Gravitation - Glossaire
Concept principal
Gravitation
La gravitation est une force fondamentale de la nature qui provoque l'attraction mutuelle entre tous les objets possédant une masse. Formulée pour la première fois par Isaac Newton, la loi de la gravitation universelle énonce que chaque particule de matière attire toute autre particule avec une force proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. La constante gravitationnelle (G) est un facteur de proportionnalité dans cette équation. Plus tard, Albert Einstein a élargi notre compréhension de la gravitation avec la théorie de la relativité générale, décrivant la gravitation non pas comme une force traditionnelle, mais comme une courbure de l'espace-temps causée par la présence de masse et d'énergie. Cette courbure dicte la trajectoire que suivent les objets dans l'espace-temps, ce qui explique les mouvements planétaires, les marées, et les phénomènes extrêmes comme les trous noirs.
Concepts fondamentaux
Force
La force est une interaction qui, lorsqu'elle est appliquée à un objet, modifie son état de mouvement. En physique classique, elle est définie par la deuxième loi de Newton comme étant égale à la masse de l'objet multipliée par son accélération (F = ma). La gravitation est une force attractive spécifique entre masses.
Masse
La masse est une propriété fondamentale de la matière qui mesure la quantité de matière dans un objet. Elle est également la source de la gravité, car plus un objet a de masse, plus il exerce une force gravitationnelle forte. La masse est généralement mesurée en kilogrammes (kg).
Distance
La distance entre deux objets affecte la force gravitationnelle entre eux, selon la loi de Newton. Plus la distance entre les objets est grande, plus la force d'attraction gravitationnelle est faible, et cette force diminue proportionnellement au carré de la distance.
Loi de Newton
La loi de la gravitation universelle de Newton stipule que chaque particule de matière dans l'univers attire chaque autre particule avec une force qui est proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance entre elles. Cette loi est fondamentale pour comprendre les mouvements des corps célestes et les interactions gravitationnelles.
Relativité générale
La théorie de la relativité générale, proposée par Albert Einstein, décrit la gravitation comme une courbure de l'espace-temps provoquée par la présence de masse et d'énergie. Les objets en mouvement suivent des trajectoires appelées géodésiques dans cet espace-temps courbé, ce qui donne l'illusion d'une force d'attraction.
Espace-temps
L'espace-temps est un concept unifié de l'espace et du temps en une seule structure à quatre dimensions. Dans la relativité générale, la présence de masse et d'énergie courbe l'espace-temps, et cette courbure affecte le mouvement des objets.
Courbure de l'espace-temps
La courbure de l'espace-temps est la manière dont la présence de masse et d'énergie déforme la structure de l'espace-temps. Cette courbure est responsable des trajectoires courbées que suivent les objets en mouvement, comme les planètes autour du Soleil.
Constante gravitationnelle
La constante gravitationnelle (G) est une constante physique fondamentale qui apparaît dans la loi de la gravitation universelle de Newton. Elle a une valeur approximative de 6.674 × 10^-11 N(m/kg)^2 et détermine l'intensité de la force gravitationnelle entre deux masses.
Géodésique
Une géodésique est le chemin le plus court entre deux points dans un espace courbé. Dans le contexte de la relativité générale, les objets en mouvement suivent des géodésiques dans l'espace-temps courbé par la gravité.
Trous noirs
Les trous noirs sont des régions de l'espace-temps où la gravité est si forte que rien, pas même la lumière, ne peut s'en échapper. Ils résultent de la contraction gravitationnelle d'une masse énorme et sont décrits par la relativité générale.
Système solaire
Le système solaire est le système planétaire comprenant le Soleil et les objets qui orbitent autour de lui, y compris les planètes, leurs lunes, les astéroïdes, les comètes et les objets de la ceinture de Kuiper. La gravitation du Soleil maintient ces objets en orbite.
Gravité terrestre
La gravité terrestre est la force d'attraction que la Terre exerce sur les objets à sa surface. Elle est responsable de la chute des objets et de leur poids. La gravité terrestre est approximativement de 9,8 m/s².
Effet Doppler gravitationnel
L'effet Doppler gravitationnel est le changement de fréquence de la lumière ou des ondes électromagnétiques lorsque la source ou l'observateur se déplace dans un champ gravitationnel. Il peut être utilisé pour mesurer les vitesses des objets célestes.
Redshift gravitationnel
Le redshift gravitationnel est le phénomène par lequel la lumière émise par un objet dans un champ gravitationnel fort est décalée vers le rouge lorsqu'elle s'éloigne de ce champ. C'est une prédiction de la relativité générale et une preuve de la courbure de l'espace-temps.
Expansion de l'univers
L'expansion de l'univers est l'augmentation de la distance entre les galaxies au fil du temps, suggérant que l'univers était plus compact dans le passé. Ce concept est fondamental pour la cosmologie et est influencé par la gravitation ainsi que par l'énergie noire.
Effet Lense-Thirring
L'effet Lense-Thirring, ou précession de frame-dragging, est une conséquence de la relativité générale où un corps massif en rotation entraîne l'espace-temps autour de lui. Cet effet a été confirmé par des satellites comme Gravity Probe B.
Principe de Mach
Le principe de Mach suggère que les propriétés locales de l'espace sont influencées par la distribution de masse de l'univers. Ce concept a inspiré Einstein dans le développement de la relativité générale.
Anomalie Pioneer
L'anomalie Pioneer fait référence à un décalage inexpliqué dans les trajectoires des sondes spatiales Pioneer 10 et 11. Les causes possibles incluent des effets gravitationnels ou non gravitationnels, mais elle illustre la complexité des calculs gravitationnels dans le système solaire.
Théorème de Birkhoff
Le théorème de Birkhoff stipule que toute solution sphériquement symétrique des équations d'Einstein dans le vide est statique et décrit par la métrique de Schwarzschild. Cela signifie que l'intérieur gravitationnel d'une sphère creuse est plat.
Paradoxe d'Olbers
Le paradoxe d'Olbers pose la question de pourquoi le ciel nocturne est sombre si l'univers est infini et uniformément rempli d'étoiles. La solution implique l'expansion de l'univers, la vitesse finie de la lumière, et la gravité jouant un rôle dans la distribution des étoiles.
Potentiel gravitationnel
Le potentiel gravitationnel est une mesure de l'énergie potentielle par unité de masse en un point donné dans un champ gravitationnel. Il aide à comprendre les mouvements des objets sous l'influence de la gravitation et est essentiel dans les calculs de la mécanique céleste.
Concepts complémentaires
Champ gravitationnel
Le champ gravitationnel est la région de l'espace autour d'un objet massif dans laquelle une force gravitationnelle peut être détectée. Il est représenté par des lignes de champ indiquant la direction et l'intensité de la force d'attraction gravitationnelle.
Ondes gravitationnelles
Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l'espace-temps provoquées par des événements astrophysiques violents, comme la collision de trous noirs ou d'étoiles à neutrons. Prédites par la relativité générale, elles ont été directement détectées pour la première fois en 2015.
Effet de lentille gravitationnelle
L'effet de lentille gravitationnelle se produit lorsque la lumière d'un objet distant est courbée par la gravité d'un objet massif situé entre la source lumineuse et l'observateur. Cela peut magnifier et déformer l'image de l'objet lointain.
Dilatation du temps
La dilatation du temps est un phénomène prédit par la relativité générale et la relativité restreinte, selon lequel le temps passe plus lentement dans un champ gravitationnel intense ou à des vitesses proches de celle de la lumière, par rapport à un observateur en dehors de ces conditions.
Principe d'équivalence
Le principe d'équivalence est un concept clé de la relativité générale affirmant qu'il est impossible de distinguer, par des expériences locales, entre un champ gravitationnel uniforme et une accélération uniforme. Il établit l'équivalence entre la masse gravitationnelle et la masse inertielle.
Énergie noire
L'énergie noire est une forme d'énergie hypothétique qui remplit l'espace et accélère l'expansion de l'univers. Bien qu'elle ne soit pas directement liée à la gravitation, son effet oppose la force gravitationnelle à grande échelle cosmologique.
Matière noire
La matière noire est une forme hypothétique de matière qui n'émet ni n'absorbe de lumière, rendant sa détection directe difficile. Elle interagit avec la matière normale via la gravité et explique les anomalies observées dans les rotations des galaxies et les structures à grande échelle de l'univers.
Effet de marée
L'effet de marée est le phénomène par lequel la force gravitationnelle d'un objet provoque des déformations dans un autre objet. Sur Terre, l'effet de marée de la Lune et du Soleil cause les marées océaniques.
Singularité
Une singularité est un point dans l'espace-temps où les densités deviennent infinies, comme au centre d'un trou noir. Les lois de la physique classique cessent d'être applicables, et les effets quantiques deviennent significatifs.
Vitesse de libération
La vitesse de libération est la vitesse minimale qu'un objet doit atteindre pour échapper à l'attraction gravitationnelle d'un corps céleste. Pour la Terre, cette vitesse est d'environ 11.2 km/s.
