Introduction
La loi de la gravitation universelle est l'un des piliers de la physique classique. Avant sa formulation, les phénomènes célestes et terrestres étaient considérés comme régis par des lois distinctes. Newton a révolutionné cette vision en proposant une force unique, la gravité, qui gouverne aussi bien le mouvement des astres que la chute des corps sur Terre. Cette synthèse a marqué le début de la science moderne.
Description
La loi de Newton s'exprime mathématiquement par la formule F = G * (m1*m2)/d², où F est la force d'attraction gravitationnelle, m1 et m2 sont les masses des deux corps, d est la distance entre leurs centres de masse, et G est la constante gravitationnelle universelle. Cette constante, déterminée expérimentalement bien plus tard par Henry Cavendish en 1798, est extrêmement faible (environ 6.674×10⁻¹¹ N·m²/kg²), ce qui explique pourquoi la force gravitationnelle n'est perceptible que pour des masses très importantes, comme les planètes. La loi est dite 'universelle' car elle s'applique à toute particule possédant une masse dans l'univers, sans exception.
Histoire
L'histoire de cette découverte est emblématique. Isaac Newton, alors jeune professeur à Cambridge, réfléchissait aux lois de Kepler sur le mouvement planétaire et aux travaux de Galilée sur la chute des corps. La légende, popularisée par Voltaire, veut qu'une pomme tombant d'un arbre dans son jardin du Lincolnshire en 1666 lui ait inspiré l'idée que la même force attirait la pomme vers le sol et la Lune vers la Terre. Il fallut cependant plus de vingt ans de travail et de perfectionnement mathématique (notamment l'invention du calcul infinitésimal) pour que Newton publie ses conclusions magistrales dans son ouvrage 'Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica' (Principes mathématiques de la philosophie naturelle) en 1687. Cet ouvrage, souvent appelé simplement les 'Principia', est l'un des plus importants de l'histoire des sciences.
Caracteristiques
La gravitation newtonienne possède plusieurs caractéristiques fondamentales. C'est une force toujours attractive, jamais répulsive. Elle agit à distance et instantanément (selon la théorie classique), sans nécessiter de support matériel. Elle est conservative, ce qui signifie que le travail effectué par cette force pour déplacer un corps d'un point à un autre ne dépend pas du chemin suivi. Elle est également proportionnelle à la masse gravitationnelle des corps, une propriété remarquablement égale à leur masse inertielle (principe d'équivalence faible), ce qui a profondément influencé Einstein. Enfin, son intensité décroît avec le carré de la distance, une propriété liée à la géométrie de l'espace en trois dimensions.
Importance
L'importance de la gravitation universelle est immense. Elle a fourni pour la première fois un cadre mathématique rigoureux et prédictif pour l'astronomie, permettant de calculer avec une précision inédite les orbites des planètes, des comètes (comme celle de Halley) et des satellites. Elle a expliqué les marées océaniques comme résultant de l'attraction différentielle de la Lune et du Soleil. Elle a fondé la mécanique céleste, qui a permis les voyages spatiaux et le placement des satellites en orbite. Bien qu'elle ait été supplantée au XXe siècle par la théorie de la relativité générale d'Einstein pour les champs gravitationnels très intenses ou les vitesses proches de celle de la lumière, la loi de Newton reste parfaitement valide et utilisée dans la grande majorité des calculs pratiques d'ingénierie, de navigation et d'astronomie fondamentale.
