Historia de la gravitación

La historia de las teorías de la gravitación nos permite ver hasta qué punto las teorías de la gravitación que se sucedieron desde Aristóteles han ilustrado los trastornos en la comprensión del mundo.

La palabra serio significa pesado , pesado , en griego. Para Aristóteles , un cuerpo pesado vuelve a unirse a su "lugar natural" que es el centro de la Tierra . Había una concepción en el pensamiento aristotélico de que las leyes de la física que regían los fenómenos en la tierra no eran las mismas que regían las manifestaciones que podían observarse en el cielo . Con la Tierra en su centro, el universo se dividió en dos: los mundos sublunar y supralunar . Según esta visión de las cosas, la gravedad formaba parte de las leyes que gobernaban el mundo sublunar y no parecía tener consecuencias en el comportamiento de los cuerpos celestes .

Más tarde, en el X º siglo astrónomo persa y musulmana de Al-Khwarizmi (o Muhammad ibn Musa) postuló la existencia de una fuerza de atracción entre los cuerpos celestes ya presagiaban la ley de la gravitación universal de Newton de Newton .

El astrónomo persa y musulmana Ya'far Ibn Muhammad Ibn Musa Shakir resulta ser el primero en refutar la X ª siglo diseño aristotélica mundo al afirmar que los cuerpos celestes y las esferas celestes obedecen a las mismas leyes físicas como la tierra, por lo tanto, definitivamente enlaces los dos mundos.

La 5 de julio de 1687los dos mundos evocados por Aristóteles también se fusionaron en uno con la publicación de Philosophiae Naturalis Principia Mathematica en la que Isaac Newton reveló su ley universal de gravitación , completando así la revolución copernicana  : la Tierra se convirtió en una sola estrella entre las demás.

La teoría actual de la gravedad, la relatividad general , fue establecida por Albert Einstein en 1915 . Fue una revisión completa de lo que solía llamarse "la fuerza de gravedad". El carácter instantáneo de acción a distancia de la gravedad newtoniana ya no era compatible con el trabajo de Einstein sobre la velocidad de la luz .

En relatividad general, la gravedad debe propagarse a la misma velocidad que la luz. La aparente atracción de los cuerpos masivos entre sí ya no se percibe como una "fuerza" sino como una consecuencia ineludible generada por la deformación de la geometría del espacio-tiempo por los objetos masivos que allí se encuentran. El término "interacción gravitacional" es ahora preferible al de "fuerza gravitacional".

La relatividad general es la base de la cosmología , todas las observaciones realizadas hasta ahora son perfectamente compatibles con ella. En astronomía es responsable de varios fenómenos como la órbita de los cuerpos celestes, la formación de estrellas , los agujeros negros , etc.

Para intentar comprender la historia de los "  primeros momentos del universo  " (la era de Planck ), es fundamental desarrollar una teoría cuántica de la gravitación , que aún queda por hacer ...

antigüedad

Aristóteles

Las tesis de Aristóteles en física rechazan todo el espíritu de los físicos anteriores (los milesios , los pitagóricos , Demócrito …) y han influido durante mucho tiempo en la filosofía y la ciencia occidental.

A partir de sus observaciones, presenta una física cualitativa donde su teoría de las causas identifica las razones por las que ocurren los eventos, abordando simultáneamente lo que hoy vendría bajo la categoría de física, medicina , escultura , comercio , del alma , etc. Las causas de cualquier movimiento está en el combustible del movimiento natural de los seres ; hasta el punto de que la palabra movimiento evoca, para él, el cambio de estado del ser afectado. Así, las nociones de movimiento, infinito , lugar y tiempo no se conciben como separadas de la sustancia de los cuerpos, y todo movimiento (en el sentido mencionado anteriormente) es la realización de un pasaje de un estado inicial a un estado final (que manifiesta sí mismo por reposo): el estado final estaba potencialmente presente en el estado inicial, y su realización es la causa final del movimiento.

Analizando el mundo de esta manera, distingue cuatro causas  : material, formal, impulsora, final . De acuerdo con este diagrama, está en la naturaleza de los objetos pesados ​​que al caer, la causa de la caída radica en las propiedades intrínsecas del objeto que cae, por lo tanto, no es externo a dicho objeto. Por ejemplo :

La piedra estaba arriba: su estado de piedra ( causa material ) la convierte en un cuerpo pesado, es decir, un cuerpo cuyo estado propio es estar abajo y no arriba. La piedra ha caído: ha ido a su propio lugar (estado: estar abajo). Su caída se debe a este objetivo ( causa final ).

Una causa motriz interviene sólo para sacar a un ser de su propio estado, esto corresponde a la frase de Aristóteles: “Todo lo que se mueve es movido por otra cosa; este motor, a su vez, se mueve o no; si no es así, tenemos lo que buscábamos, un primer motor inmóvil, y eso es lo que llamamos dios [...]. " . Por ejemplo, una causa de conducción debe intervenir para que un objeto pesado ya no esté en su estado adecuado de caída, pero no hay una causa de conducción para que vuelva al suelo.

Así, para Aristóteles, la caída de un cuerpo es solo un problema de estado cualitativo de este cuerpo que es necesario saber clasificar según corresponda en la lógica del mundo y su universo.

Edad Media

Brahmagupta

En el VII º  siglo, el astrónomo y matemático indio Brahmagupta a quien se debe el concepto matemático del cero , rechazaron las concepciones imperantes en el momento acerca de la forma de la Tierra . Brahmagupta sugirió que la Tierra era redonda. Ante el aparente absurdo de esta postura con respecto a la forma del mundo, sus contemporáneos le señalaron que si la Tierra fuera realmente redonda, los árboles y las piedras que estaban en su suelo tendrían que caer del suelo para irse. perderse en la inmensidad del cielo . Brahmagupta les respondió así:

"(...) Todas las cosas pesadas son atraídas hacia el centro de la Tierra. (...) La Tierra permanece igual por todos lados. Todos los pueblos de la Tierra permanecen allí erguidos y todos los cuerpos pesados ​​caen de regreso a la Tierra por una ley natural porque es la naturaleza de la Tierra atraer y mantener las cosas sobre sí misma como es la naturaleza del agua fluir, el fuego para quemar. y viento para soplar ... "

Así, para Brahmagupta, a diferencia de Aristóteles, no es que los cuerpos caigan, sino que la tarea de hacer que los cuerpos caigan está en la Tierra.

La Scientia de ponderibus

La Scientia de sphaera mota

Ímpetu

Del Renacimiento a los tiempos modernos

Galileo

Tan pronto como Galileo enuncia (alrededor de 1602 , publicado en Dialogue sur les deux grands Systèmes du monde ( 1632 )) su ley de la caída de los cuerpos , surgen varios problemas:

La gravedad no es uniforme: Galileo sabe que la Tierra es redonda y que la gravedad tira hacia el centro de la Tierra.

Galileo no tiene conciencia de que la Luna cae bajo el efecto de la misma fuerza. Existe para él un mundo sublunar y un mundo celeste: en su diálogo sobre los dos grandes sistemas del mundo, el de Tycho Brahe y el de Copérnico , eligió a Copérnico y afirma que los cielos no son “fijos” y que los cometas pasar por todas las esferas fijas. Se trata principalmente de la gravedad de la tierra.

Su primer problema es entender por qué 1  kg de plomo cae como 2  kg de plomo (a pesar de la resistencia del aire, claro). Su razonamiento es muy sutil. En lugar de retomarlo, examinemos un problema similar: la caída lenta de un péndulo simple: el movimiento de dos péndulos idénticos, colocados uno al lado del otro, es obviamente exactamente el mismo (identidad de causas: identidad de efectos). Leones, "por el pensamiento", las dos masas: nada cambia; y, sin embargo, es un péndulo de 2  kg el que se balancea ahora. Es un argumento del mismo tipo utilizado por Galileo: el movimiento de un péndulo o cualquier caída lenta sin fricción es independiente de la masa puntual que se desliza (en traslación ) a lo largo de la curva.

Por lo tanto, hay dos hechos notables en la declaración de Galileo:

No es tan fácil probarlo con precisión y desde Galileo, los experimentos nunca se han detenido, con cada vez más refinamientos ( Eotvos balance …).

Descartes

El otro científico importante a principios de este XVII °  siglo René Descartes .

Oscurecerá e iluminará el debate. Iluminar porque, con su geometría, relega definitivamente el mundo metafísico. Su aspecto geométrico es una excelente ilustración de esto.

Por otro lado, encuentra el Discorso de Galileo (1638) decepcionante, porque Galileo no busca "las causas". Se expondrá su teoría de la gravitación en términos de "vortex" y el XVII °  siglo verá constantemente remolinos por todas partes.

Como resultado de este trabajo, la noción de acción instantánea a distancia es ilegítima y lo seguirá siendo durante mucho tiempo.

Descartes afirma la causa de la gravedad en el capítulo XI del Tratado sobre el mundo y la luz . Este último no es, para él, ni una cualidad del cuerpo, ni el resultado de ninguna atracción, sino el efecto del movimiento de las partes de la materia del pequeño cielo que rodea la tierra: "Pero ahora quiero que consideres qué es la gravedad de esta Tierra, es decir la fuerza que une todas sus partes y que hace que todas tiendan hacia su centro, cada una más o menos, según sean más o menos grandes y sólidas; lo cual es otro y solo consiste en que las partes del pequeño Cielo que lo rodea, que giran mucho más rápido que el suyo alrededor de su centro, también tienden con más fuerza a alejarse de él y, en consecuencia, vuelven a crecer allí. El detalle de la explicación sigue siendo delicado, pero esta interpretación permite evitar el recurso a cualidades ocultas. “La atracción newtoniana, obviamente, será entendida por los cartesianos como un retorno de cualidades ocultas. "

De Galileo a Newton

Antes de Newton, hay dos cuerpos diferentes: astronomía con las leyes de Kepler y caída libre en la Tierra según la gravitación de Galileo .

Tan pronto como aparece la tercera ley en el libro Harmonices Mundi de Johannes Kepler publicado en 1619, cualquiera que sea capaz de razonar mediante escalas puede hacerse una idea de la fuerza de la gravedad. Pero este tipo de razonamiento aún no existe. De hecho, no fue hasta la ley de Huygens sobre la fuerza centrípeta, la famosa , por la ley de Kepler .

Newton afirma haber hecho este razonamiento en 1665-1666 durante la plaga de Londres. Y haber tenido la llamada intuición de la “manzana”: una parábola para expresar que tuvo la idea de relacionar las leyes de Kepler con la ley de Galileo, la astronomía y la gravedad. Esto debería haberle dado a (Luna) = g / (60) ². Pero eso no es lo que encontró (principalmente debido a los datos incorrectos en ese momento). Le quedaba por demostrar que la atracción de la Tierra se reducía a la de un punto material ubicado en su centro; sin embargo, no tuvo este resultado hasta 1684-1685 (el llamado teorema de Newton-Gauss), es decir, 20 años después.

A lo largo de este período de 70 años, la mecánica continuó desarrollándose. Koyré no nota menos de diez actores sobre la única caída libre y el posible desvío hacia el Este, un problema que había subestimado a Galileo, pero que Marin Mersenne quería que resolviéramos.

Newton y Hooke

La idea de que la aceleración de la gravedad disminuye con la altitud está en sintonía con los tiempos desde 1660 (creación de la Royal Society ). Halley fue a Santa Helena  ; Más rico en Cayenne . El secretario de la Royal Society, Robert Hooke , recibió decenas de cartas a través del presidente Oldenburg. Uno de ellos se refiere a una comunicación de Christopher Wren sobre el fenómeno de Horrock: las tablas de la Luna ya no son exactas si escribimos que la Tierra y la Luna giran alrededor de un punto G que a su vez gira según las leyes de Kepler alrededor del sol . Hooke conoce el concepto de centro de masa y una semana después, publicó un discurso bastante general del que parece que la ley de la gravitación del habla es universal y sería 1 / r² .

Pero Wren no deja que se cuente y pide una demostración. Hooke no puede proporcionarlo.

Unos años más tarde, Hooke le preguntó a Newton la cuestión del movimiento de la Tierra. Newton envía una carta bastante desilusionada, donde explica la desviación hacia el Este, pero esta carta contiene una mancha. Hooke, encantado con esta ganancia inesperada, publica que Newton se equivocó. Y es la famosa carta de respuesta que envía Newton (movimiento en un campo central g ( r ) = g 0 , noviembre de 1679 ) la que desencadena la secuencia de eventos.

Halley quiere saber si Newton conoce la respuesta: ¿involucran las leyes de la fuerza gravitacional de Kepler en 1 / r ²? Se lo puso a ella en julio de 1684 . Newton responde evasivamente afirmativamente, pero es en papel antiguo. Diciembre de 1684 llega la respuesta: es el de Motu. pero Newton le pide a Halley que se lo lleve, porque como dice Newton: “Tengo otras ideas para completar lo que he dicho. Dame algo de tiempo. "

Se escucha el caso. Hooke puede reclamar la autoría del descubrimiento, está claro para todos que solo Newton podría haber escrito los Principia , en dos años: se publicarán en 1687 .

Una suposición alucinante es que la acción a distancia es instantánea. El propio Newton se niega a comentar este hecho: “No pretendo especular  ; lo que significa: no puedo entender las causas de este hecho. ¡Pero todo encaja con esta ley! "

Los cartesianos en Francia están conmovidos por el descubrimiento. Incluso Huygens se pronunció en su contra en un libro tragicómico ( 1790 ). El tiempo de recepción del trabajo de Newton en Francia y Alemania será muy largo (casi 30 años). Pero los círculos ilustrados se están uniendo a Newton, poco a poco. Por supuesto, la ley te deja sin palabras.

De los tiempos modernos a los tiempos contemporáneos

Entre Newton y Einstein

De 1687 a 1915, se hicieron muchos intentos para corregir esta ley. En vano, estos fueron solo reescrituras.

Incluso se utilizó como modelo: la ley entre cargas electrostáticas (de Charles de Coulomb ) se copiará de la de Newton; luego el entre las masas magnéticas, pero este último modelo fue invalidado por la experiencia.

Hasta el XX °  siglo, la gravedad newtoniana era inevitable la calidad para proporcionar los resultados teóricos más en línea con la experiencia y la observación. Sin embargo, fue juzgado insatisfactorio en varios puntos por el propio Newton: la fuerza de gravedad actúa a distancia a través de un vacío, y actúa instantáneamente.

En una carta de Newton a Richard Bentley en 1692: "Que la gravedad sea innata, inherente y esencial a la materia, de modo que un cuerpo pueda actuar sobre otro a distancia a través del vacío, sin mediación de nada más, por qué y a través del cual su la acción y la fuerza se pueden comunicar de una a otra es para mí un absurdo del que creo que ningún hombre, teniendo la facultad de razonar con competencia en cuestiones filosóficas, podrá jamás culpar "

Esta crítica fue desatendida por algunos o ignorada por otros utilizando una especie de éter mecánico, un medio incoloro, impalpable e imponderable, que transmite instantáneamente la fuerza de atracción: una idea introducida por el propio Newton en el Escolio general del libro III de los Principia . Pero este éter siempre ha sido una hipótesis pasiva, no interviniendo en los cálculos, teniendo el estatus de hipótesis tranquilizadora en cuanto a la consistencia de esta teoría.

Bajo el impulso de Michael Faraday, se introdujo la noción de campo que permitió mirar el problema desde otro ángulo, en particular utilizando la noción de "corte de flujo", y que resultó ser esencial en desarrollos posteriores de la física. en particular para el electromagnetismo , y luego, para el modelado de la gravitación de Einstein.

El campo gravitacional o campo de fuerza es una propiedad del espacio debido a la masa de un cuerpo. Otra masa que entra en contacto con este campo está sujeta a una influencia, una fuerza, debida al campo. Así, la influencia gravitacional no es, en este marco, creada y transportada instantáneamente de un cuerpo a otro, sino que ya está presente en todo el espacio en forma de campo y en contacto con él un cuerpo ve su dinámica modificada.

La noción de campo electromagnético resultó ser particularmente relevante a partir de entonces, especialmente porque este campo transporta energía y la cantidad de movimiento proveniente del cuerpo que la emite. El campo gravitacional no traía las mismas satisfacciones y había heredado la propiedad de ser modificado instantáneamente por el cuerpo que lo crea. Además, el éter, no obstante, siguió siendo el soporte hipotético del campo. No hay duda de que la noción de campo influyó en Einstein ya en 1905 .

Einstein y después

Notas

  1. (en) Waheed, KA, "  Islam y los orígenes de la ciencia moderna  " , Islamic Publishing Ltd. ,1978, pág.27.
  2. (en) Robert Briffault, La creación de la humanidad , Londres, G. Allen & Unwin Ltd.1919, 371  p. ( leer en línea ) , p.191
  3. (en) George Saliba , "  Primera crítica árabe de la cosmología ptolemaica: un texto del siglo IX sobre el movimiento de las esferas celestes  " , History Review of Astronomy ,1994, pág.116. ( leer en línea )
  4. Émile Bréhier, tomo I, p.  179-190 de Historia de la filosofía , Volúmenes I a III, Editorial PUF, 1931, reeditado en 1994 ( 7 ª  edición) ( ISBN  213 044 378 8 )
  5. Frase de la Física de Aristóteles, y subrayada por Émile Bréhier volumen I, p.  593 de historia de la filosofía , Volúmenes I a III, Editorial PUF, 1931, reeditado en 1994 ( 7 ª  edición) ( ISBN  213 044 378 8 )
  6. Blay Michel. Las reglas cartesianas de la ciencia del movimiento en Le Monde o tratado sobre la luz. En: Revue d'histoire des sciences, volumen 51, n ° 2-3, 1998. “Para Descartes” Matemáticas y física cartesianas. páginas. 319-346. DOI: 10.3406 / rhs.1998.1325 Leer en línea
  7. Cita del Diccionario de Historia y Filosofía de la Ciencia . Campo del artículo escrito por M me Françoise Balibar.
  8. Newton habla de “este tipo de espíritu muy sutil que penetra a través de todos los cuerpos sólidos [...]; es por la fuerza y ​​la acción de este espíritu que las partículas de los cuerpos se atraen ” . Cita del libro Einstein 1905. Del éter al quanta de Françoise Balibar.
  9. Dixit Françoise Balibar, en su libro Einstein 1905. From ether to quanta .

Bibliografía

Ver también

Vínculos internos

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