L'orbite de Mercure oscille lentement autour du soleil, et une fois que les astronomes soustrayent la traction de tous les autres planètes du système solaire, les propres équations de Newton restent toujours à la traîne de l'oscillation observée de 43 arcsecondes par siècle. Cela semble une erreur d'arrondi. C'est en fait la fissure qui a finalement forcé les physiciens à récrire la gravité de zéro.
La gravité maintient les lunes en orbite, maintient les rivières qui coulent vers le bas et fixe chaque lecteur dans sa chaise, mais il a fallu plus de mille ans de conjectures, une équation newtonienne et une rêverie d'un commis brevets à Berne pour obtenir une description fonctionnelle de celle-ci. Même alors, la gravité s'est avérée être suffisamment étrange que son attraction entre deux électrons n'est que de 1 partie sur 4,17×10⁴² de la répulsion électrique entre eux — une force si faible à l'échelle atomique que sa domination sur les planètes et les galaxies peut sembler une contradiction.
Voici ce que le dossier montre réellement : qui a deviné la gravité des siècles avant Newton, comment sa loi a été testée et où elle s'est brisée, et ce qui l'a remplacée.
La Longue Préhistoire de la Gravité
L'idée que les choses tombent vers la Terre est ancienne, mais l'idée que la gravité pourrait fonctionner de la même manière partout est beaucoup plus ancienne que Newton. Le mathématicien et astronome indien Brahmagupta, écrivant en 628 de notre ère, décrivait la gravité comme une atraction qui tire les objets vers la Terre — il l'appelait gurutvakarshan, un terme qui précède de plus de mille ans le Principia de Newton.
Bien avant que quiconque ne puisse mesurer la gravité avec précision, quelqu'un devait montrer que son attraction ne dépend pas du poids d'un objet. En 1586, le physicien flamand Simon Stevin a lâché deux boulets de canon de tailles et de poids très différents d'une tour à Delft et a constaté qu'ils ont frappé le sol presque au même moment, une démonstration directement observée que le poids seul ne décide pas à quelle vitesse quelque chose tombe.
L'Équation de Newton, Testée dans un Sous-sol
Isaac Newton a intégré des observations comme celle de Stevin dans une seule loi dans Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, le livre qu'il a publié le 5 juillet 1687. Il a réduit la gravité à une formule bien rangée, F = Gm1m2/r², où G est une constante fixée à 6,674×10⁻¹¹ — un nombre si petit que son effet entre deux objets ordinaires est presque impossible à sentir.
Newton n'a jamais mesuré G lui-même. Il a fallu plus d'un siècle pour que Henry Cavendish, un scientifique britannique, mène le premier test en laboratoire de la loi de gravitation de Newton : en 1798, il a pesé des sphères de plomb l'une contre l'autre pour montrer que la même force qui attire ensemble les planètes agit aussi entre les objets sur une table.
D'une Planète Prédite à une Oscillation Inexpliquée
La loi de Newton était assez précise pour faire quelque chose de remarquable : trouver une planète que personne n'avait jamais vue. En 1846, John Couch Adams et Urbain Le Verrier, travaillant indépendamment comme astronomes, ont calculé où un corps invisible devait tirer sur l'orbite d'une planète voisine, et un télescope pointé vers ce coin du ciel a trouvé Neptune presque en un jour.
Mais la même loi a produit une petite discordance persistante beaucoup plus près de chez nous. Une fois que la traction gravitationnelle de tous les autres planètes est soustraite de l'orbite de Mercure, les équations de Newton manquent toujours l'oscillation observée de 43 arcsecondes par siècle — trop petit pour avoir de l'importance pour la plupart des objectifs, mais trop grand pour que les physiciens ne haussent les épaules.
La Nouvelle Vision de la Chute d'Einstein
La solution est finalement venue d'un commis brevets à Berne. En 1905, Albert Einstein a publié l'article qui a introduit la relativité restreinte, bouleversant la façon dont les physiciens pensaient l'espace et le temps.
Deux ans plus tard, il eut ce qu'il appellerait plus tard la réalisation la plus heureuse de sa vie : quelqu'un en chute libre se sent en apesanteur, comme si la gravité s'était simplement éteinte pour lui. Élaborer cette idée à travers les mathématiques a pris encore huit ans, et Einstein n'a publié sa théorie générale achevée de la relativité qu'en 1915.
La nouvelle théorie s'est méritée sa place presque immédiatement. Ses prédictions correspondaient au curieux balancement orbital de Mercure, et elles expliquaient aussi pourquoi la lumière des étoiles se courbe en passant près du soleil — comblant l'écart exact que les équations de Newton ne pourraient jamais tenir compte de.
Écouter les Ondulations de l'Espace-temps
La relativité générale a également prédit que les objets massifs et accélérés devraient secouer l'espace-temps lui-même, émettant des ondes gravitationnelles. La première preuve en est venue indirectement : les astronomes Hulse et Taylor ont suivi le pulsar binaire PSR1913+16, qu'ils avaient trouvé en 1974, et ont observé son orbite rétrécir exactement à la vitesse que l'émission d'ondes gravitationnelles prédrait. La découverte leur a valu le Prix Nobel de Physique de 1993.
La preuve directe a attendu une autre génération. Les collaborations LIGO et Virgo ont annoncé le 11 février 2016 qu'elles avaient détecté une véritable onde gravitationnelle : un signal appelé GW150914 qui est arrivé le 14 septembre 2015 à 09:50:45 GMT précisément. Il avait été produit par deux trous noirs, pesant respectivement 29 et 36 fois la masse du soleil, spiralant ensemble et fusionnant à environ 1,3 milliard d'années-lumière de la Terre.
La Gravité Dépend de Votre Position
Même sans quitter la planète, la gravité n'est pas un nombre fixe. L'attraction terrestre varie d'environ 0,7 pour cent sur sa surface, d'un minimum de 9,7639 m/s² au sommet du Nevado Huascarán au Pérou, jusqu'à un maximum de 9,8337 m/s² à la surface de l'océan Arctique.
Ces bosses et creux sont clairement visibles sur les cartes de gravité satellites, créditées aux missions CHAMP et GRACE ainsi qu'aux agences GFZ, NASA et DLR, qui révèlent pourquoi certaines portions de la Terre tirent un peu plus fort que d'autres. La carte a circulé largement après avoir été produite en 2005, et une version encore plus sensible a suivi en 2011 à mesure que les instruments s'amélioraient.