:
 apati lwa Kepler yo, ke li te jwenn nan obsève mouvman planèt yo nan sistèm solè a, ak nan Christiaan Huygens lwa sou fòs santrifij, Newton te konkli ke fòs la aji. ant de kò yo egzèse nan yon liy dwat ant de kò yo epi li pwopòsyonèl ak 1/d, kote d se distans ant de kò yo;
 Lè nou konsidere ke fòs sa a pwopòsyonèl ak kantite matyè ki prezan nan kò a k ap egzèse fòs sa a (yon kò ki gen de fwa plis matyè egzèse yon fòs ki egal a sòm fòs de kò yo, kidonk li egzèse yon fòs de fwa plis). li sipoze fòs la pwopòsyonèl ak m, yon nonb yo rele "mas gravite", pwopòsyonèl ak kantite matyè nan kò A a epi ki reflete kapasite li pou egzèse fòs sa a (" chaj » gravitasyonèl an reyalite), san dout depann sou nati li (plon, ajil oswa gaz...);
 gras ak prensip aksyon resipwòk, fòs lòt kò a egzèse sou premye a dwe egal (e nan direksyon opoze) epi li dwe pwopòsyonèl tou ak m , mas gravite dezyèm kò B la;
 pa gen okenn lòt paramèt sanble yo pran an konsiderasyon, fòs sa a nan kò A sou kò B yo eksprime nan fòm sa a:  kote  se yon konstan, ki rele konstan gravitasyonèl ki apeprè egal a .

Lè nou ekri prensip fondamantal dinamik pou kò A nan mas inert , nou jwenn . Nou wè pou akselerasyon  (ak donk vitès) yon kò ki tonbe lib sou tè a endepandan de mas inèrsyèl li  (jan sa te fè eksperyans Galileo), li nesesè ke  pou kò sa a, sa vle di ke "mas gravite a" egal ak mas inèrsyèl la, endepandamman de nati kò a (an reyalite pwopòsyonalite ant mas sa yo). se ase, ak menm koyefisyan pou tout materyèl, Lè sa a, nou ka fè yo egal ak yon chwa nan inite mezi). Newton teste egalite sa a pou anpil materyèl, e depi lè sa a eksperyans yo pa janm sispann, ak plis ak plis rafineman (Eötvös balans). Depi lè sa a, yo rele egalite sa a prensip ekivalans fèb.

Aksyon nan yon distans (san kontak, atravè yon vakyòm) ak pwopagasyon enstantane nan fòs la gravitasyon tou eksite dout, ki gen ladan soti nan Newton.


Nan ekriti vektè modèn, fòs gravitasyonèl ekri:

  se fòs gravitasyonèl kò 1 egzèse sou kò 2 (an [[newton (inite)|newton] ] oswa );
 , konstan gravitasyonèl la, ki vo  (oswa {{nb|m3 kg-1 s-2 } })Ensètitid relatif sou konstan sa a se sepandan wo anpil konpare ak lòt konstan fondamantal: 1 pou , sa vle di yon ensètitid absoli ± .  CODATA 2006 sou sitwèb NIST la. ;
  ak , mas de kò yo prezan (an kilograms);
 , distans ant de kò yo (an mèt);
  inite vektè ki dirije soti nan kò 1 a nan kò 2;
 siy la - endike kò 2 a atire kò 1.

Lwa Newtonyen gravitasyon ede eksplike orijin lwa Galileo a: lè nou note r reyon tè a ak m mas Latè a, nou jwenn   oswa apeprè .

Teyori Newtonyen byen verifye eksperimantal. Soti nan yon pwen de vi teknik, li ase pou vole objè ki pi lou pase lè a epi voye moun sou Lalin nan. Fòs gravite se rezilta fòs gravite ak fòs aksifij (fòs santrifujeur ki lye ak wotasyon tè a sou tèt li, nan lwa 'inèsi mouvman an. ).

 Reformulasyon teyori Newton an 
Joseph-Louis Lagrange te reekri, apati 1762, teyori gravitasyon an ak tout fizik la nan entwodwi prensip pi piti aksyon ki te fòmile pa Pierre Louis Maupertuis  alantou 1744.

William Rowan Hamilton, alantou 1830, ranplase prensip pi piti aksyon an ak nosyon enèji, ki se yon konstan pou nenpòt sistèm izole (sa vle di: san entèraksyon ak deyò a. ) epi ki pral gen pi gwo enpòtans pou fizik relativistik ak nan mekanik pwopòtik, nan .

Lide yon jaden fòs, Michael Faraday te entwodui, te pèmèt sèlman yon reekri teyori gravitasyon Newtonyen an, men nosyon sa a pral bay rezilta. lè li rive ansent gravitasyon relativis. Jaden oswa fòs jaden gravitasyon se yon pwopriyete espas akòz mas yon kò. Yon lòt mas k ap antre an kontak ak  jaden sa a se sijè a yon enfliyans, yon fòs, akòz jaden an. Kidonk, enfliyans gravitasyonèl la pa, nan kad sa a, kreye ak transpòte enstantane soti nan yon kò nan yon lòt, men li deja prezan nan tout espas la nan fòm "jaden an" epi nan kontak li yon kò wè dinamik modifye. Sepandan, jaden an tèt li imedyatman modifye pa kò a ki kreye li.

Si M se mas kò pwen ki emèt jaden an, epi si r se distans ant kò sa a ak pwen nan espas nou konsidere a, jaden an nan pwen sa a eksprime pa  “potansyèl gravitasyonèl” .

Yon kò pwen mas m ki an kontak ak chan sa a, fòs li fè eksperyans se , kote  se vektè inite menm direksyon an epi ki gen menm siyifikasyon ak  ki soti nan M rive nan m.

 Modèl Albert Einstein (1879-1955) 

Apre yo fin deklare teyori relativite espesyal an 1905, Albert Einstein te chèche fè li konpatib ak gravitasyon, efè li sipoze pwopaje a yon vitès enfini nan teyori Newton an, lè sa a vitès la. nan limyè se vitès maksimòm pou nenpòt ki entèraksyon dapre relativite espesyal.

Anviwon 1915, nou pwopoze ipotèz gravitasyon an pa yon fòs nan sans klasik, ke nou bay mo sa a nan fizik, men yon manifestasyon deformation espas-tan anba efè enèji a.  nan matyè yo te jwenn la. Ipotèz sa a soti nan obsèvasyon ke tout kò tonbe menm jan an nan yon jaden gravitasyonèl, kèlkeswa mas yo oswa konpozisyon chimik yo. Obsèvasyon sa a, a priori fortuit nan teyori Newtonian, men konsiderableman verifye eksperimantal, ofisyèlman anba non an nan prensip ekivalans e natirèlman mennen nan konsidere ke gravitasyon se yon manifestasyon nan jeyometri nan  nan. espas-tan. Lè sa a, tèm tradisyonèl fòs la ranplase pa tèm ki pi jenerik nan entèraksyon.

Teyori konsa konstwi a, ki pote non relativite jeneral, enkòpore prensip relativite, epi teyori Newtonyen an se yon apwoksimasyon nan limit jaden gravitasyonèl fèb ak vitès piti konpare ak limyè a. Vreman vre, deformasyon yo nan espas-tan espere anba efè a nan kò masiv, lè yo gen yon akselerasyon fò, pa pwopaje pi vit pase vitès la nan limyè, ki rezoud paradoks la nan enstantane aparan nan entèraksyon Newtonian. Sa lakòz ong gravitasyonèl, premye detekte nan .

 Domèn 
 Gravitasyon ak astwonomi 

gravitasyon Newtonyen ase pou dekri majorite fenomèn yo obsève sou echèl zetwals. Li ase, pa egzanp, pou dekri evolisyon planèt yo nan Sistèm Solè a, ak kèk detay tankou avanse perihelion Mèki a.  ak efè Shapiro.

Men, relativite jeneral nesesè pou modèl sèten objè ak fenomèn astwonomik patikilye: zetwal netwon, miraj gravitasyonèl, objè ki trè konpak tankou twou nwa. 

 Gravitasyon ak kosmoloji 

Gravitasyon se fòs dominan sou echèl distans astwonomik yo, teyori Newtonyen ak Einsteinyen yo te konfwonte depi kreyasyon respektif yo ak obsèvasyon estrikti gwo echèl linivè a. Si sou echèl zetwal ak galaksi yo, gravitasyon Newtonyen ase, nan anpil sitiyasyon, teyori Newtonyen an difikilte. Pa egzanp, li pa kapab ofri yon deskripsyon koyeran nan yon linivè omojèn enfini pandan ke relativite jeneral pafètman kapab dekri yon sitiyasyon konsa.

Sepandan, relativite jeneral pou kont li pa ase pou dekri gwo echèl linivè a. Li nesesè pou ajoute ipotèz sou distribisyon espasyal matyè a. Obsèvasyon yo endike ke sou yon gwo echèl, linivè a se konsiderableman omojèn (nan yon echèl ki pi piti, matyè a se nan kou distribye ki pa inifòm: espas ki genyen ant zetwal nan menm galaksi a se esansyèlman vid, menm jan ak espas ki genyen ant galaksi). Okòmansman, Einstein te sipoze reyalite obsèvasyon sa a, ki te ba li non prensip kosmolojik. Dapre ipotèz sa a, relativite jeneral pèmèt, byen fasil, yon modèl aderan nan Linivè. Sepandan, gen, anplis de matyè vizib ki konstitye zetwal yo, ak gaz galaksi yo, yon matyè nwa ki gen pwopriyete ak distribisyon yo toujou trè mal konnen.

Dinamik Linivè a pral depann de pwopriyete matyè ki konpoze li a, sitou sou [[ekwasyon eta a] li a. Nou ka montre ke, eksepte nan ka espesyal, Linivè pa ka estatik: li se swa nan kontraksyon oswa nan global ekspansyon. Nan nenpòt ka, yon estrikti jeneral inifòm nan Linivè ta enstab: pati ki pi dans yo, menm trè fèb, ta fini tonbe anba pwa pwòp yo, atire matyè ki soti nan pati yo mwens dans, epi kite yo totalman vid. (Sepandan, sou echèl mwayen, Linivè gen yon "estrikti eponj" epi gen gwo bul ki pa gen okenn matyè vizib).

Malgre ke teyori "Ekspansyon" la pran ti kras konsiderasyon nan anpil entèraksyon ki egziste ant matyè ak radyasyon elektwomayetik (otreman, pou egzanp, sèlman rada ta egziste; nou pa ta gen yon fou mikwo ond), obsèvasyon yo jeneralman konfime prediksyon sa a. piske nou obsève yon aparan resesyon nan galaksi yo, ak yo deplase lwen nou pi vit plis yo pi lwen. Edwin Hubble te dekouvri chanjman espektral limyè byen lwen yo nan fen ane 1920. Apre sa, etidyan li a, Allan Sandage te prezante konsèp Ekspansyon an, apre travay Lemaître ak Gamow. Li endike ke linivè a jan nou konnen li soti nan yon faz ekstraòdinè dans ak cho: Big Bang la. Plizyè obsèvasyon quantitative konfime istwa Big Bang la, kòmanse nan premye minit li. Yo pa konnen sò linivè a avèk sètitid, paske konpòtman matyè a alontèm pa sèten. Yon akselerasyon ekspansyon linivè a, akòz yon fòs repouse nan distans trè long, yo te obsève, prevwa kòm yon posibilite nan Relativite Jeneral. Sa a sanble se yon siy pwobab ke ekspansyon an pral dire endefiniman, san yo pa bay monte nan yon faz retraksyon (Big Crunch), oswa ke ekspansyon sa a se sèlman yon aparans, trè pratik pou konte pou anpil obsèvasyon. .

 Gravitasyon ak fizik pwopòsyon 

Relativite jeneral genyen te fèt sou ipotèz kontinwite espas-tan (e menm diferansibilite) ak ipotèz kontinwite matyè (pami lòt moun pou konstwi enèji-momantòm). tensè dansite). Dezyèm ipotèz sa a se klèman yon apwoksimasyon konsènan fizik pwopòsyon.

Fizik kwantik se eksplorasyon enfiniman piti, eksperimantasyon gravitasyon an nan kad sa a rankontre yon gwo pwoblèm: twa lòt fòs ki ap dirije la yo gen omwen 10 fwa pi fò, alòske li deja difisil pou fè eksperyans. sou yo; kòm yon rezilta, efè gravitasyon yo pèdi nan inexactitudes inevitab nan mezi yo.

Difikilte eksperimantal sa a pa te anpeche tantativ teyorik pou konstwi gravite pwopòsyon, san rezilta ki kapab verifikasyon eksperimantal jiska dat.

Sepandan, nou ka sonje ke:
 Ajoute potansyèl gravitasyonèl nan ekwasyon Schrödinger pèmèt nou jwenn yon rezilta li te ye: patikil yo tonbe;
 Itilizasyon chemen entegral nan Feynman te fè li posib pou predi yon chanjman faz nan fonksyon vag la akòz gravitasyon (Galileyen); de efè sa yo koresponn ak yon apwoksimasyon semi-klasik nan mekanik pwopòsyon;
 Ekwasyon ong gravitasyonèl ka entèprete kòm sa ki nan pwopagasyon yon patikil ki rele graviton, konsidere kòm responsab gravitasyon, apati nou ka dedwi sèten pwopriyete (an patikilye mas li , zewo). , ak spin li yo, ), san yo pa poko te kapab verifye eksperimantal malgre tantativ yo de pli zan pli sofistike.

Egzanp teyori pwopòsyon gravitasyon: Teori M, supergravite, jeometri ki pa konmutatif, gravite pwopòsyon bouk.

 Nòt ak referans 

 Nòt 

 Referans 

 Gade tou 

 Bibliyografi 
 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, .
 . On y trouve, entre autres, l'article Champ rédigé par Françoise Balibar, ainsi que l'article Gravitation rédigé par John Stachel.

 Georges-Antoine Chaduteau, La Gravitation, attraction ou répulsion ?'', Éditions Rencontres université, 2017, 9782873070670.

 Lyen deyò 

 "Gravitation : plus dure sera la chute ?", émission "La méthode scientifique", France Culture, le 31 janvier 2019

*
Kategori: Relativite jeneral
Kategori:Teyori syantifik
Kategori:Fizik teyorik
Kategori:Pou reli