Depuis l'Antiquité, l'humanité a réfléchi au fonctionnement du monde qui nous entoure. Pourquoi l'herbe pousse-t-elle, pourquoi le soleil brille-t-il, pourquoi ne pouvons-nous pas voler... Ce dernier, soit dit en passant, a toujours été d'un intérêt particulier pour les gens. Maintenant, nous savons que la raison de tout est la gravité. Qu'est-ce que c'est, et pourquoi ce phénomène est-il si important aujourd'hui, nous allons le considérer.
Introduction
Les scientifiques ont découvert que tous les corps massifs éprouvent une attirance mutuelle les uns pour les autres. Par la suite, il s'est avéré que cette force mystérieuse détermine également le mouvement des corps célestes dans leurs orbites constantes. La même théorie de la gravité a été formulée par un génie dont les hypothèses ont prédéterminé le développement de la physique pour de nombreux siècles à venir. Développé et poursuivi (bien que dans une direction complètement différente) cet enseignement était Albert Einstein - l'un des plus grands esprits du siècle dernier.
Pendant des siècles, les scientifiques ont observé la gravité, essayant de la comprendre et de la mesurer. Enfin, au cours des dernières décennies, même un phénomène tel que la gravité a été mis au service de l'humanité (dans un certain sens, bien sûr). De quoi s'agit-il, quelle est la définition du terme en question dans la science moderne ?
définition scientifique
Si vous étudiez les œuvres d'anciens penseurs, vous découvrirez que le mot latin "gravitas" signifie "gravité", "attraction". Aujourd'hui, les scientifiques appellent ainsi l'interaction universelle et constante entre les corps matériels. Si cette force est relativement faible et n'agit que sur des objets qui se déplacent beaucoup plus lentement, alors la théorie de Newton leur est applicable. Si le contraire est le cas, les conclusions d'Einstein doivent être utilisées.
Faisons tout de suite une réserve : à l'heure actuelle, la nature même de la gravité elle-même n'a pas été complètement étudiée en principe. De quoi s'agit-il, nous ne le comprenons toujours pas entièrement.
Théories de Newton et Einstein
Selon l'enseignement classique d'Isaac Newton, tous les corps sont attirés les uns vers les autres avec une force directement proportionnelle à leur masse, inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Einstein, d'autre part, a soutenu que la gravité entre les objets se manifeste dans le cas de la courbure de l'espace et du temps (et la courbure de l'espace n'est possible que s'il contient de la matière).
Cette idée était très profonde, mais la recherche moderne prouve qu'elle est quelque peu inexacte. Aujourd'hui, on pense que la gravité dans l'espace ne fait que plier l'espace : le temps peut être ralenti et même arrêté, mais la réalité du changement de forme de la matière temporaire n'a pas été théoriquement confirmée. Par conséquent, l'équation classique d'Einstein ne prévoit même pas la possibilité que l'espace continue d'influencer la matière et le champ magnétique émergent.
Dans une plus large mesure, la loi de la gravité (gravitation universelle) est connue, dont l'expression mathématique appartient précisément à Newton :
\[ F = γ \frac[-1.2](m_1 m_2)(r^2) \]
Sous γ, on entend la constante gravitationnelle (parfois le symbole G est utilisé), dont la valeur est de 6,67545 × 10−11 m³ / (kg s²).
Interaction entre particules élémentaires
L'incroyable complexité de l'espace qui nous entoure est en grande partie due au nombre infini de particules élémentaires. Il existe également diverses interactions entre eux à des niveaux que nous ne pouvons que deviner. Cependant, tous les types d'interaction de particules élémentaires entre elles diffèrent considérablement par leur force. 
La plus puissante de toutes les forces que nous connaissons lie les composants du noyau atomique. Pour les séparer, il faut dépenser une énergie vraiment colossale. Quant aux électrons, ils ne sont "attachés" au noyau que par une interaction électromagnétique ordinaire. Pour l'arrêter, parfois l'énergie qui apparaît à la suite de la réaction chimique la plus ordinaire suffit. La gravité (ce qu'elle est, vous le savez déjà) dans la variante des atomes et des particules subatomiques est le type d'interaction le plus simple.
Le champ gravitationnel dans ce cas est si faible qu'il est difficile à imaginer. Curieusement, mais ce sont eux qui « suivent » le mouvement des corps célestes, dont la masse est parfois impossible à imaginer. Tout cela est possible grâce à deux caractéristiques de la gravité, qui sont particulièrement prononcées dans le cas de grands corps physiques :
- Contrairement aux forces atomiques, l'attraction gravitationnelle est d'autant plus perceptible que l'on s'éloigne de l'objet. Ainsi, la gravité terrestre maintient même la Lune dans son champ, et la force similaire de Jupiter supporte facilement les orbites de plusieurs satellites à la fois, dont la masse de chacun est tout à fait comparable à celle de la Terre !
- De plus, il fournit toujours une attraction entre les objets et, avec la distance, cette force s'affaiblit à faible vitesse.
La formation d'une théorie plus ou moins cohérente de la gravitation s'est produite relativement récemment, et précisément sur la base des résultats d'observations séculaires du mouvement des planètes et autres corps célestes. La tâche a été grandement facilitée par le fait qu'ils se déplacent tous dans le vide, où il n'y a tout simplement pas d'autres interactions possibles. Galileo et Kepler, deux astronomes exceptionnels de l'époque, ont contribué à ouvrir la voie à de nouvelles découvertes grâce à leurs observations les plus précieuses.
Mais seul le grand Isaac Newton a été capable de créer la première théorie de la gravité et de l'exprimer dans une représentation mathématique. Ce fut la première loi de la gravité, dont la représentation mathématique est présentée ci-dessus.
Conclusions de Newton et de certains de ses prédécesseurs
Contrairement à d'autres phénomènes physiques qui existent dans le monde qui nous entoure, la gravité se manifeste toujours et partout. Vous devez comprendre que le terme « apesanteur », que l'on trouve souvent dans les cercles pseudo-scientifiques, est extrêmement incorrect : même l'apesanteur dans l'espace ne signifie pas qu'une personne ou un vaisseau spatial n'est pas affecté par l'attraction d'un objet massif.
De plus, tous les corps matériels ont une certaine masse, exprimée sous la forme d'une force qui leur a été appliquée, et une accélération obtenue grâce à cet impact.
Ainsi, les forces gravitationnelles sont proportionnelles à la masse des objets. Numériquement, ils peuvent être exprimés en obtenant le produit des masses des deux corps considérés. Cette force obéit strictement à la dépendance inverse du carré de la distance entre les objets. Toutes les autres interactions dépendent tout à fait différemment des distances entre deux corps.
La masse comme pierre angulaire de la théorie
La masse des objets est devenue un point de discorde particulier autour duquel toute la théorie moderne de la gravité et de la relativité d'Einstein est construite. Si vous vous souvenez de la Seconde, vous savez probablement que la masse est une caractéristique obligatoire de tout corps matériel physique. Il montre comment un objet se comportera si une force lui est appliquée, quelle que soit son origine.
Puisque tous les corps (selon Newton) accélèrent lorsqu'une force extérieure agit sur eux, c'est la masse qui détermine l'ampleur de cette accélération. Prenons un exemple plus clair. Imaginez un scooter et un bus : si vous leur appliquez exactement la même force, ils atteindront des vitesses différentes à des moments différents. Tout cela est expliqué par la théorie de la gravité.
Quelle est la relation entre la masse et l'attraction ?
Si nous parlons de gravité, alors la masse dans ce phénomène joue un rôle complètement opposé à celui qu'elle joue par rapport à la force et à l'accélération d'un objet. C'est elle qui est la principale source d'attraction elle-même. Si vous prenez deux corps et voyez avec quelle force ils attirent un troisième objet, qui est situé à égale distance des deux premiers, alors le rapport de toutes les forces sera égal au rapport des masses des deux premiers objets. Ainsi, la force d'attraction est directement proportionnelle à la masse du corps. 
Si nous considérons la troisième loi de Newton, nous pouvons voir qu'il dit exactement la même chose. La force de gravité, qui agit sur deux corps situés à égale distance de la source d'attraction, dépend directement de la masse de ces objets. Dans la vie de tous les jours, on parle de la force avec laquelle un corps est attiré à la surface de la planète comme son poids.
Résumons quelques résultats. Ainsi, la masse est étroitement liée à la force et à l'accélération. En même temps, c'est elle qui détermine la force avec laquelle la gravité va agir sur le corps.
Caractéristiques de l'accélération des corps dans un champ gravitationnel
Cette étonnante dualité est la raison pour laquelle, dans le même champ gravitationnel, l'accélération d'objets complètement différents sera égale. Supposons que nous ayons deux corps. Attribuons une masse z à l'un d'eux et à l'autre Z. Les deux objets sont lâchés au sol, où ils tombent librement.
Comment est déterminé le rapport des forces d'attraction ? Il est illustré par la formule mathématique la plus simple - z / Z. C'est juste que l'accélération qu'ils reçoivent en raison de la force de gravité sera exactement la même. En termes simples, l'accélération d'un corps dans un champ gravitationnel ne dépend en aucune façon de ses propriétés.
De quoi dépend l'accélération dans le cas décrit ?
Il ne dépend que (!) de la masse d'objets qui créent ce champ, ainsi que de leur position spatiale. Le double rôle de la masse et l'égale accélération de divers corps dans un champ gravitationnel ont été découverts depuis relativement longtemps. Ces phénomènes ont reçu le nom suivant : "Principe d'équivalence". Ce terme souligne une fois de plus que l'accélération et l'inertie sont souvent équivalentes (dans une certaine mesure, bien sûr).
Sur l'importance de G
Du cours de physique de l'école, on retient que l'accélération de la chute libre à la surface de notre planète (la gravité terrestre) est de 10 m/s² (9,8 bien sûr, mais cette valeur est utilisée pour faciliter le calcul). Ainsi, si la résistance de l'air n'est pas prise en compte (à une hauteur importante avec une faible distance de chute), alors l'effet sera obtenu lorsque le corps acquiert un incrément d'accélération de 10 m/s. chaque seconde. Ainsi, un livre tombé du deuxième étage d'une maison se déplacera à une vitesse de 30-40 m/sec à la fin de son vol. En termes simples, 10 m/s est la "vitesse" de la gravité à l'intérieur de la Terre. 
L'accélération due à la gravité dans la littérature physique est désignée par la lettre "g". Puisque la forme de la Terre ressemble dans une certaine mesure plus à une mandarine qu'à une sphère, la valeur de cette grandeur est loin d'être la même dans toutes ses régions. Ainsi, aux pôles, l'accélération est plus élevée, et au sommet des hautes montagnes, elle devient moindre.
Même dans l'industrie minière, la gravité joue un rôle important. phénomènes peuvent parfois faire gagner beaucoup de temps. Ainsi, les géologues sont particulièrement intéressés par la détermination idéalement précise de g, car cela permet l'exploration et la découverte de gisements minéraux avec une précision exceptionnelle. Au fait, à quoi ressemble la formule de gravité, dans laquelle la valeur que nous avons considérée joue un rôle important ? Elle est là:
Noter! Dans ce cas, la formule gravitationnelle désigne par G la "constante gravitationnelle", dont nous avons déjà donné la valeur plus haut.
À un moment donné, Newton a formulé les principes ci-dessus. Il comprenait parfaitement à la fois l'unité et l'universalité, mais il ne pouvait pas décrire tous les aspects de ce phénomène. Cet honneur est revenu à Albert Einstein, qui a également su expliquer le principe d'équivalence. C'est à lui que l'humanité doit une compréhension moderne de la nature même du continuum espace-temps.
Théorie de la relativité, travaux d'Albert Einstein
À l'époque d'Isaac Newton, on croyait que les points de référence pouvaient être représentés comme une sorte de "tiges" rigides, à l'aide desquelles la position du corps dans le système de coordonnées spatiales était établie. Dans le même temps, on a supposé que tous les observateurs qui marquent ces coordonnées seraient dans un seul espace-temps. Au cours de ces années, cette disposition était considérée comme si évidente qu'aucune tentative n'a été faite pour la contester ou la compléter. Et cela est compréhensible, car sur notre planète, il n'y a aucun écart à cette règle.
Einstein a prouvé que la précision de la mesure serait vraiment significative si l'horloge hypothétique se déplaçait beaucoup plus lentement que la vitesse de la lumière. En termes simples, si un observateur, se déplaçant plus lentement que la vitesse de la lumière, suit deux événements, alors ils se produiront pour lui en même temps. En conséquence, pour le second observateur ? dont la vitesse est identique ou supérieure, les événements peuvent se produire à des moments différents.
Mais comment la force de gravité est-elle liée à la théorie de la relativité ? Explorons ce problème en détail.
Relation entre la relativité et les forces gravitationnelles
Ces dernières années, un grand nombre de découvertes dans le domaine des particules subatomiques ont été faites. La conviction se renforce que nous sommes sur le point de trouver la particule finale, au-delà de laquelle notre monde ne peut être divisé. Le plus pressant est le besoin de découvrir exactement comment les plus petites "briques" de notre univers sont affectées par ces forces fondamentales qui ont été découvertes au siècle dernier, voire avant. Il est particulièrement décevant que la nature même de la gravité n'ait pas encore été expliquée.
C'est pourquoi, après Einstein, qui a établi « l'incapacité » de la mécanique classique de Newton dans le domaine considéré, les chercheurs se sont attachés à repenser complètement les données obtenues précédemment. À bien des égards, la gravité elle-même a subi une révision. Qu'en est-il au niveau des particules subatomiques ? Cela a-t-il un sens dans ce monde multidimensionnel étonnant ?
Une solution simple ?
Au début, beaucoup supposaient que l'écart entre la gravité de Newton et la théorie de la relativité pouvait s'expliquer assez simplement en tirant des analogies du domaine de l'électrodynamique. On pourrait supposer que le champ gravitationnel se propage comme un champ magnétique, après quoi il peut être déclaré "médiateur" dans les interactions des corps célestes, expliquant de nombreuses incohérences entre l'ancienne et la nouvelle théorie. Le fait est qu'alors les vitesses relatives de propagation des forces considérées seraient bien inférieures à la vitesse de la lumière. Alors, comment la gravité et le temps sont-ils liés ?
En principe, Einstein lui-même a presque réussi à construire une théorie relativiste basée sur de telles vues, une seule circonstance a empêché son intention. Aucun des scientifiques de l'époque ne disposait d'informations pouvant aider à déterminer la "vitesse" de la gravité. Mais il y avait beaucoup d'informations liées aux mouvements de grandes masses. Comme on le sait, ils n'étaient que la source généralement reconnue de puissants champs gravitationnels.
Les vitesses élevées affectent fortement les masses des corps, et ce n'est pas du tout comme l'interaction de la vitesse et de la charge. Plus la vitesse est élevée, plus la masse du corps est importante. Le problème est que la dernière valeur deviendrait automatiquement infinie dans le cas d'un mouvement à la vitesse de la lumière ou plus. Par conséquent, Einstein a conclu qu'il n'y a pas un champ gravitationnel, mais un champ tenseur, pour la description duquel beaucoup plus de variables devraient être utilisées.
Ses partisans sont arrivés à la conclusion que la gravité et le temps n'étaient pratiquement pas liés. Le fait est que ce champ tenseur lui-même peut agir sur l'espace, mais il n'est pas capable d'influencer le temps. Cependant, le brillant physicien moderne Stephen Hawking a un point de vue différent. Mais c'est une toute autre histoire...
