Du Moyen-Âge au 17ème siècle

Auteur: Jérôme Lamy

Introduction

introductionIntroduction

La révolution scientifique du 17ème siècle prend sa source dans les bouleversements issus de la Renaissance. Copernic rompt avec la tradition aristotélicienne et ré-agence un univers désormais héliocentrique. Les travaux de Tycho Brahé et de Kepler constituent d'importants progrès pour l'astronomie. L'introduction de la lunette dans l'activité astronomique par Galilée, constitue une innovation majeure. Nous détaillerons les conséquences concrètes des premières observations à l'aide de l'optique pour la cosmologie aristotélicienne en déclin. Enfin, l'oeuvre de Newton ouvre des perspectives théoriques immenses.


Figures astronomiques de la Renaissance


Nouveaux horizons

D'importants bouleversements modifient considérablement la vision du monde à la fin du Moyen-Âge. Gutenberg invente l'imprimerie, les voyages et les grandes découvertes permettent d'élargir l'horizon des connaissances. Enfin, la science gagne peu à peu son autonomie vis-à-vis de la philosophie.

La Renaissance est marquée par des apports déterminants dans le domaine de l'astronomie.


Nicolas de Cues

Nicolas de Cues (1401-1464) s'attaque au dogme aristotélicien d'une bipartition du monde. Dans son ouvrage intitulé la Docte Ignorance (1440), il nie l'existence des directions. Le « haut » et le « bas » sont des notions. Ces conceptions sont très radicales et ne sont pas reprises par les contemporains de Nicolas de Cues ni même par ses successeurs.


Peurbach et Regiomontanus

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Georg Peurbach, Theoricae planetarum liber, 1556.
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Johannes Regiomontanus, Epytoma Joannis de Monte Regio in almagestum Ptolomei, 1496.
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Ces deux autres personnages importants au 15ème siècle ont repris contact avec la science grecque et arabe. Ils lisent, corrigent et traduisent les ouvrages les plus importants de l'astronomie antique. Georg von Peurbach (1423-1451) entreprend la traduction de l'Almageste et confie à Regiomontanus (1436-1476) le soin d'achever ce travail. Peurbach est résolument ptoléméen, même s'il remplace les sphères supposées solides par des cercles mathématiques abstraits. Le vrai nom de Regiomontanus est Johann Müller. Ancien élève de l'Université de Vienne, il intègre rapidement le corps enseignant de cette structure. Il a lui aussi, comme nous venons de le voir, soigneusement étudié l'Almageste de Ptolémée, en reprenant les calculs et en commentant les observations.

En 1471, il se rend à Nuremberg. Il s'installe dans une maison équipée d'un observatoire privé. Il observe notamment la comète de 1482. Ses observations étaient si précises, que deux siècles plus tard, en le reprenant, on s'aperçut qu'il avait observé une apparition de la comète de Halley.


Léonard de Vinci

Léonard de Vinci (1452-1519) n'est pas un astronome, mais il a proposé des conceptions cosmologiques proches de celles de Nicolas de Cues. Il semble renoncer au géocentrisme et assure que la Terre et la Lune sont constituées de la même façon.


Exercice

exerciceFigures de la Renaissance

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

Quels savants de la Renaissance entreprennent la traduction de l'Almageste de Ptolémée ?


La révolution copernicienne


Une révolution conceptuelle

Dans l'histoire de la science occidentale l'oeuvre de Copernic constitue un tournant décisif. Elle va rompre avec le dogme géocentrique et imposé une nouvelle vision de l'Univers. Toutefois, nous verrons que des pans importants des conceptions aristotéliciennes n'ont pas totalement disparu avec la révolution copernicienne.


La vie de Nicolas Copernic

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Nicolas Copernic (1473-1543)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Nicolas Copernic est né le 19 février 1473 à Torun, dans le royaume de Pologne. On sait qu'il est inscrit à l'Université de Cracovie en 1492. Il suit un cursus classique qui va du trivium (grammaire, rhétorique, dialectique) au quadrivium (arithmétique, géométrie, musique et astronomie). Copernic quitte l'Université de Cracovie en 1496. Il n'a pas achevé les quatre années nécessaires pour obtenir un diplôme. Il se rend à l'Université de Bologne. Il entre alors directement en contact avec la pratique astronomique, puisqu'il devient l'assistant de Domenico Maria Novara. Ce dernier est un astronome connu notamment pour ses corrections des données de Ptolémée. Parallèlement, Nicolas Copernic étudie le droit, la médecine et le grec. Sa première observation connue à Bologne a lieu le 9 mars 1497 : il observe la Lune (approchant d'Aldébaran).

En 1501, Nicolas Copernic revient en Pologne et devient le Chanoine du Chapitre de Frombork. Il demande à terminer son cursus à l'Université de Padoue. Il y obtient un diplôme de docteur en droit canon en 1503. Il retrouve alors le Chapitre de Frombork et se consacre à la rédaction de son oeuvre maîtresse : le De Revolutionibus Orbium Caelestium.


Le "De Revolutionibus Orbium Caelestium"

Le livre de Nicolas Copernic est édité en 1543 par Johannes Petreius à Nuremberg. Cette parution a été facilitée par l'aide et le soutien de son disciple Georg Joachim Rheticus (1514-1574) et de son ami proche, Tiedeman Giese (1480-1550), évêque de Chelmno.

Certains ont prétendu que la parution de l'ouvrage a été repoussée en raison des craintes de Copernic vis à vis des réactions de la hiérarchie catholique. Il convient de remarquer que le De Revolutionibus est dédié au pape Paul III. D'autre part, les livres V et VI sont restés inachevés très longtemps.

La structure de l'ouvrage

Le premier livre présente l'organisation générale du monde et les fondements physiques sur lesquels Copernic s'appuie. Le deuxième livre porte sur l'astronomie sphérique. Il présente, en outre, un catalogue d'étoiles, corrigeant les observations de Ptolémée. Le troisième livre aborde la question du mouvement apparent du Soleil, le quatrième livre expose le mouvement de la Lune et le mécanisme des éclipses. Le cinquième livre est consacré aux mouvements en longitude des planètes ; le sixième livre présente leur mouvement en latitude.

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Hypothèse cosmologique de Nicolas Copernic
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Le chapitre 8 du premier livre est une critique des thèses aristotéliciennes et ptoléméennes et c'est au chapitre 10, que Nicolas Copernic présente la nouvelle conception du monde. Au centre se trouve le Soleil qui est fixe ; puis viennent Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter et Saturne. La Terre est accompagnée, dans son périple annuel autour du Soleil, par la Lune. La Terre a le statut de simple planète parmi les autres. Tout le système est enclos dans la sphère des étoiles fixes.

En apparence, les changements sont faibles : seuls deux éléments –la Terre et le Soleil- permutent leur place et leur fonction. Pourtant cette permutation est l'acte fondateur d'une révolution importante.

Le De Revolutionibus présente à la fois une nouvelle cosmologie et une astronomie pratique qui donne les outils géométriques permettant de passer d'un modèle géocentrique à un modèle héliocentrique. Cette astronomie pratique n'utilise pas toutes les potentialités de la théorie cosmologique de Copernic. Ainsi le chanoine polonais ne propose pas de tables des stations et rétrogradations des planètes.

On peut tenter de prendre la mesure des progrès de la théorie de Copernic en la comparant à celle de Ptolémée. Ce dernier avait conservé trois axes du dogme aristotélicien :

En fait, le De Revolutionibus, ne remet en question qu'un seul de ces principes : le géocentrisme. Copernic n'évoque pas la bipartition du monde, et conserve les mouvements circulaires des planètes.


La rédaction du "De Revolutionibus"

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Frontispice allégorique du 17e siècle présentant les systèmes d'Aristote, de Copernic et de Tycho Brahé (J. Riccioli, Almasgestum novum, 1651)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Nous allons examiner les étapes de la rédaction du De Revolutionibus. Copernic va bénéficier de l'appui et du soutien de son assistant, Rhéticus. Ce dernier, professeur de mathématiques, vient à Frombork en 1539. Copernic, alors âgé de 66 ans, travaille depuis très longtemps sur son ouvrage fondamental. Dès 1538 le De Revolutionibus était quasiment prêt. Rhéticus compulse ce manuscrit pour lequel il s'enthousiasme. Il rédige alors un exposé sommaire, sous forme d'une lettre adressée au mathématicien et astronome Johannes Schöner, des idées de Copernic. Il s'agit de la Narratio Prima, édité à Gdansk en 1540. Ce texte connaît un grand succès. Il est à nouveau publié à Bâle en 1541. La communauté scientifique est donc en possession des éléments les plus importants de la théorie copernicienne.

Finalement, Copernic fait éditer son texte. Rhéticus dirige partiellement cette édition en 1543, mais il confie à son ami Andréas Osiander (1498-1552) la supervision de la publication. Ce théologien a une expérience sensible des réactions des aristotéliciens. Conscient que l'Univers décrit par Copernic est contraire à la Bible, Osiander propose une préface prudente. Ce texte, non signé et intitulé Au lecteur sur les hypothèses de cet ouvrage, il explique que les propositions de Copernic sont des hypothèses mathématiques sans lien avec la réalité physique du monde.


Le cercle des proches

Nous avons vu que la diffusion de l'héliocentrisme avait commencé avant le De Revolutionibus, grâce à la Narratio prima de Rhéticus.

Un autre texte a circulé auparavant. Présentant le coeur de la doctrine copernicienne, le mouvement de la Terre autour du Soleil. Plus tard connu sous le titre de Nicolai Copernici de hypothesibus motuum calestium a se constitutis commentariolus, ce bref exposé a probablement été composé entre 1511 et 1512. On sait que Mathias de Miechow, professeur à l'Université de Cracovie, possédait ce premier écrit de Nicolas Copernic.

Le chanoine Wapowski, enseignant à l'Université de Cracovie possède également un exemplaire de ce Commentariolus. Tycho Brahé a reçu également ce texte en 1575.

Il est bien difficile de mesurer l'influence de ce premier texte de Copernic. Seul le milieu universitaire devait probablement être partiellement au courant des thèses du chanoine de Frombork.

L'entourage proche de Copernic a toujours soutenu ses travaux. L'évêque de Chelmno, Tiedemann Giese, par exemple, a encouragé le chanoine à publier ses travaux. Il s'est ému de la préface d'Osiander, parle à ce propos d'un « forfait » et craint que cela retire « tout crédit à l'ouvrage ».

Le travail de Rhéticus a contribué à la diffusion des idées de Copernic. Sa Narratio prima, claire et précise, a connu un grand succès. Sa deuxième édition en 1541 est dédiée par Achille Gasser à son ami le médecin et mathématicien Georg Vögeli.

Ce sont là les premiers informés des thèses de Copernic. Il s'agit de l'entourage proche du chanoine, qui est en accord total avec les idées présentées.


Communautés religieuse et savante

Dès 1539, Luther s'oppose fermement à la nouvelle conception du monde. Le théologien protestant assure que « Certains ont prêté attention à un astrologue parvenu qui s'efforce de montrer que c'est la Terre qui tourne et non le ciel ou le firmament, le Soleil et la Lune (...). Ce fou souhaite renverser toute la science de l'astronomie ; mais l'Écriture Sainte nous dit que Josué commanda au Soleil de s'arrêter, et non à la terre ». Nous reviendrons plus loin (lors de l'examen du procès de Galilée) sur ce passage de la Bible cité ici par Luther. Deux théologiens catholiques, B. Spina et G. Tolosani ont, dès 1546-1457, condamné les thèses de Copernic.

Au-delà de ce cercle, les thèses coperniciennes se diffusent partout en Europe.

On voit bien que les coperniciens sont rares au 16ème siècle. Quelles sont les raisons de cette si lente diffusion des thèses héliocentriques. En fait les thèses de Copernic s'opposent surtout à une tradition pédagogique bien ancrée : la philosophie aristotélicienne. Beaucoup de professeurs dans les Universités considèrent les travaux de Copernic comme bien plus complexes que les exposés d'Aristote. En effet, l'effort d'abstraction est plus grand ; le sens commun est mis à mal. Ceci explique que certains partisans de Copernic préfèrent enseigner les conceptions aristotéliciennes.


Exercice

exerciceCopernic

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

Quel(s) axiome(s) de la théorie aristotélicienne de l'Univers Copernic remet-il en question ?

Question 2)

Quelles sont les étapes menant au De révolutionnibus ?


Tycho Brahé


Introduction

introductionIntroduction

Tycho Brahé n'est pas convaincu par les thèses héliocentriques de Nicolas Copernic. En particulier, il souligne qu'il n'existe pas d'observations permettant de mettre en évidence la validité de la cosmologie copernicienne.


Éléments biographiques

Tycho Brahé est né le 14 décembre 1545 à Knudstrupp dans ce qui est aujourd'hui la Suède. Mais il est Danois. Son père a été gouverneur du château d'Elsinborg. Dès 1559, Tycho Brahé entre à l'Université de Copenhague. Il suit un cursus classique, comprenant notamment les enseignements de rhétorique et de philosophie. Le 21 août 1560, Tycho Brahé observe une éclipse partielle de Soleil à Copenhague. Cet événement a une influence considérable sur le jeune homme, qui décide alors de se consacrer à la science des astres. Il quitte Copenhague pour l'Université de Leipzig. On peut parler d'un véritable nomadisme étudiant jusqu'à ses 25 ans. Il passe dans les universités de Leipzig, Wittenberg, Rostock, Bâle et Augsbourg. Tycho profite de ses déplacements pour se construire une importante culture livresque en astronomie. Il achète notamment les Tables pruténiques et les Tables alphonsines. Ses instruments sont modestes : un petit globe céleste et un compas.


Premières observations

Sa première observation personnelle a lieu en 1563 (il a 17 ans). Il observe le rapprochement quotidien de Jupiter et de Saturne. Ses observations sont assidues. La conjonction entre les deux planètes a lieu le 17 août 1563. Tycho Brahé note des écarts entre les observations qu'il a effectuées et les calculs des Tables alphonsines et ceux des Tables pruténiques. Ces différences constituent un grave problème aux yeux de Tycho Brahé qui instaure alors la précision des mesures comme règle impérieuse de ses observations. L'astronome Danois n'imagine pas modifier ou corriger les tables existantes, il préfère établir de nouvelles tables en proposant des méthodes d'observation inédites. Tycho Brahé se soucie de la qualité des instruments à employer. Il commence donc par se constituer un arsenal technique de précision. Le premier des objets techniques est un grand quadrant de 19 pieds (1pied=30,48 cm) pour la mesure de la hauteur des astres, qu'il fait construire à Augsbourg. Tycho Brahé fait également construire un sextant de 5 pieds et demi de rayon. Enfin, il possède un grand globe de 5 pieds de diamètre, ce qui souligne sa volonté manifeste de reprendre la cartographie du ciel. Ce sont là les premiers outils techniques à la disposition de l'astronome danois ; nous verrons par la suite qu'il n'a jamais cessé d'améliorer ce corpus instrumental.


La remise en cause d'Aristote

Tycho Brahé est revenu au Danemark en 1570. Il fait alors deux observations fondamentales :

C'est sur le terrain de l'observation que Tycho Brahé parvient à combattre le dogme d'Aristote, jusqu'ici dominant. Toutefois, il convient de noter que les résistances aux travaux de l'astronome danois sont nombreuses.


Uraniborg

Nous l'avons vu, le projet astronomique de Tycho Brahé est ambitieux : il souhaite reprendre entièrement la carte du ciel. Pour cela, il s'efforce d'améliorer ses infrastructures pour l'observation et ses équipements techniques.

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Carte de l'île de Hveen (Tycho Brahé, Astronomiae instauratae mechanica, p. 80)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Vue en coupe de l'observatoire d'Uraniborg
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Tycho Brahé obtient du roi du Danemark Frédéric II, en 1576, l'octroi de l'île de Hveen (aujourd'hui Ven) et une pension. Le souverain accepte également de fournir les subsides nécessaires à la construction d'un observatoire et à l'achat de nouveaux instruments. Tycho Brahé construit son château d'Uraniborg qui était à la fois :

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Trigonomètre de Tycho Brahé (Tycho Brahé, Astronomiae instauratae mechanica)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Sphère armillaire équatoriale de Tycho Brahé (Tycho Brahé, Astronomiae instauratae mechanica, p. 30)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Les instruments qui équipent l'observatoire sont nombreux : des quadrants, des sextants, fixés sur des supports en pierre ou en bois. Il possédait également un grand quadrant mural fixe qui lui permettait d'observer le passage des astres au méridien. Tycho Brahé a donné une description précise de ses instruments dans son ouvrage Astronomiae instauratae mechanica (Wandsbeck, 1598).

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Plan de l'observatoire d'Uraniborg
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

L'observatoire de Tycho Brahé constitue à bien des égards le modèle des futurs observatoires institutionnalisés qui émergeront un peu partout en Europe au 17ème siècle.


Une précision sans égale

Les observations de Tycho Brahé ont un caractère systématique qui les distinguent des examens célestes précédents. L'astronome danois comprend que les observations ponctuelles ne suffisaient pas et qu'il était nécessaire d'observer les astres en continu, toutes les nuits. Son objectif est de refondre la Carte céleste avant de mettre au point une théorie des mouvements planétaires. Les observations doivent nécessairement précéder les conjectures et les hypothèses sur l'organisation de l'Univers.

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Frontispice des Tables rudolphines de Kepler
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Tycho Brahé travaille pendant vingt ans à Uraniborg. Son catalogue d'étoiles forme une partie des Tables Rudolphines éditées par Johannes Kepler en 1627. La richesse des journaux d'observations de Tycho Brahé permettra au même Képler d'avancer ses propositions sur le mouvement des planètes.

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Tycho Brahé dans son observatoire, avec ses instruments (Tycho Brahé, Astronomiae instauratae mechanica)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Il convient de souligner que les observations de Tycho Brahé sont d'une extrême précision. Les historiens de l'astronomie s'accordent pour dire qu'elles n'ont été dépassées, en terme d'exactitude, que par les observations de Flamsteed, un siècle plus tard, avec un puissant télescope.


Cosmologie alternative

Tycho Brahé a élaboré un modèle cosmologique qui s'écarte à la fois des conceptions de Ptolémée et de celles de Copernic. La critique énoncée à propos du système géocentrique du chanoine polonais porte sur l'espace immense entre Saturne et la sphère des fixes. Toutefois, il est probable que l'astronome danois ait été sensible au souci d'harmonie mathématique qui présidait à la rédaction du De Revolutionnibus. Sans être convaincu par la théorie de Copernic, Tycho Brahé s'oppose également aux hypothèses de Ptolémée.

Le système conçu par Tycho Brahé imagine une Terre immobile au centre de la sphère stellaire dont la rotation quotidienne rend compte du mouvement des étoiles. La Lune et le Soleil ont pour centre la Terre. Le poids des conceptions de Ptolémée est jusqu'ici très sensible. En revanche, le centre de révolution des planètes Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne est le Soleil.

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Système de Tycho Brahé
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Hypothèse cosmologique de Tycho Brahé
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Ce système sera notamment adopté par les Jésuites au 17ème siècle. Pour nombre d'astronomes de cette période, le système de Tycho Brahé semblait combiner les avantages du système de Ptolémée et de celui de Copernic ; il apparaissait comme un troisième système du monde possible.


Disgrâce

Tycho Brahé, piètre administrateur, a toujours bénéficié de l'aide matérielle du souverain Frédéric II. À la mort de ce dernier, les problèmes financiers de l'astronome vont entraîner sa déchéance. Avec l'avènement de Christian IV en 1588, les dettes de Tycho Brahé ne sont plus apurées et sa pension est supprimée en 1597. L'astronome quitte le Danemark. Il s'installe en Allemagne et fait publier en 1598, à Wandsbeck, son Astronomiae instauratae mechanica. Il donne plusieurs exemplaires aux puissants susceptibles de l'aider. Il fait notamment parvenir un exemplaire à l'empereur Rudolphe II. Ce dernier le nomme mathématicien impérial en lui assurant une aide matérielle conséquente. La rédaction des Tables Rudolphines est interrompue par la mort de Tycho Brahé le 24 septembre 1601.

Toutefois l'oeuvre de Tycho Brahé ne s'interrompt pas à sa mort. Johannes Képler, un de ses assistants, va exploiter ses données observationnelles précises pour substituer les sphères aux ellipses.


Exercice

exerciceBrahé

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

En quoi Tycho Brahé a-t-il transformé la pratique de l'astronomie ?

Question 2)

Décrivez très brièvement le château-observatoire de Tycho Brahé, Uraniborg.


Johannes Kepler


Éléments biographiques

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Johannes Kepler (1571-1630)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Johannes Kepler est né le 27 décembre 1571 à Weilderstadt, dans le Wurtemberg. Kepler a bénéficié du système éducatif mis en place par les princes protestants des ducs du Wurtemberg. En 1589 il entre à l'université de Tübingen. Inscrit à la faculté des arts, il étudie l'éthique, la dialectique, le grec, l'hébreu, la physique. Johannes Kepler est promu maître ès-arts en 1591 et se destine donc à la théologie.

Cependant, cette trajectoire s'interrompt avant qu'il n'obtienne son titre de docteur. En 1593, les Etats de Styrie cherchent un nouveau mathématicien pour remplacer Georges Stadius, récemment décédé. L'université de Tübingen propose Johannes Kepler qui accepte et devient « mathématicien provincial de Styrie ». Kepler enseigne à Graz des rudiments d'astronomie à de jeunes aristocrates protestants.


Le "Secret du monde"

Johannes Kepler publie en 1596, son premier ouvrage intitulé Prodomus dissertationum cosmographicarum continens mysterium cosmographicum (Prodrome aux dissertations cosmographiques contenant le secret du monde). Il s'y présente comme un copernicien convaincu, mais surtout, le Secret du monde déploie une conception originale mais totalement fausse de l'agencement des planètes. Il imagine qu'entre les six sphères sur lesquelles se déplacent les planètes dans le système Copernic, des polyèdres réguliers s'insèrent. Ces polyèdres réguliers sont de cinq espèces possibles ; chaque polyèdre, inscrit dans une sphère, est circonscrit à la sphère inférieure. Ainsi le cube est inscrit dans la sphère de Saturne et circonscrit à la sphère de Jupiter ; suivent le tétraèdre, la sphère de Mars, le dodécaèdre, la sphère de la Terre, l'icosaèdre, la sphère de Vénus, l'octaèdre et enfin la sphère de Mercure.

L'astronomie ne gardera en fait rien du Secret du monde, mais ce livre met en lumière un grand acharnement calculatoire. D'ailleurs Tycho fut très impressionné par l'ouvrage de Kepler et surtout par ses talents de mathématicien.

La rencontre

Un édit contre les protestants contraint Kepler à quitter Graz en 1600. Il se rend à Prague auprès de Tycho Brahé qui vient alors d'obtenir le poste de mathématicien de l'empereur Rudolphe II. Tycho Brahé meurt en 1601 ce qui permet à Kepler de disposer du corpus observationnel de son maître. Parallèlement, il obtient les fonctions de mathématicien de l'empereur.


Les trois lois

Johannes Kepler reprend les observations de Tycho Brahé sur Mars. Le travail calculatoire de Kepler est considérable et lui permet de noter que le système alternatif de Tycho Brahé n'est pas valide, puisque ses observations ne concordent pas. Kepler montre également que les données récoltées ne coïncident pas avec le système copernicien.

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Mouvements de mars entre 1580 et 1590, tracés à partir des observations de Tycho Brahé (J. Kepler, Astronomia nova, p. 4)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Kepler s'efforce de s'en tenir aux observations, en abandonnant ses idées sur l'harmonie céleste. Il comprend qu'il doit rejeter le mouvement circulaire uniforme et rompre avec une tradition astronomique pluriséculaire, que les Grecs avaient imposé. Il découvre finalement que la trajectoire de Mars est elliptique. Johannes Kepler publie ses résultats en 1609 dans un ouvrage intitulé Astronomia nova (L'Astronomie nouvelle). Il formule trois lois :

Une fin de vie difficile

A Prague, Johannes Kepler connaît de grandes difficultés : il perd sa femme et son fils aîné en 1611, son protecteur Rudolphe II est contraint d'abdiquer.

Toutefois, son activité éditoriale et scientifique ne cesse pas. Il publie les Tabulae Rudolphinae à Ulm où il s'est installé. Ses observations sont encore nombreuses, il étudie ainsi la comète de 1618 et les taches du Soleil. Il correspond avec Galilée. Johannes Kepler meurt en 1630.


Exercice

exerciceKepler

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

Quelles conceptions (fausses) de l'organisation des planètes Kepler présente-t-il dans son ouvrage le Secret du monde ?

Question 2)

Présentez les trois lois de Kepler.


Galilée : la lunette et le procès


Éléments biographiques

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Galilée (1564-1642)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Galileo Galilei (1564-1642)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Galileo Galilei est né à Pise le 15 février 1564. En 1581, il est inscrit à l'Université de Pise, dans la section des Arts Libéraux, comme élève de médecine. Il quitte l'Université sans avoir terminé ses études. Galilée s'intéresse aux mathématiques et se rend à l'Université de Florence. En 1589, il devient professeur de mathématiques à l'Université de Pise. Il n'y reste que trois ans mais se fait des ennemis en contestant les opinions scientifiques de certains de ses collègues plus anciens. En 1592, il obtient un poste de professeur de géométrie et d'astronomie à l'Université de Padoue, qui dépend de la République de Venise. Il y reste jusqu'en 1610. Il rejoint alors Florence, avec les titres de mathématicien et philosophe que lui a accordés le Duc de Médicis.


L'invention de la lunette

Afin de mesurer l'ampleur des changements engagés par cet outil scientifique, il convient de retracer sa genèse. On ne connaît pas les circonstances exactes de sa découverte. Dès le Moyen-Âge, on fabrique des lentilles de verre pour corriger la vue. Mais ce n'est qu'à la fin du 16ème siècle que la science s'empare de la question des lentilles. L'italien Giambattista Della Porta (1534/35 -1615) publie un ouvrage intitulé Magia naturalis (1589) dont une partie est entièrement consacrée à l'optique. Le texte est obscur, mais on y trouve l'explication théorique du fonctionnement de la lunette. Un autre ouvrage important est celui de Kepler, étudié en 1604, Ad Vittelionem paralipomena qui traite des phénomènes de la réfraction. Il donne l'explication des propriétés des lentilles.

On ne peut établir avec certitude la généalogie technique qui mène de ces ouvrages théoriques à la réalisation de la première lunette. Les historiens s'accordent pour penser que ce sont probablement des ouvriers du verre italien qui ont construit une lunette qui a été ensuite reproduite, au début du 17ème siècle par des lunetiers des Pays-Bas. Présentées aux instances politiques, elles sont assez rapidement adoptées dans la perspective d'une application militaire. Toutefois, les milieux savants n'y prêtent aucune attention.

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Galilée et sa lunette
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Galilée s'intéresse à la lunette au printemps 1609. Pendant l'été de la même année, il cherche à en reproduire une. Il prend conscience du formidable pouvoir grossissant de cet outil. Avec un certain aplomb, il présente un exemplaire de la lunette à la République de Venise comme une invention personnelle.

Quoiqu'il en dise, Galilée n'est pas l'inventeur de la lunette. Il a toutefois été le premier à l'introduire dans une démarche scientifique en systématisant les observations.


Les observations de Galilée - 1

Les premières observations astronomiques de Galilée se déroulent entre 1609 et 1610. Nous allons détailler ces premières observations célestes et leurs conséquences immédiates.

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Les Pléiades, observées par Galilée
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Les étoiles

Galilée découvre que certaines étoiles ne sont pas visibles à l'oeil nu. Il constate ainsi qu' « il est certes important d'ajouter à la foule des étoiles fixes que les hommes avaient pu, jusqu'à maintenant, observer à l'oeil nu, d'autres étoiles innombrables, et d'offrir au regard leur spectacle, précédemment caché : leur nombre dépasse de plus de dix fois celui des étoiles anciennement connues ». (Galilée, Sidereus Nuncius). Surtout, Galilée détaille l'aspect des étoiles à travers la lunette. Il remarque que, si les planètes sont des cercles nets, « les étoiles ne se présentent pas comme limitées par des circonférences de cercle, mais comme des noyaux de lumière qui rayonnent et scintillent dans toutes les directions » (Galilée, Sidereus Nuncius).

La surface de la Lune

Lorsqu'il examine la Lune avec son instrument, Galilée remarque que la surface de l'astre n'est pas rigoureusement sphérique. Sa surface est accidentée, non uniforme et par conséquent ressemble à la surface de la Terre. Il écrit ainsi que « presque au centre de la Lune se trouve une cavité plus grande que toute autre et parfaitement circulaire (...) : dans son obscurcissement et dans son illumination, elle présenterait le même aspect que celui de la Terre dans une région comparable à la Bohème, si cette région était de tous côtés entourés de hautes montagnes et disposée en cercle parfait ». (Galilée, Sidereus Nuncius). Ici la comparaison avec la Terre est directe et il s'agit d'une remise en cause explicite des thèses aristotéliciennes sur la bipartition du monde. La Lune est censée appartenir au monde supralunaire et ne peut donc avoir un aspect semblable à celui de la Terre qui, elle, appartient au monde sublunaire.

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Les satellites de Jupiter découverts par Galilée
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Observations des satellites de Jupiter par Galilée en 1613 G. Galilei, Sidereus Nuncius)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Les satellites de Jupiter

Galilée parvient à observer quatre satellites de Jupiter en janvier 1610. Il explique que c'est un argument important en faveur du modèle copernicien. En effet, les partisans du modèle géocentrique soulignent que si tous les astres tournaient autour du Soleil, le parcours de la Lune autour de la Terre serait une curieuse exception. Galilée explique : « nous tenons un argument excellent et lumineux pour ôter tout scrupule à ceux qui, tout en acceptant tranquillement la révolution des Planètes autour du Soleil dans le Système copernicien, sont tellement perturbés par le tour que fait la seule Lune autour de la Terre –tandis que ces planètes accomplissent toutes deux une révolution annuelle autour du Soleil-, qu'ils jugent que cette organisation du monde doit être rejetée comme une impossibilité. Maintenant, en effet, nous n'avons plus une seule Planète tournant autour d'une autre pendant que deux parcourent un grand orbe autour du Soleil, mais notre perception nous offre quatre étoiles errantes, tandis que toutes poursuivent ensemble avec Jupiter, en l'espace de douze ans, un grand orbe autour du Soleil ». (Galilée, Sidereus Nuncius). Ici encore il s'agit d'un argument en faveur du système de Nicolas Copernic, car avec les satellites de Jupiter, il n'y a plus un seul centre de rotation dans l'univers. Galilée baptise ces satellites de Jupiter, planètes médicéennes en l'honneur du Duc de Médicis (et de ses trois frères) au service duquel il espère être engagé.


Les observations de Galilée - 2

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Taches solaires observées par Galilée en 1610 (G. Galilei, Sidereus Nuncius)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Les taches solaires

Galilée n'est pas le premier à avoir observé les taches solaires, ni même à affirmer qu'elles appartiennent au Soleil. Thomas Harriot (1560-1621) est probablement le premier à les avoir observées. Johann Fabricius (1587-1615) est le premier à publier et à donner une interprétation correcte du phénomène en 1611. Christophe Scheiner (1575-1650) publie ses Lettres sur les taches solaires peu après. Galilée n'édite ses observations qu'en 1613. Les historiens reconnaissent toutefois que sa démonstration est aussi rigoureuse que claire et constitue un texte exemplaire de travail scientifique. Voici comment il résume son raisonnement : « Quand on n'ignore pas totalement la perspective, du changement apparent des figures et des vitesses du mouvement, il faut conclure que les tâches sont contiguës au corps solaire et que, touchant sa surface, elles se meuvent avec lui ou sur lui (...). À preuve, leur mouvement : il paraît très lent au bord du disque solaire et plus rapide vers le centre ; autre preuve encore, la forme des taches : au bord de la circonférence elles paraissent beaucoup plus étroites qu'au centre ; c'est qu'au centre on les voit en majesté, telles qu'elles sont vraiment, alors que près de la circonférence, quand se dérobe la surface du globe, on les voit en raccourci ». (Galilée, Dialogue sur les deux grands systèmes du monde) Il s'agit, une nouvelle fois d'une contradiction du système d'Aristote, qui place le Soleil dans le domaine immuable des cieux. Aucun changement ne peut donc se produire à sa surface. Pour Galilée ses observations sur les taches du Soleil sont l'occasion de s'affirmer clairement en partisan de Copernic.

Une nouvelle fois, le monde céleste n'est pas immuable et connaît des changements, des évolutions. Aristote et les Ecritures peuvent être mis en défaut. Rien ne s'oppose donc à l'adoption du système de Copernic.

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Galileo Galilei, Sidereus Nuncius, 1610.
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

La publication

Galilée a très vite compris que ses observations constituaient des arguments majeurs pour défendre la théorie de Copernic. Il décide donc de les faire connaître à la communauté savante. Dès 1610, il fait imprimer à Venise un opuscule qui présente ses travaux. Le 12 mars 1610 paraît donc le Siderius Nuncius (Le Messager céleste). L'ouvrage est rédigé en latin car il est destiné à la communauté scientifique.


Les qualités terrestres de la lunette

Galilée espérait un accueil positif de ses observations effectuées grâce à la lunette. On peut parler d'un enthousiasme en ce qui concerne l'usage terrestre de l'instrument. Julius Caesar La Galla explique ainsi en 1612 qu'il a pu, sur les collines de Rome, examiner « le palais du très illustre duc Altemps sur les collines de Toscane, si distinctement que nous avons aisément compté chacune de ces fenêtres, même la plus petite » (Julius Caesar La Galla, De phaenomenis in orbe lunae novi telescopii usa a D. Galileo Galilei nunc iterum suscitatis physica disputatio).

Toutefois, Galilée doit aussi faire face à une grande défiance et à d'âpres critiques, notamment en ce qui concerne l'usage « céleste » de la lunette.


Controverses

Plusieurs savants refusaient d'accorder le moindre crédit aux découvertes effectuées grâce à la lunette. C'est notamment le cas d'un aristotélicien qui avait côtoyé Galilée à Padoue, Cesare Cremonini (v. 1550-1631). Nous connaissons sa réaction grâce à une lettre, de juillet 1611, d'un ami commun de Galilée et de Cremonini, Paolo Gualdo. Ce dernier indique à Galilée qu'il s'est récemment rendu chez Cremonini et qu'il lui a demandé si, dans son prochain ouvrage, il évoquerait les observations de Galilée. La réaction de Cremonini est sèche et sans appel : « je ne fais aucune allusion à ses récentes observations. (...) Il suffit, je ne veux plus en entendre parler ».

Un des opposants à ces découvertes de Galilée est Antonio Magini (1555-1617), titulaire de la chaire de mathématiques de l'Université de Bologne. Galilée souhaite convaincre son collègue et pour cela se rend à Bologne. Martin Horky de Lochovic qui est présent relate la démonstration de Galilée. Il assure qu'après un usage long et répété, il a constaté que « pour les objets terrestres, la lunette fait merveille. Pour les objets célestes, elle se trompe, car certaines étoiles fixes y apparaissent doubles. Je peux produire les témoignages d'hommes très distingués et de savants les plus connus (...) tous ont avoué que l'instrument de Galilée donne une vision fausse. Mais Galilée garda le silence, et le 26 il prit tristement congé de l'illustrissime Dr Magini ».

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Christophorus Clavius (1538-1612)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Le père Clavius (1537-1612), professeur de mathématiques au Collège romain et autorité scientifique de premier plan, assure, dans un premier temps, que les découvertes de Galilée ne sont que le produit d'illusions créées par les lentilles.

Par la suite Clavius et Magini feront amende honorable. Ils reconnaîtront la validité des observations de Galilée ainsi que les qualités de la lunette.


Le jugement de Kepler

Johannes Kepler constitue une référence scientifique majeure du début du 16ème siècle. On peut donc s'interroger sur la manière dont il a reçu les découvertes de Galilée.

Sa première réaction est prudente. Il écrit à Galilée en août 1610 pour lui exprimer ses doutes quant aux découvertes dont il parle : « Je ne veux pas vous cacher qu'un bon nombre d'Italiens ont envoyé des lettres à Prague, affirmant qu'ils n'avaient pu voir ces étoiles [les lunes de Jupiter] avec votre lunette. (...) Je regrette que la confirmation par les autres prenne autant de temps à se montrer (...). Alors, je vous en conjure, Galilée, donnez-moi des témoins dès que possible (...) ». Dès qu'il obtient une lunette de bonne qualité, Kepler cherche à examiner les satellites de Jupiter. Il est rapidement convaincu de la validité des découvertes et souhaite le faire savoir. Il rédige, en 1611, un bref ouvrage intitulé Narratio de observatis a se quattuor Jovis satellibus erronibus (Récit des observation que j'ai faites concernant quatre satellites se mouvant autour de Jupiter). La conclusion est très claire : « Ami lecteur, c'est pour toi que j'ai décidé de rendre publiques ces quelques observations hâtives afin que, soit sur la foi de mes déclarations et des témoignages que j'apporte, tu en viennes à renoncer complètement au doute et à reconnaître la vérité qui s'offre ouvertement à toi, soit que tu fasses des observations toi-même, avec un bon instrument qui te permette de voir par toi-même la réalité des choses ».

La publication des découvertes de Galilée marque le premier succès du savant italien. La suite de sa carrière va s'organiser autour de sa prise de position en faveur du système de Copernic.


L'affaire Galilée - 1

Le point de vue de l'Eglise

Pour l'Église, la question de l'héliocentrisme reste en suspend, à la fin du 17ème siècle. Les théologiens maintenaient une distinction entre la réalité physique du monde et les théories mathématiques abstraites. Dans l'enseignement, la philosophie naturelle (qui correspond à la physique) décrit la réalité alors que les mathématiques se contentent de faire correspondre les observations à des modèles. Dans ce cadre ainsi définit, les conceptions de Copernic sont un modèle mathématique parmi d'autres, mais elles ne rendent pas compte de la réalité.

Polémique

Il est important de rappeler qu'en 1610, Galilée a obtenu le titre de philosophe et de mathématicien à l'Université de Florence. Ainsi, lorsqu'il s'exprime, il ne lui est plus permis d'évoquer les seuls modèles mathématiques.

Les premiers reproches de l'Eglise à l'endroit de Galilée portent sur le Siderus Nuncius qui défend, au moins implicitement, les thèses de Copernic.

Les théologiens relèvent dans la conception de l'Univers telle qu'envisagée par le chanoine polonais, une contradiction fondamentale avec les Saintes Ecritures. Dans le Livre de Josué, Josué aide les habitants de Gabaon à lutter contre les rois amorites. Les troupes de ces derniers fuient. Et c'est au Soleil que le prophète Josué ordonne de suspendre sa course, non à la Terre. « Soleil, arrête-toi sur Gabaon. Lune, sur la vallée d'Ayyalôn ! Et le Soleil s'arrêta et la Lune s'immobilisa jusqu'à ce que la nation fut vengée de ses ennemis. (...). Le Soleil s'immobilisa au milieu des cieux et il ne se hâta pas de se coucher pendant près d'un jour entier » (Livre de Josué, 10-12 et 10-13).

Galilée quant à lui, ne voit pas de contradiction. Il assure que Dieu s'adresse aux hommes à la fois par les Saintes Écritures, mais aussi par le livre de la Nature. Les Saintes Écritures, pour être à la portée des hommes, retranscrivent la parole divine avec des simplifications. En revanche, l'expression de Dieu à travers la nature est dénuée d'interprétations. Ainsi la science qui déchiffre le livre de la nature doit avoir l'avantage sur les Saintes Ecritures. Ces propos nourrissent la polémique et le Saint-Office à Rome se penche sur les activités de Galilée en 1615. Le De Revolutionibus de Copernic est mis à l'index en 1615. Le pape Paul V convoque Galilée à Rome et lui demande de ne pas diffuser les thèses du chanoine polonais, ce que l'astronome italien va faire pendant sept ans.


L'affaire Galilée - 2

L'élection d'un nouveau pape

En 1623, le cardinal Barberini est élu pape sous le nom d'Urbain VIII. Un rapport de patronage s'instaure entre le pape et le savant. Urbain VIII autorise Galilée à publier un ouvrage exposant les deux systèmes astronomiques, celui d'Aristote et celui de Copernic. Le pape pose deux conditions :

Le livre de Galilée s'intitule Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, (Dialogue sur les deux grands systèmes du monde). Il est imprimé à Florence en 1632.

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Dialogue sur les deux grands systèmes du monde, de Galilée, 1632
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Galilée lui a donné une forme particulière puisque le livre présente trois interlocuteurs discutant pendant quatre jours du système aristotélicien et du système copernicien.

Simplicio est le nom d'un ancien commentateur d'Aristote alors que Sagredo et Salviati sont les noms de deux amis de Galilée, décédés lorsqu'il rédige son ouvrage.

La forme de l'ouvrage (la mise en scène d'un dialogue) et l'utilisation de l'italien (et non du latin pour les textes scientifiques), soulignent la volonté de Galilée d'être le plus largement possible entendu.

L'ouvrage se divise en quatre grandes parties. La première discute de l'organisation générale de l'Univers. Galilée pose le principe d'un Univers ordonné, soumis partout aux mêmes lois physiques. L'astronome italien critique donc la bipartition du monde telle que l'envisage les aristotéliciens. Dans la deuxième partie du livre, Galilée réfute les arguments contre le mouvement de la Terre. La troisième partie évoque la structure de l'Univers et reprend l'ordre des planètes de Copernic. Enfin, dans la quatrième partie, le savant italien propose une théorie des marées qui sera très critiquée car il réfute l'attraction de la Lune.


L'affaire Galilée - 3

La réaction d'Urbain VIII

Le pape, dès qu'il a connaissance du contenu du livre, ordonne que l'on arrête de diffuser ce livre. Mais nombres d'exemplaires sont déjà en circulation.

Pourquoi le pape a-t-il brusquement changé d'attitude ? Il s'est d'abord senti trahi par Galilée qui n'a pas respecté ses engagements. Le savant italien n'a pas publié son ouvrage à Rome et il n'a pas respecté l'exigence d'équilibre dans la présentation des systèmes cosmologiques. D'autre part, d'un point de vue géopolitique, le pape est dans une position délicate.

Le pape a soutenu la France, alors que cette dernière s'est alliée au roi de Suède pour soutenir les protestants. Le roi d'Espagne, qui est en guerre contre les princes protestants (Guerre de Trente Ans), accuse le pape de laxisme. Cette accusation est également formulée par les Jésuites, dont le pouvoir est de plus en plus grand dans la curie romaine. Urbain VIII se doit de réagir et pour cela, le procès de Galilée est l'occasion d'affirmer son rôle de chef religieux et politique.

Un procès particulier

Urbain VIII n'abandonne pas totalement Galilée. La commission qui conduit la procédure ne comprend qu'un seul Jésuite. Elle est en outre présidé par le propre neveu d'Urbain VIII ce qui est déjà l'assurant d'une certaine clémence. Un seul chef d'accusation est retenu contre Galilée : celui de n'avoir pas respecté l'interdiction qui lui avait été faite en 1616 de diffuser les thèses de Copernic. La sentence du 22 juin 1633 prévoit que l'ouvrage est interdit et oblige Galilée à abjurer ses « erreurs » Il est désormais assigné à résidence dans sa maison de campagne, près de Florence. Galilée se soumet. Il meurt, presque aveugle, dans sa résidence de Florence en 1642.


Exercice

exerciceGalilée

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

Quelles sont les quatre premières observations de Galilée avec sa lunette ?

Question 2)

Que lui permettent-elles d'avancer comme arguments ?

Question 3)

Rappeler les circonstances (scientifiques, religieuses et politiques) de la condamnation de Galilée.


L'oeuvre monumentale de Newton


Éléments biographiques

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Isaac Newton (1643-1727)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Isaac Newton est né le 4 janvier 1643 dans le hameau de Woolsthorpe. Son père était mort trois mois auparavant. Newton fréquente l'école secondaire de Grantham, jusqu'à l'âge de 16 ans. Il arrive à Cambridge en 1660. Il y rencontre le mathématicien Isaac Barrow (auteur de Leçons mathématique remarquées par Leibniz). On sait qu'à cette époque Newton lit (plume en main) les Eléments d'Euclide, la Géométrie de Descartes et le Dialogue de Galilée. Lorsqu'il a obtenu son baccalauréat, il a une formation en mathématique. La peste sévit à Cambridge, il rentre donc dans son hameau natal.

Newton décrit ainsi cette période de retrait propice à la réflexion :

« J'étais dans la plénitude de mes facultés d'invention et occupé par les mathématiques et la philosophie plus qu'à aucune autre période de ma vie ».

C'est pendant cette période que Newton va poser les fondements de son optique et de sa mécanique.


Aux origines des "Principia"

Newton se pose la question fondamentale : la chute des corps et la révolution de la Lune autour de la terre, obéissent-elles à la même loi physique ?

Ce n'est en effet probablement pas avant 1684 que Newton se trouva en possession de tous les principes dynamiques impliqués. Cette même année 1684, le célèbre Edmund Halley (1656-1748) rend visite à Newton pour discuter avec lui du problème des planètes. Christopher Wren (1623-1723) (qui comme architecte à participé à la reconstruction de Londres après le grand incendie) avait proposé de faire cadeau d'un livre à Edmund Halley ou au physicien Robert Hooke (1635-1703) s'ils pouvaient résoudre ce problème. Comme aucun d'eux n'y parvint, Halley décide de s'informer auprès de Newton. À sa grande surprise, Newton lui répond que la force reliant le Soleil et les planètes, qui avait pour conséquence une orbite elliptique, opérait selon la loi inverse des carrés et qu'il l'avait démontré. Il ne put cependant produire la preuve et promit de la mettre par écrit et de l'envoyer à Halley.

Newton tient parole et fait parvenir un petit traité. Halley réalise l'importance immense de ce travail et presse Newton d'écrire un ouvrage complet sur toute la question du mouvement, en lui disant que la Royal Society le publierait. (La Royal Society n'a pas les moyens de cette publication et c'est Halley qui paya sur ses deniers personnels l'impression de l'ouvrage).


Les "Principia"

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Philosophiae naturalis principia mathematica de Newton
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

En 1687, l'ouvrage est terminé et imprimé. Il paraît sous le titre Philosophiae naturalis principia mathematica (Principe mathématiques de philosophie naturelle). L'ouvrage se compose de 3 livres.

Le livre I est consacré à l'étude des mouvements des corps soumis à l'action d'une force centrale dans le cas idéal où ces corps sont dans un vide parfait. Le livre II examine les mouvements de ces mêmes corps lorsqu'ils baignent dans un fluide plus ou moins résistant. Le livre III présente le système du monde. Il s'ouvre par cette déclaration de Newton : « J'ai donné dans les livres précédents les principes de la philosophie naturelle, et je les ai traités plutôt en mathématicien qu'en physicien, car les vérités mathématiques peuvent servir de base à diverses recherches philosophiques, telles que celles sur les lois des mouvements et des forces motrices. Et afin de rendre ces matières plus intéressantes, j'y ai joint quelques scholies dans lesquels j'ai traité de la densité des corps et de leur résistance, du vide, du mouvement du son et de celui de la lumière qui sont, à proprement parler des recherches plus physiques. Il me reste à expliquer par les mêmes principes mathématiques le système général du monde ». (Isaac Newton, Philosophiae naturalis principia mathematica, 1687)


Lois du mouvement et gravitation

La position de Newton est en fait la même que celle de Copernic : les mathématiques sont écrites pour les mathématiciens.

Les Principia ont une importance considérable et leur impact a été immense. En un seul livre, Newton a reformulé toutes les connaissances sur les corps en mouvement avec une précision mathématique jusqu'ici inégalée.

Nous allons présenter (dans les grandes lignes et sans entrer dans les aspects mathématiques et techniques) les résultats apportés par Newton. Les Principia exposent :

En ce qui concerne les trois lois du mouvement :

En ce qui concerne la loi de gravitation universelle :

Elle peut s'énoncer ainsi :

Deux corps de masses respectives m et M, situés à la distance r (distance entre les deux corps) exercent l'un sur l'autre une force F=G*fraction(M*m;r^2)G est une constante universelle (égale à 6,67.10-11 N.m2.Kg-2). Newton ignorait la valeur de la constante G, mais il se doutait qu'elle devait être très faible.


Applications

Les Principia de Newton ont si définitivement clos une époque de l'astronomie que ses successeurs s'attachèrent surtout à consolider les résultats auxquels il était parvenu. Par exemple, Halley applique les mathématiques du mouvement et la gravitation à la question des comètes. Il s'aperçut que les apparitions de comètes qui avaient été observées en 1531 et 1607, semblaient liées à la comète brillante de 1682 ; postulant qu'il s'agissait d'un seul et même corps céleste, il calcula son retour pour décembre 1758 en utilisant la loi de la gravitation universelle pour évaluer le retard qui serait provoqué par Jupiter. De fait la comète réapparut quelques jours plus tard qu'il ne l'avait prévu (l'effet de Jupiter était un peu plus élevé qu'il ne l'avait estimé) et la comète de Halley fut la première justification de la théorie de Newton.

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Alexis Clairaut (1713-1765)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Plus tard, d'autres astronomes ont appliqué la théorie pour constater avec précision les actions mutuelles ou « perturbations » que les planètes provoquaient entre elles. Dans ce domaine, plusieurs mathématiciens ont réalisé de grands progrès notamment Alexis Clairaut.

Les Principia furent le point culminant de l'astronomie planétaire ; même s'ils débordent très largement le strict cadre de l'astronomie.


Le télescope

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Les trois types de télescope : 1. le télescope à réfraction, 2. le télescope à réflexion mis au point par Grégory, 3. le télescope à réflexion de Newton.
Crédit : Astrophysique sur Mesure / Jérôme Lamy et Gilles Bessou

Il faut noter enfin, une innovation technique de Newton à destination de l'astronomie : le télescope à réflexion.

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Schéma du télescope de Newton (I. Newton, Optice, Londres, 1706)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

James Gregory (1638-1675) (mathématicien écossais) suggéra en 1663 l'utilisation d'un miroir parabolique évidé au centre comme objectif ; un miroir concave de surface ellipsoïdale renvoie le faisceau ; l'oculaire est placé en arrière de l'objectif. Newton a critiqué le projet (non réalisé) de Gregory et a proposé un modèle plus simple : le faisceau est renvoyé latéralement à l'aide d'un miroir plan incliné placé à peu de distance du foyer de l'objectif.

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Le télescope d'Isaac Newton
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

En 1672, Newton présentait en public un télescope de bonne qualité, premier réflecteur réellement utilisable. L'objectif avait une ouverture de 25 mm et une distance focale de 16 cm. Il l'a fait entièrement de ses mains. Il a adopté un alliage de cuivre et d'étain. Pour le polissage, il utilisa de la poix.


Exercice

exerciceNewton

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

Comment naît la rédaction des Principia de Newton ?