La loi de Newton contestée XVIII et XIXe siècles

Transcription

1 1 GREX 004, Nice - 9 octobre 004 La loi de Newton contestée XVIII et XIXe siècles F. Mignard OCA/ Cassiopée

2 Sommaire GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Publication et réception des Principia Confrontations aux observations dans le système solaire Comment vérifier la loi en 1/r Les remises en cause de 1700 à 1900 Conclusions

3 3 L analogie féconde GREX 004, Nice - 9 octobre 004 et quelques années plus tard

4 4 Let Newton be (*) GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Publication 1687, 1717, 176 Livre I Etude mathématique des mouvements en 1/r Livre II Etude des mouvements avec milieu résistant Livre III Attraction et applications au système du monde (*) "Nature and Nature's laws lay hid in night; God said, Let Newton be"! (Alexander Pope)

5 5 Vérification de la loi en 1/r GREX 004, Nice - 9 octobre 004 r < 10 m : expériences de laboratoire r ~ 1000 km : mouvement des satellites r ~ 1 ua ua : dynamique du système solaire r ~ 10 kpc : existence de la galaxie Points durs < 1900 Mouvement du périgée lunaire Accélération du moyen mouvement lunaire Précession du périhélie de Mercure Accélération de Jupiter et Saturne Perturbation d'uranus Accélération de la comète de Encke

6 6 GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Problème du périgée lunaire

7 7 Théorie de la Lune jusqu à Newton GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Astronomie grecque Mouvement géocentrique Plan orbital différent de l écliptique Compréhension du mécanismes des éclipses Connaissance de la distance Terre-Lune ( ~ 10%) Découverte de la rotation de la ligne des apsides Découverte de l équation du centre et de l évection Renaissance Découverte de la variation (amplitude = 39 ) par Tycho Brahé Application des lois de Kepler du mouvement elliptique Introduction du mouvement elliptique perturbé par J. Horrocks

8 8 Théorie de la Lune de Newton GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Livre III, Props., 5-35 Construite à partir de la décomposition des forces agissantes Il la considérait comme le test idéal des lois de la gravitation Importance pratique du problème pour la détermination des longitudes Mais 10 sur Terre = 18 km 40 s de temps 0 sur la position de la Lune Newton a été peu satisfait du résultat Évolution entre les trois éditions des Principia Il retrouve par la théorie les plus grosses inégalités du mouvement En particulier la Variation découverte par Tycho Brahé dλ = sin(λ-λ ) (valeur moderne : deg) Laplace considérait que la méthode était un chef d oeuvre des Principia Inégalités périodiques du périgée et du noeud jamais observées à l époque Problème majeur avec le mouvement séculaire du périgée

9 9 Solution de Newton GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Introduction des perturbations solaires Mouvement séculaire du plan de l'orbite : précession du noeud Mouvement séculaire de l'orbite dans son plan : précession du périgée dω =19 18'1"/yr dϖ = 0 17'55"/yr P = ans P = ans Observation : 18.6 ans 8.8 ans Le terrible facteur! Désaccord très important pour le périgée Newton ne put résoudre le problème Echec très sérieux de la théorie de la gravitation

10 10 Vers une solution I. GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Théories analytiques de Clairaut et D'Alembert (1748) Apparition des méthodes 'modernes ' d = n 3 m 4 Ω dϖ = n 3 m 4 n' m = = = n P = 17.8 ans P = 17.8 ans Observation : 18.6 ans 8.8 ans Clairaut propose à l'académie de corriger la loi ( 15/11/1747): F = r 1 + ε r 3

11 11 Vers une solution II. GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Cette modification de la force centrale aura pour effet : aucune action sur le mouvement du noeud conservation du moment angulaire déplacement du périgée avec F = r 1 + ε r 3 dω = 0 dϖ = n ε a - On peut adopter une modification ad-hoc de la loi qui s'accorde avec l'observation -Pour la Lune ilfautε/a ~ Cela impose une nouvelle constante fondamentale, homogène à une longueur - A ce stade pas de problème majeur avec les planètes

12 1 Vers une solution III. GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Clairaut se rétracte le 17/04/1749 ayant trouvé par un calcul plus poussé : dϖ = n 3 m m 3 P = ans (Observation : 8.8 ans) d'alembert annonce un résultat similaire le lendemain Il semble que celui-ci ait été déposé sous pli cacheté fin 1747 Euler arrive indépendamment au même résultat La difficulté de la théorie de la Lune apparaît clairement Pas de solution évidente pour les longitudes Référence : introduction au 1er volume des oeuvres complètes de d'alembert, M. Chapront-Touzé

13 13 Solution complète (Delaunay,, Adams, Hill) GREX 004, Nice - 9 octobre 004 dω = n m 4 Ω& = n m +.13m m m + L [ L] = Période du noeud : 18.6 ans dϖ = n m 4 ϖ& = n m m m m + L [ L] = Période du périgée : 8.8 ans Au final : solution pûrement gravitationnelle avec la loi en 1/r

14 14 GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Accélération séculaire de la Lune

15 15 Accélération séculaire de la Lune GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Observation initiale de Halley en 1693 Difficulté de concilier les observations arabes, de la Renaissance et modernes Il suggère une accélération en longitude : λ = λ + nt + 0 t n& Confirmée par Dunthorne en 1749 dn/ ~ 0"/cy et Lalande 1757 Conséquence : accélération du mouvement rapprochement de la Lune fin du monde? Phénomène non prévu par la théorie de la gravitation

16 16 Accélération séculaire de la Lune GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Cause : milieu résistant, vitesse finie de la propagation de la gravité? Prix de l'académie en 1770 pour déterminer si ce phénomène relevait de la théorie de la gravitation Euler remporte le prix avec la conclusion : " il est maintenant sûr que cet effet ne peut être produit par les forces de gravitation " Nouveau Prix en 1774 sur l'effet de figure de la Terre et de la Lune Prix remporté par Lagrange, sans avoir trouvé l'origine Après discussion des observations, il conteste son existence

17 17 Accélération séculaire de la Lune GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Explication de Laplace en 1787 (Principia + 1 siècle!) Suspicion rejetée d'un ralentissement de la rotation de la Terre Il étudie la propagation à vitesse finie : 8 x 10 6 c! Solution gravitationnelle de Laplace : dλ = n 1 m 1+ e + e' γ e' : excentricité de l'orbite terrestre e' = e' 0 + at a = - 4.x10-5 /cy (en fait terme périodique de ~ 10 5 ans) d λ = n& = 3 ' 0.7"/ cy n m e de' = + (en fait il donne 10."181613t pour le terme quadratique!)

18 18 Accélération séculaire de la Lune GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Mais au milieu du XIXe siècle la théorie se développe : d λ = n& = n L 3 3 de' 4 5 3m m m + e' = + 13."/ cy Il reste donc ~ 7"/cy inexpliquées. confirmation des calculs théoriques discussions autour de la valeur observée introduction des phénomènes dissipatifs dn/ < 0! introduction d'un terme empirique à longue période dans la théorie solution début du XXe siècle

19 19 GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Effets combinés : de la dissipation des marées La Solution dn/ = - a En TD : En TU : du ralentissement séculaire de la rotation de la Terre échelle de temps terrestre temps uniforme de Newton α = ω t & ω t ( & ω > 0) t λ = λ + nt + ( n& a) ( n&, a & ω τ λ = λ0 + n τ + n + n& a ω a = 5."/ cy & τ = 0 > 0) t & ω t ω -8 ω / ω = /cy (Rotation de la Terre) + n& =. 13"/ cy (Laser Lune) (Laplace) 0" τ Au final : solution complexe, gravitationnelle avec la loi en 1/r

20 0 GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Anomalie du périhélie de Mercure

21 1 Avance du périhélie de Mercure GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Théorie planétaire générale ~ 1850 : Le Verrier Calcul des tables et réduction complète des observations Mouvement du périhélie de Mercure Précession ~ 5000"/cy perturbations planétaires ~ 500 "/cy résidu inexpliqué ~ 38"/cy ( puis 43 "/cy ) eδϖ = 8.5 "/cy Nombreuses hypothèses étudiées non-sphéricité du Soleil (α > 1/000! + mvt noeud) anneau intérieur orbite de Mercure anneau entre Mercure et Vénus planète intramecurielle modification de la loi de Newton

22 Périhélie de Mercure : autres lois GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Loien 1/r +ε F GM α r dϖ = = n( 1 (3 α)) ~ nε / dϖ/ = 43"/cy α = Pour la Lune : Loien 1/r + ε/r 3 1 F = r δϖ& 10 4 ϖ& ε + 3 r Totalement irréaliste dϖ = ε n a dϖ/ = 43"/cy ε/a = 1.6x10-7 ε = 6x10-8 au Pour Vénus : Pour la Terre : ϖ & 8"/ cy eϖ& 0.06" / cy ϖ & 4"/ cy eϖ& 0.07" / cy Einstein : ε = 6GM/c Au final : solution gravitationnelle, modification de la loi en 1/r

23 3 Conclusions GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Bilan remarquable pour la loi de Newton Importance de l'observation astronomique de haute précision Phénomènes complexes et multiformes en jeu Nécessité d'une modélisation mathématique très élaborée Accomplissement du programme de Poincaré : " Le but utlime de la mécanique céleste est de tester la loi de Newton" Ce qu'il reste aujourd'hui : anomalie Pioneer rotation des galaxies, mouvement des amas mouvement des comètes forces de radiation sur les astéroïdes forces non gravitationnelles sur les satellites artificiels

24 4 Géométrie des orbites planétaires GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Π γ Ω ω i Ω = longitude du nœud ω = argument du périgée Solution Képlerienne : dω/ = 0, dω/ = 0

25 5 Action du Soleil GREX 004, Nice - 9 octobre 004 Approche Newtonienne de la décomposition des forces No net force Net force F = a[1+cos(λ-λ )] < F > > 0 n a 3 < GM t ω r ~ F t + F s Net force dλ/ ~ cos(λ-λ ) λ ~ sin(λ-λ ) = Variation