Si la Renaissance évoque un brillant renouveau des arts, on ignore parfois que les sciences ont connu elles aussi, dans le même temps et dans les mêmes lieux, une véritable révolution.
A partir des années 1500, la physique et l’astronomie vont être profondément bouleversées. Les connaissances passées seront remises en cause, de nouveaux concepts et de nouvelles méthodes seront élaborés.
L’héritage grec.
Jusqu’à la fin du moyen âge, les savants restaient très attachés aux résultats et préceptes de la science grecque.
En physique, Aristote (- 384 à - 322 avant Jésus Christ) régnait en maître, on parle d’ailleurs de physique aristotélicienne. Pour l’astronomie, c’est le modèle de Ptolémée (+ 120 à + 180) qui servait de cadre à la description de l’Univers.
Malheureusement si les savants grecs étaient admirables par la subtilité de leurs raisonnements et la richesse de leurs argumentations, leurs théories comme leurs résultats n’étaient pas très fidèles aux réalités du monde.
En outre, la postérité ne retint pas toujours les plus novateurs ou les plus exacts. Aristote et Ptolémée dominèrent la science mais aussi… l’enfermèrent dans l’erreur pour de nombreux siècles.
Ainsi, Démocrite (- 460 à - 370 avant Jésus Christ) avait développé la notion d’atomes, ces particules élémentaires qui ne peuvent être coupées. Pourtant l’histoire lui préféra Aristote qui décrivait la matière à partir de différents éléments : la terre, l’eau, l’air et le feu, chacun attaché à un lieu " naturel " et possédant des propriétés particulières.
De la même manière tandis qu’un grand savant trop méconnu, Aristarque de Samos avait, trois cent ans avant Jésus Christ, imaginé un monde centré sur le Soleil (modèle dit héliocentrique) on préféra les visions de Ptolémée qui organisaient l’Univers autour de la Terre (modèle géocentrique).
L’astronomie grecque s’appuyait sur deux principes fondamentaux.
- Le géocentrisme (Aristote, Ptolémée…)
- La séparation de l’Univers en deux : la Terre et le Ciel, chacun de ces deux mondes obéissant à des lois distinctes. Sur Terre, tout est imparfait et provisoire. Dans les cieux au contraire, les formes (des sphères) et les mouvements (tous circulaires) sont parfaits. Ces derniers sont d’ailleurs éternels. Nul n’a jamais observé de planète s'arrêter ou même modifier son orbite.
La science allait mettre plus d’un millénaire et demi, non sans douleur et sans errements à s’émanciper de ces deux carcans et à soulever le voile.
Par une ironie de l’histoire, mais aussi parce que c’est en son sein que se trouvaient les personnages cultivés, c’est de l’église que proviendra tout à la fois la longue préservation des dogmes anciens et la révolution copernicienne qui les renversera.
Le modèle de Ptolémée rendait assez bien compte de la plupart des mouvements des planètes. Il fut d’ailleurs utilisé par les marins pour les aider à déterminer leurs positions après même avoir été reconnu comme faux.
Toutefois, des phénomènes tels que la rétrogradation (retour en arrière apparent d’une planète sur son orbite) ou les variations de luminosité de Mars étaient très difficiles à justifier dans le cadre de ce modèle.
C’est pourquoi Ptolémée dut faire appel à des mécanismes compliqués : Les différents corps tournaient sur plusieurs orbites imbriquées (déférents et épicycles). Pour rester cohérent, l’ensemble nécessitait également des hypothèses d’alignements, d’excentricité et de vitesses de révolutions tout à fait ad hoc et, à vrai dire, peu convaincantes.
Ce sont sans doute ces contradictions et ces complications excessives associés à la connaissance des travaux d’Aristarque de Samos qui ont poussé Nicolas Copernic (1473-1543), un chanoine polonais, à proposer un modèle plus simple et plus fidèle à la réalité. Selon Copernic, toutes les planètes, y compris la Terre, tournaient autour du Soleil. Cette conception sera qualifiée d’héliocentrique.
Copernic s’y reprendra à deux fois, il publiera d’abord un petit opuscule (Commentariolus) en 1512 puis, à la veille de sa mort en 1543, un ouvrage plus conséquent : " De la révolution des orbes célestes " (De revolutionibus orbium caelestum) qui fera sa renommée.
Dans ce livre Copernic présentera l’hypothèse héliocentrique, en détaillera le fonctionnement ainsi que l’argumentation plaidant en sa faveur.
A une époque où les média étaient bien peu développés, les thèses de Copernic resteront relativement confidentielles même si l’élite intellectuelle y avait accès et si elles étaient régulièrement discutées dans le monde savant.
Si ce que Copernic avait prudemment appelé " hypothèse " ne s’imposa pas immédiatement au plus grand nombre, il faut noter que presque tous les grands astronomes qui suivront seront désormais coperniciens. Copernic signa la mort du géocentrisme.
Deux personnages marqueront ensuite profondément l’astronomie, Johan Kepler (1571-1630) disciple du célèbre observateur danois Tycho Brahé (1546-1601) et bien sûr Galiléo Galiléi (1564-1643) qui sera tout à la fois astronome et physicien et, en ce sens, l’ancêtre inspiré de nos modernes astrophysiciens.
Mathématicien brillant, Kepler consacrera sa vie à décrire les trajectoires planétaires et à comprendre les lois qui gouvernent leurs mouvements.
L’étude de l’orbite martienne sera au cœur de ses préoccupations. Cette planète, par sa proximité avec la Terre, par ses grandes variations de distance et donc de luminosité ainsi que par l’ampleur du phénomène de rétrogradation qui lui est associé, constitua pour Kepler et pour les autres astronomes un objet de recherche privilégié. Le problème était complexe, sa solution sera féconde.
Les travaux de Kepler sont aujourd’hui synthétisés par trois grandes règles universellement connues sous le nom de lois de Kepler. On peut les résumer ainsi :
- Les planètes parcourent des orbites de forme elliptique et le Soleil occupe non le centre mais l’un des foyers de l’ellipse.
- La ligne qui relie chaque planète au soleil balaie des aires égales en des temps égaux (loi dite " des aires ").
- Le cube du demi-grand axe de l’ellipse (noté : a) rapporté au carré du temps de révolution ( noté : t) est une constante pour toutes les planètes du système solaire (ce ratio a3/t2 est égal à 1 s’il est exprimé en unités astronomiques et en années terrestres).
La première loi remet en cause l’idée selon laquelle toutes les trajectoires des astres sont de forme circulaire. C’est une première attaque contre le dogme de la " perfection du ciel " dont le cercle constituait le symbole.
La seconde, par les travaux qu’elle a nécessités (addition d’une infinité de petites surfaces assimilées à des triangles pour déterminer la surface totale des aires balayées) constitua un premier pas vers le calcul intégral qui sera plus tard formalisé par Newton et Leibniz.
La troisième (qui est mathématiquement liée aux deux premières car l’ensemble est cohérent) permet tout simplement de mesurer le système solaire. En effet s’il existe un lien entre temps de révolution et distances au soleil, il suffit alors de mesurer les périodes des orbites pour déterminer les distances à notre étoile.
Pour que ces distances relatives puissent être transformées en distances absolues (par exemple exprimées en kilomètres), il faudra faire d’autres mesures. Pour cela on comparera (plus tard) les positions de Vénus et de Mercure lors de leurs transits (passages devant le soleil). Des variations de positions apparentes en fonction du lieu d’observation on déduira les distances.
Ces " lois " qui, cela va sans dire, s’inscrivent dans un cadre héliocentrique vont chacune bouleverser l’astronomie. Elles permettront de mieux connaître le système solaire et annonceront les avancées à venir en particulier celles de Newton.
Notons bien que les travaux de Kepler ne font que décrire les phénomènes. Ce qui les sous tend est en réalité la loi de la gravitation qui sera formalisé au début du dix-huitième siècle.
Galilée (1564-1643)
Contemporain de Kepler, Galilée était un héliocentriste convaincu, il fut l’un des premiers utilisateurs des lunettes dans un but scientifique et en construisit plusieurs.
De ses observations nous retenons la découverte des satellites de Jupiter, ceux ci, Io, Europe, Ganymède et Callisto portent aujourd’hui le nom de satellites galiléens. C’était là un premier pas montrant que tout, dans l’Univers, ne tournait pas autour de la Terre.
Ses observations de la Lune démontrèrent l’existence d’un relief sur notre satellite. C’était là aussi la mise en cause d’un autre dogme, celui de la perfection des astres qui étaient supposés être absolument sphériques. La Lune de toute évidence ne l’était pas et en ce sens, cette partie du Cosmos relevait des mêmes lois que la Terre.
Dirigeant sa lunette vers la Voie Lactée Galilée démontra que celle ci était constituée d’une infinité d’étoiles, élargissant la représentation que nous nous faisions de l’Univers.
Galilée fut également un grand physicien et un brillant expérimentateur. Il étudia avec soin la chute des corps, utilisant des pans inclinés pour ralentir le phénomène et mieux le détailler. Il jeta aussi, dit-on, différents matériaux du haut de la célèbre tour de Pise afin d’en analyser les trajectoires.
De ces expériences, il établira une relation entre distance et temps de chute (la distance parcourue durant la chute est proportionnelle au carré du temps de chute). Il prouva également que la vitesse de chute était indépendante de la nature des corps. Seule la résistance de l’air venait masquer cette identité fondamentale qui aujourd’hui encore est l’objet de tests de plus en plus pointus.
Restait à déterminer la loi générale et les équations qui gouvernaient la gravitation, c’est Newton qui allait s’en charger, mais Galilée en avait bâti le socle.
Isaac Newton (1643-1727)
Le grand savant anglais va parachever l’œuvre des ses prédécesseurs et donner une cohérence à leurs travaux en expliquant aussi bien les orbites décrites par Kepler que la chute des corps étudiée par Galilée à travers une seule et même loi, celle de la gravitation universelle.
La fameuse légende selon laquelle Newton aurait été mis sur la voie de ses découvertes en observant la chute d’une pomme illustre à merveille le processus d’unification de la physique. Newton va montrer que la trajectoire de la Lune autour de la Terre et celle de la chute de la pomme obéissent exactement à la même lois :
La Terre et le ciel suivent les mêmes règles.
Cette loi dit que deux corps s’attirent avec une force proportionnelle à leur masse et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les séparent. Une constante G, vient régler l’intensité de cette force qui s’écrit :
F = G x ( mA x mB ) / d2
- mA et mB sont les masses de deux corps A et B (en kilogrammes)
- d est distance séparant leur deux centres de gravité (en mètres)
- G, la constante de gravitation vaut : 6,7 x 10-11 N m2 kg-2
-
Avec Newton, la révolution de la Renaissance est terminée, nous entrons dans l’astronomie moderne.
L’héliocentrisme est désormais bien établi même en dehors des cercles savants mais surtout le monde est définitivement unifié, les même lois s’appliquent partout.
Par la même occasion, l’astronomie est tout aussi définitivement liée à la physique et aux mathématiques comme en attesteront les travaux de Lagrange et de Laplace. En analysant, au regard des lois de Newton, les perturbations de l’orbite d’Uranus, Le Verrier et Adams permettront la découverte de Neptune.
Au 19ème siècle, la spectroscopie ouvrira un nouveau champ de découvertes en autorisant l’étude des astres à distance (composition, température, mouvements). Là aussi Newton n’y est pas tout à fait étranger puisqu’il s’illustra en optique en décomposant la lumière solaire à travers un prisme. C’étaient les touts débuts de l’analyse spectrale.
Il faudra attendre Einstein avec la Relativité (en 1905 et 1915) pour connaître une révolution d’une telle ampleur. Cette théorie modifie profondément notre vision des réalités du monde. Les grandeurs physiques, à l’exception de la vitesse de la lumière, ne sont plus indépendantes de l’observateur. Le temps et l’espace sont désormais profondément imbriqués. Notons que la relativité générale constitue une autre description de la gravitation, description plus subtile, moins intuitive et beaucoup plus complexe mais aussi plus exacte.
La dernière révolution sera la Mécanique Quantique. Développée à partir des années 1920, elle est encore plus déroutante et plus difficile à appréhender que la relativité.
Ces deux théories servent aujourd’hui de cadre à la compréhension du Cosmos tant dans une approche globale (relativité) que dans la description des mécanismes intimes de la matière (mécanique quantique).
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