Histoire de l`astronomie

Introduction 2
Histoire de l'astronomie
L'histoire de l'astronomie, particulièrement celle de l'astronomie occidentale, et le
développement de la science moderne sont intimement liés. Plusieurs des grands
courants philosophiques qui caractérisent la pensée scientifique trouvent leur origine
dans la résolution d'un problème astronomique. La plupart des grandes cultures (les
Égyptiens, les Mayas, les Indiens ou les Chinois) se sont intéressées à l'astronomie,
mais ce sont les Grecs de l'Antiquité qui, les premiers, ont tenté d'expliquer d'une
manière logique et systématique le fonctionnement de l'Univers en utilisant des
modèles et des observations. L'astronomie moderne (de même que toutes les
sciences) trouve son origine dans la tradition grecque. Au long des prochaines pages
nous verrons comment la science et l'astronomie se sont développées à partir des
idées des premiers philosophes de la Grèce antique jusqu'à une forme plus moderne
avec Isaac Newton. Encore une fois, il n'est pas important de mémoriser toutes les
dates. Le plus important est de bien comprendre le développement des idées et des
méthodes de la science moderne.
Continuer
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Objectifs du Chapitre 2
Objectifs du chapitre 2
c Décrire l'évolution de la pensée scientifique dans son ensemble
d
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c Expliquer l'importance de la révolution copernicienne dans l'histoire
d
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c Expliquer l'importance des mathématiques dans l'évolution de la démarche scientifique
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c Dresser la liste des événements qui ont marqués l'histoire de l'astronomie
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Yannick Dupont
V2.0, été 2001
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Chapitre 2
L'astronomie primitive
Dans la plupart des civilisations anciennes, allant de l'aube de l'humanité jusqu'au
7ième siècle av. J.-C. en Grèce, l'astronomie consiste d'abord à observer, à l'oeil nu,
la voûte étoilée. La légende veut que des bergers veillant à leurs troupeaux, la nuit,
soient les premiers astronomes. Il est probable aussi que le sorcier d'une tribu ou le
grand-prêtre d'un village devint le premier astronome-astrologue.
A cette époque les observations se classent en deux grandes catégories. Les
phénomènes irréguliers comme le passage d'une comète et des météores (aussi
appelés "étoiles filantes") ou, l'apparition soudaine et temporaire d'une nouvelle
étoile (que l'on sait être aujourd'hui une nova ou une supernova). Ces
manifestations sont inquiétantes, voire même terrifiantes, pour nos ancêtres. Elles
sont le reflet des sautes d'humeur des dieux et sont souvent le présage de grands
malheurs à venir. D'un autre côté, les cieux sont rassurants puisqu'on y observe
aussi plusieurs phénomènes réguliers tels l'alternance du jour et de la nuit, le cycle
des phases lunaires, le mouvement régulier du Soleil et de la Lune sur la voûte
céleste, et le cycle des saisons. Ces mouvements réguliers servent d'ailleurs à
mesurer l'écoulement du temps et à établir les premiers calendriers.
L'astronomie est donc alors une science pratique. Le mouvement des astres sert à
prédire le changement des saisons, ce qui est important pour l'agriculture,
l'organisation de longs voyages et de campagnes militaires. On retrouve d'ailleurs
de nombreux vestiges de ces études dans la plupart des premières civilisations. En
Egypte ancienne, l'année commence lorsque l'étoile Sirius apparaît à l'aube, ce qui
est le signe que la crue du Nil est proche. Dans le nord de l'Europe, les celtes
alignent d'immenses pierres pour marquer certaines dates importantes de l'année
comme l'équinoxe du printemps (ex. les monuments mégalithiques de Stonehenge).
Les Polynésiens naviguent d'île en île en s'orientant avec les étoiles.
Même aujourd'hui, notre quotidien demeure imprégné des premières observations
de nos ancêtres. Ainsi, les divisions naturelles du calendrier sont le reflet de
l'astronomie primitive: la semaine de sept jours est liée au fait qu'on observait 7
objets brillants et mobiles dans le ciel (le Soleil, la Lune et 5 planètes), la durée du
mois correspond environ à la durée du cycle des phases lunaires, et la durée de
l'année est égale à celle du cycle des saisons.
La plupart des modèles et théories sur la formation et le fonctionnement de
l'Univers sont de nature anthropomorphique, c'est-à-dire des modèles calqués sur le
comportement et les activités humaines. Ainsi, par analogie avec la reproduction
humaine, beaucoup de ces modèles font intervenir l'accouplement entre des
divinités pour donner naissance à l'Univers. D'autres modèles, dans lesquels
l'Univers est construit par des dieux, trouvent leurs origines dans le travail créatif
des artisans. Quant au fonctionnement de l'Univers, il s'apparente à celui de la
société humaine avec son roi et sa hiérarchie militaire et politique.
Avant de parler de modèles scientifiques, il faudra franchir trois étapes importantes.
La première sera de transcender les explications à caractère mythologique; la
deuxième sera de réaliser que les mathématiques constituent un outil important
pouvant aider à la description du monde naturel; finalement, la troisième sera de
développer l'argumentation logique à partir d'axiomes considérés comme évidents.
C'est en Grèce que ces ingrédients essentiels seront combinés pour la première fois.
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Chapitre 2
Les philosophes grecs
En Grèce, au tournant du 7ième siècle av.J.-C., la plupart des penseurs partagent
l'opinion selon laquelle l'Univers est rationnel et fonctionne suivant des principes
naturels universels qu'il est possible de découvrir. A cette époque, les discussions
critiques de même que la recherche intellectuelle étaient hautement valorisées mais
on mettait davantage l'accent sur la façon d'atteindre la connaissance plutôt que sur
la connaissance elle-même. Le besoin d'obtenir des certitudes absolues permettant
de comprendre l'Univers provoqua donc une remise en question chez certains
penseurs et donna naissance à l'école de pensée des Sophistes.
Pour les Sophistes, les vérités absolues sont des mythes relatifs à l'individu. Cette
école de pensée considère qu'une certitude est une invention culturelle, les
Sophistes affirment donc qu'un individu devrait se conformer au idées dominantes
de son époque plutôt que de s'accrocher à une certitude qu'il considère absolue.
Socrate (470-399 av.J.-C.) était en désaccord avec les Sophistes et enseignait qu'il
était possible d'atteindre la vérité grâce à la collaboration avec les autres tout en
étant critique de ce qu'on appelle le "gros bon sens". Cette idée d'être sceptique afin
de mieux comprendre la nature est une des caractéristiques de la science moderne.
Platon (427-347 av.J.-C.), un disciple de Socrate, a poussé les idées de son maître
un cran plus loin. Pour Platon il existe des vérités absolues et les mathématiques en
sont la clé. Ainsi, malgré le fait qu'une affirmation à propos du monde qui nous
entoure puisse être imparfaite, relative à un individu et à son milieu, les
mathématiques sont affranchies de ce genre d'influences et donnent accès à des
certitudes absolues. Par exemple, 2+2 = 4 est toujours vrai ici ou ailleurs. La
philosophie de Platon s'articulait autour de quatre points principaux:
1) Il existe des certitudes.
2) Les mathématiques ouvrent les portes de la perception.
3) Malgré le fait que les applications physiques des mathématiques puissent
changer, les pensées demeurent éternelles puisqu'elles existent dans un autre
domaine de la conscience.
4) Les mathématiques sont des pensées pures. Elles sont donc éternelles et
accessibles à tous.
L'enseignement de Platon a forgé la croyance selon laquelle l'étude des
mathématiques est une façon de comprendre le mode de pensée du Créateur. Selon
cette croyance, la symétrie des mathématiques correspond au langage universel de
la conception et de l'harmonie dans l'Univers. Pour les disciples de Platon, cette foi
en un Univers ordonné ainsi que la puissance du raisonnement les a poussés à faire
des observations des phénomènes célestes et à leur trouver des explications. De
façon similaire, les scientifiques modernes considèrent que l'Univers possède une
structure ordonnée et qu'il est possible de la comprendre par le biais du
raisonnement.
Un des problèmes sur lesquels Platon et ses disciples se sont penchés était de
trouver une explication géométrique du mouvement apparemment désordonné des
planètes, plus particulièrement leur "étrange" mouvement rétrograde. Pour
résoudre ce problème, ils s'appuyaient, comme la plupart des penseurs grecs de
l'époque, sur un paradigme énoncé par Pythagore (~569 - 457 av.J.-C.), un
philosophe qui vécut peu avant Socrate. Un paradigme résulte d'un consensus
général sur le fonctionnement du monde qui nous entoure. Il s'agit d'une
construction mentale qui en facilite l'interprétation. Le Paradigme de Pythagore
comportait les trois éléments suivants à propos du mouvement des corps célestes:
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Chapitre 2
1) Les planètes, le Soleil, la Lune et les étoiles se déplacent sur des orbites
parfaitement circulaires.
2) La vitesse des planètes, du Soleil, de la Lune et des étoiles est parfaitement
uniforme sur leur orbite respective.
3) La Terre est située exactement au centre du mouvement des corps célestes.
Donc pour Platon et ses élèves, quelque soit le scénario qu'ils concoctaient, la Terre
devait toujours être immobile au centre des orbites planétaires. Seul un élève,
Aristarque (310-230 av J.-C.), conçut un modèle où le Soleil était situé au centre.
Son modèle fut rejeté car il allait à l'encontre des observations "évidentes" qui
montraient que la Terre est immobile. Parmi ces observations on retrouve:
1) La Terre ne fait pas partie du monde des corps célestes. Nous savons aujourd'hui
que la Terre n'est qu'une des planètes du système solaire en orbite autour d'une
étoile ordinaire, elle-même située en périphérie d'une grande galaxie. Cette
conception moderne nous semble banale, mais elle n'a été acceptée qu'à partir du
moment où les télescopes ont élargi notre vision du ciel.
2) Les corps célestes sont des points lumineux brillants tandis que la Terre n'est
qu'une immense boule de roche et d'eau non-lumineuse. L'astronomie moderne
nous révèle que les étoiles sont des objets semblables à notre Soleil et situées à de
grandes distances de nous. Les planètes sont des objets comme la Terre qui
réfléchissent la lumière du Soleil.
3) La voûte céleste montre peu de changements tandis que la Terre est un endroit
de changements continuels, de corruption et de destruction. Nous savons
maintenant que les étoiles naissent et meurent (parfois de façon spectaculaire) mais
sur des échelles de temps beaucoup plus longues que la durée moyenne d'une vie
humaine. De plus, les étoiles se déplacent les unes par rapport aux autres, mais les
distances sont si grandes qu'il faut des centaines d'années pour que les
changements soient apparents à l'oeil nu.
4) Finalement, nos sens nous indiquent que la Terre semble stationnaire. L'air, les
nuages, les oiseaux et toutes choses qui ne sont pas en contact avec le sol ne sont
pas projetés dans l'espace comme ils le devraient si la Terre était en mouvement.
Les concepts de force et d'inertie n'existaient pas pour les Grecs de l'Antiquité. Il
faudra attendre près de 2000 ans après Platon pour que Galilée et Newton jettent
les bases de la physique moderne.
Pour Platon et plusieurs de ses disciples, puisqu'on peut concevoir un nombre infini
de modèles et de théories à partir des observations (qui demeurent imprécises), il
devient impossible de connaître empiriquement la nature réelle de l'Univers. Ils
adoptent donc un point de vue instrumental, c'est à dire que les diverses théories
sont des outils commodes mais ne correspondent pas à la réalité observée. Leurs
modèles sont plutôt basés sur des principes d'esthétique que sur des observations
précises. Ils utilisent le cercle et la sphère considérés comme les formes les plus
pures.
Aristote (384-322 av.J.-C.), un des disciples de Platon, est probablement celui qui
influença le plus la majorité des domaines de la connaissance dans l'histoire de
l'humanité. Pour celui-ci, les mathématiques ne sont pas qu'un outil qui permette
une description du monde qui nous entoure, au contraire, elles caractérisent
l'Univers tel qu'il est. Donc, plutôt qu'une infinité de modèles, Aristote adopte un
point de vue réaliste et considère qu'un seul modèle doit être correct. Le modèle
qu'il choisi est celui développé par Eudoxe (405-355 av.J.-C.) un autre disciple de
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Chapitre 2
Platon. Dans ce modèle géocentrique (voir la Figure 2.1), le Soleil, la Lune, les
planètes et les étoiles sont situés sur des sphères cristallines. Chaque objet possède
une sphère qui lui est propre. Les étoiles sont sur la sphère la plus grande qui
englobe tout le reste.
Figure 2.1: Le modèle d'Aristote.
Pour Aristote, ce modèle est en accord avec le Paradigme de Pythagore des
mouvements uniformes et circulaires, ainsi qu'avec sa théorie du mouvement qui
explique que les objets se déplacent "naturellement" vers le centre de la Terre, et
que la seule façon pour un objet d'en dévier est d'y appliquer une force. Ainsi, une
pierre qui est lancée à l'horizontale doit continuellement recevoir une poussée pour
continuer sa trajectoire horizontale sinon elle tombe au sol. Encore ici, il faudra près
de 2000 ans avant que Galilée ne conteste cette affirmation, et démontre
expérimentalement qu'un objet en mouvement de façon uniforme ne change pas de
trajectoire à moins qu'une force ne l'y contraigne.
Au fil du temps, d'autres modèles ont été développés afin d'expliquer correctement
le mouvement des planètes. Un de ces modèles utilisait des épicycles - de petits
cercles attachés sur un plus grand cercle centré sur la Terre. Une planète sur un
épicycle effectuait un petit mouvement circulaire tout en se déplaçant autour de la
Terre. L'animation suivante montre que, si les déplacements de la planète et du
centre de l'épicycle se font dans le sens anti-horaire, alors la distance planète-Terre
change et lorsque celle-ci effectue son mouvement rétrograde, elle est plus près de
la Terre et semble plus brillante, en accord avec les observations.
Animation 2.1: Animation sur les épicyles I
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Chapitre 2
Ptolémée (85-165 A.D.), le dernier des grands astronomes de l'Antiquité, a tenté
de solutionner définitivement le problème des mouvements planétaires. Il a combiné
les meilleurs éléments des modèles géocentriques faisant appel aux épicycles, avec
les observations les plus précises de l'époque. Son modèle, illustré aux Figures 2.2
et 2.3 et publié dans un ouvrage de 13 volumes intitulé l'Almageste, fit authorité
pendant près de 1500 ans. Les améliorations incluaient un décentrement du
déférent de chaque planète (la Terre n'était plus située exactement au centre du
système) ainsi qu'un déplacement uniforme de chaque épicycle par rapport à un
équant (et non la Terre).
Figure 2.2: Le modèle des épicycles.
Animation 2.2: Animation sur les épicyles II
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Figure 2.3: Modèle géocentrique de Ptolémée
Les raffinements de son modèle étaient en désaccord avec celui d'Aristote et le Paradigme de
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Pythagore. Ainsi, une planète en mouvement sur son épicycle traversait régulièrement la sphère
cristalline associée à celle-ci et, de plus, son mouvement n'était pas exactement centré sur la
Terre. Pour réconcilier son modèle avec les vues de l'époque, Ptolémée adopta un point de vue
instrumentaliste (semblable à celui de Platon et ses disciples), c'est à dire que son modèle
pouvait servir à prévoir la position des planètes mais que le modèle d'Aristote représentait la
réalité. Cette contradiction entre la réalité et la description utilitaire du modèle de Ptolémée
était tout à fait en accord avec le mode de pensée de l'époque. De nos jours, il est évident
qu'un modèle doive correspondre le plus possible à la réalité. D'une certaine façon, la science
moderne rejoint le point de vue réaliste d'Aristote!
La Renaissance
Durant les 14 siècles qui s'écoulent après la diffusion du modèle de Ptolémée, les
idées progressent très peu en astronomie. Les Arabes préservent et propagent les
idées de Ptolémée et d'Aristote de même que les idéaux grecs de logique et de
raisonnement. Ils produisent des tables pour l'astrologie, qui bénéficient de
l'introduction des chiffres arabes et de l'invention du zéro, ainsi que d'observations
faites avec des instruments plus précis. On doit aussi aux Arabes, en des formes
modifiées, de nombreux noms d'étoiles (Aldébaran, Altaïr, Bételgeuse, Rigel, Véga,
...) et des mots tels que zénith, azimut, nadir et almanac.
Toutefois, c'est en Europe, au début du 16ième siècle, que de nouvelles explications
du mouvement des planètes verront le jour. A la fin du Moyen-Age, le paradigme
suivant est accepté par la majorité des gens scolarisés: l'Homme est au centre de la
Création, la Terre est le centre de l'Univers et nous avons la faculté d'en
comprendre l'harmonie. La philosophie grecque, redécouverte grâce aux échanges
avec les nations islamiques, se propage partout en Europe. De plus, une foi
inébranlable dans la capacité de comprendre les phénomènes physiques par le biais
du raisonnement amorce une nouvelle période dans l'histoire: la Renaissance.
Les penseurs de cette époque (de même que ceux d'aujourd'hui) s'appuient
désormais sur un principe simple pour choisir entre deux ou plusieurs modèles
pouvant expliquer les mêmes observations: le principe du Rasoir d'Occam. Ce
principe, énoncé par le philosophe anglais William d'Occam (1284-1347) au milieu
du 14ième siècle, propose que: le meilleur modèle est celui qui demeure le plus
simple et qui nécessite le moins d'hypothèses et/ou de modifications pour expliquer
un ensemble d'observations. C'est ce principe qui a poussé certains penseurs à
remettre en question le modèle géocentrique de Ptolémée au début de la
Renaissance.
L'Univers héliocentrique de Nicolas Copernic
L'un d'entre eux, Nicolas Copernic (1474-1543 A.D.), trouvait plusieurs défauts au
modèle de Ptolémée. Il croyait que tout modèle décrivant le mouvement des
planètes devait tenir compte des observations et n'utiliser que des déplacements
circulaires uniformes. Ce n'était pas le cas du système de Ptolémée. Au fil du temps,
depuis l'époque de Ptolémée, d'autres astronomes avaient rendu la description
ptolémaïque plus complexe en y ajoutant des sous-épicycles afin que l'accord avec
les observations soit meilleur. Le modèle était donc devenu très compliqué et
manquait d'élégance. Selon Copernic, Dieu avait sûrement créé un Univers plus
simple et élégant!
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La pensée de Copernic était fortement influencée par la philosophie néoplatonicienne (un mélange incluant des éléments de la philosophie de Platon et du
christianisme élaboré par Plotin [205-270 A.D.]). Ceci l'ammena à considérer que le
Soleil était une représentation matérielle de Dieu - Dieu étant le principe qui
soutient la vie tout comme le Soleil donne chaleur et lumière. Copernic a donc
adopté le modèle héliocentrique d'Aristarque parce qu'il croyait que Dieu devait
être au centre de l'Univers. Ce modèle avait la même précision que celui de
Ptolémée mais il était nettement plus simple et élégant. Le modèle de Copernic,
publié dans son livre De Revolutionibus,
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Chapitre 2
conservait la notion aristotélicienne du mouvement parfaitement circulaire. De plus,
à l'occasion, il faisait appel à de petits épicycles pour des ajustements mineurs.
Grâce à son modèle, et en utilisant la trigonométrie, il a mesuré les distances entre
les planètes et le Soleil en terme de l'unité astronomique (la distance moyenne
entre la Terre et le Soleil), même s'il n'en connaissait pas la valeur numérique. Il a
aussi découvert que les planètes éloignées du Soleil se déplacent plus lentement, et
que ceci explique simplement pourquoi les planètes effectuent un mouvement
rétrograde vu de la Terre (voir Chapitre 8).
Copernic était convaincu que ce modèle représentait la réalité. Au contraire, la
plupart des penseurs de son époque considérait plutôt que son modèle était un outil
plus commode pour prévoir la position des planètes. Ils se basaient sur l'argument
selon lequel si la Terre est en mouvement autour du Soleil, alors les positions
relatives des étoiles devraient changer en fonction de la position de la Terre sur son
orbite. C'est ce qu'on appelle l'objection d'Aristote illustrée à la Figure 2.4:
Figure 2.4: La distance angulaire entre les étoiles et l'objection d'Aristote
Toutefois, on n'observait pas de déplacement angulaire des étoiles. Si ce
déplacement était petit (et c'est le cas, il ne peut être observé à l'oeil nu) alors les
étoiles devraient être situées très loin. Les contemporains de Copernic considéraient
que Dieu n'aurait jamais gaspillé autant d'espace! Ils affirmaient qu'il n'y avait
aucun déplacement angulaire des étoiles et donc que la Terre était immobile.
Les observations de Tycho Brahe
Tycho Brahe (1546-1601 A.D.), contrairement à Copernic, n'était pas néoplatonicien, il croyait que le Soleil, la Lune et les planètes tournaient autour de la
Terre. Il a introduit un modèle hybride dans lequel toutes les planètes à l'exception
de la Terre tournent autour du Soleil et ce dernier tourne autour de la Terre.
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Mathématiquement, le modèle de Tycho Brahe était équivalent à celui de Copernic
mais il n'allait pas à l'encontre des Saintes Écritures ni du sens commun.
Tycho Brahe avait calculé que si la Terre était en mouvement alors les étoiles
devraient être à plus de 700 fois la distance entre Saturne et le Soleil. Il était
convaincu que dans un Univers harmonieux et élégant, Dieu n'aurait pas fait un tel
gaspillage d'espace. Il fallait donc que la Terre soit immobile. De nos jours, nous
savons que les étoiles les plus près sont situées à plus de 28,500 fois la distance
entre Saturne et le Soleil.
Le modèle de Tycho Brahe n'eut apparemment que peu d'impact sur ses
contemporains. Par contre, c'est par la très grande qualité de ses observations que
Tycho Brahe allait jouer un rôle de premier plan dans la détermination du véritable
mouvement des planètes. Grâce à l'appui du roi du Danemark qui finança la
construction de l'observatoire d'Uraniborg, Tycho Brahe accumule pendant plus de
20 ans des mesures très précises sur la position et le mouvement des planètes.
Obtenues sans l'aide d'un télescope, ses observations des positions planétaires
étaient au moins dix fois plus précises que celles des autres observateurs.
Vers la fin de sa vie, suite à des disputes avec ses bienfaiteurs, Tycho Brahe doit
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s'exiler à Prague. C'est là qu'il fait la rencontre d'un jeune et brillant mathématicien
du nom de Johannes Kepler qu'il prend à son service afin d'analyser ses
observations.
L'affrontement avec l'Église
Au 16ième siècle la structure hiérarchique de l'autorité ecclésiastique était
inextricablement liée à la cosmologie géocentrique. L'ascension vers le haut
signifiait l'atteinte d'une plus grande perfection et d'un plus grand contrôle. Dieu et
le Ciel se trouvaient au-delà de la sphère céleste. On définissait toute une série de
plans d'existence et de contrôle à partir d'un niveau parfait au sommet, jusqu'à un
niveau imparfait sur la Terre au centre. Dieu déléguait son pouvoir aux anges qui
contrôlaient les mouvements planétaires et les affaires terrestres. Les plantes et les
animaux étaient au service de l'homme, et l'homme au service de Dieu à travers la
hiérarchie ecclésiastique de l'Église.
Le philosophe italien Giordano Bruno (1548-1600 A.D.) a repris le modèle proposé
par Démocrite (460-370 av.J.-C.) (un contemprain de Socrate) dans lequel il
affirme que le Soleil n'est qu'une étoile parmi un nombre infini. D'après lui, l'infinité
de la sphère céleste était un témoignage à la grandeur de Dieu. Giordano Bruno
croyait en un Univers héliocentrique. Il croyait aussi que Dieu avait donné à chacun
des hommes la même sagesse intérieure. La hiérarchie dominant-dominé n'avait
donc aucune raison d'exister. Son modèle avait d'importantes ramifications
politiques et menaçait l'autorité de l'Église. Il fût brûlé vif sur le campo dei Fiori à
Rome.
Galilée
L'invention du télescope remonte assurément à la fin du 16ième siècle dans le nord
de l'Europe (Angleterre et Pays-Bas), et probablement même avant cette époque.
C'est avant tout un instrument qui sert pour la navigation et les batailles navales.
L'astronome et physicien Galileo Galilei (1564-1642 A.D.) est, à notre
connaissance, le premier à utiliser un télescope à des fins astronomiques à partir de
1609. Cet instrument lui confère un avantage marqué sur ses contemporains. Ainsi:
1) Le pouvoir collecteur de son télescope est supérieur à celui de l'oeil nu, il
découvre de nombreuses étoiles moins lumineuses et jamais observées auparavant.
Ceci est en accord avec l'idée d'un nombre infini d'étoiles de Giordano Bruno.
2) Le grossissement et la meilleure résolution angulaire de son télescope lui
permettent d'observer des cratères et des montagnes sur la Lune ainsi que des
taches sur le Soleil. La Terre n'est donc plus le seul endroit imparfait et changeant.
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Figure 2.5: Croquis de la surface lunaire et de celle du Soleil selon Galilée
3) Il découvre quatre lunes en orbite autour de Jupiter.
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Figure 2.6: Position relative de quatre satellites joviens, selon Galilée
Ces quatres lunes (Io, Europa, Ganymède et Callisto) sont aussi connues sous le
nom de satellites galiléens en son honneur. Pour Galilée, Jupiter représente une
imitation réduite du système solaire. Puisque ces lunes tournent autour de Jupiter et
non de la Terre, peut-être que d'autres objets, incluant les planètes, ne tournent
pas autour de la Terre.
4) Il découvre aussi que l'aspect de la planète Vénus change de façon continue et
passe par un cycle de phases complet, semblable à celui de la Lune. Il voit, entre
autre, une phase pleine, où toute la surface est éclairée. L'observation de cette
phase était impossible dans le système de Ptolémée puisque cette planète s'y
trouvait toujours entre la Terre et le Soleil, jamais derrière celui-ci. Par contre, dans
le système héliocentrique de Copernic, cette phase est tout à fait possible car Vénus
peut se trouver de l'autre côté du Soleil par rapport à la Terre.
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Pour Galilée, ces observations montrent clairement que le modèle héliocentrique est
davantage qu'un outil commode pour le calcul, il correspond à la réalité! Cette
démonstration devient une arme puissante contre la structure hiérarchique de
l'Église du 17ième siècle.
Outre sa contribution astronomique, Galilée a aussi fait progresser la compréhension
du mouvement des objets à la surface de la Terre. A l'aide d'expériences, il a étudié
le déplacement des objets dans diverses circonstances. Il a ainsi découvert que la
description du mouvement selon Aristote était fausse. Les observations de Galilée
étaient en opposition directe avec la physique d'Aristote. Ce dernier affirmait que
pour qu'un objet se déplace, même à vitesse constante, il fallait toujours qu'une
force y soit appliquée. Aristote croyait aussi que les objets tombent à vitesse
constante et que les plus lourds tombent toujours plus rapidement que les plus
légers. Galilée, au contraire, a montré qu'une force est nécessaire seulement pour
modifier le mouvement d'un objet; aucune force n'est requise pour qu'un objet
maintienne une vitesse de déplacement constante. Il a aussi découvert que les
objets tombent vers le sol en accélérant, et que cette accélération est la même pour
tous les objets quelle que soit leur taille ou leur poids si on néglige la friction de
l'air.
On considère Galilée comme le père de la science moderne parce que ses idées
n'étaient pas seulement basées sur le raisonnement mais aussi sur
l'expérimentation. Il s'agit d'un changement révolutionnaire pour la science car
l'expérimentation devient un ingrédient essentiel de la découverte des lois de la
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nature.
Ses arguments en faveur d'un Univers héliocentrique, ainsi que sa façon critique
d'aborder la description des phénomènes naturels par le biais de l'observation, le
plaçaient en opposition directe avec la vision officielle de l'Église. La lutte entre
Galilée et l'Église n'était pas une lutte entre la science et la religion mais, plutôt, une
bataille entre deux façons d'accéder à la Connaissance. Le but de Galilée était
d'améliorer l'Église en donnant une meilleure compréhension de la façon dont Dieu
avait réellement conçu le monde.
Pour en savoir plus:
http://es.rice.edu/ES/humsoc/Galileo
La mécanique céleste
Kepler et les lois du mouvement planétaire
Le mathématicien Johannes Kepler (1571-1630 A.D.), forcé de s'exiler à Prague
pour des raisons religieuses, est engagé par Tycho Brahe pour travailler sur le
modèle géocentrique de ce dernier. Kepler était un homme très religieux et
individualiste. Il était en désaccord avec l'Église catholique romaine et avec l'Église
luthérienne. Il avait plutôt une foi mystique dans la doctrine néo-platonicienne. Il
désirait avoir accès aux meilleures données astronomiques disponibles, car il croyait
que les théories mathématiques les plus harmonieuses et élégantes devaient
correspondre à la réalité. Kepler était motivé par sa foi en Dieu. Il voulait découvrir
Son plan de l'Univers. D'une certaine façon, il partageait la vision grecque que les
mathématiques sont la langue à travers laquelle Dieu s'exprime. Il savait que les
modèles antérieurs manquaient de précision, donc que personne n'avait encore
déchiffré correctement la vision de Dieu.
Puisque, selon Platon, il devait exister un nombre infini de modèles possibles, Kepler
devait en choisir un comme point de départ. Bien qu'il était à l'emploi de Tycho
Brahe pour travailler sur son modèle géocentrique, Kepler ne croyait n'y en celui-ci,
ni en celui de Ptolémée (en fait, d'après lui, le modèle de Ptolémée était une horreur
mathématique!). Sa foi néo-platonicienne l'amena à choisir le modèle héliocentrique
de Copernic au détriment de celui de son employeur.
Pendant plusieurs années, Kepler tenta d'améliorer le modèle copernicien sans
succès. Finalement, il finit par se convaincre que seul un changement
révolutionnaire pourrait lui permettre de réconcilier le modèle et les observations:
Dieu devait avoir choisi une autre forme que le cercle pour décrire les orbites des
planètes. Ceci était en opposition directe avec le Paradigme de Pythagore (vieux de
2000 ans) selon lequel le cercle était une forme parfaite. La solution était d'utiliser
des ellipses pour décrire le mouvement des planètes autour du Soleil. Kepler, luimême, eut beaucoup de difficulté à admettre que les orbites planétaires n'étaient
pas circulaires. Même ses contemporains, comme Galilée, étaient en désaccord avec
lui.
La première loi du mouvement planétaire de Kepler s'exprime donc ainsi:
l'orbite d'une planète est une ellipse et le Soleil occupe un des foyers de l'ellipse
(voir Chapitre 8).
Une ellipse est un cercle aplati, caractérisée par un paramètre qu'on appelle l'
excentricité. Un cercle a une excentricité nulle, et une ligne droite une excentricité
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égale à un. Dans le cas des planètes, l'excentricité de leur orbite respective est très
petite, donc les orbites sont presque circulaires. C'est la raison pour laquelle les
astronomes avant Kepler étaient convaincus que les orbites étaient des cercles
parfaits. La différence est si petite qu'il fallait des observations d'une grande
précision pour qu'on puisse la déceler. La découverte de Kepler est un tribut à
l'excellent travail observationnel de Tycho Brahe.
Outre la description de la forme des orbites planétaires, Kepler remarqua aussi que
la vitesse de déplacement d'une planète sur son orbite devait changer. Ainsi,
lorsqu'une planète est plus près du Soleil, elle se déplace plus rapidement que
lorsqu'elle est à son point le plus éloigné. C'était la seconde faille dans le Paradigme
de Pythagore!
La deuxième loi de Kepler est donc: la ligne imaginaire reliant le Soleil à une
planète balaie des surfaces égales en des temps égaux (voir Chapitre 8).
Finalement, après plusieurs années de calculs, Kepler découvrit une relation
mathématique élégante entre la distance à laquelle se trouve une planète du Soleil
et le temps qu'elle met pour compléter une orbite autour de celui-ci.
La troisième loi de Kepler, aussi appelée Loi Harmonique, s'énonce comme suit:
le carré de la période orbitale d'une planète est proportionnel au cube de la distance
moyenne entre celle-ci et le Soleil (voir Chapitre 8).
Ces relations mathématiques simples fournissaient une explication à l'ensemble des
observations du mouvement des planètes accumulées depuis des siècles. Kepler
était ainsi convaincu de la véracité du modèle héliocentrique. De plus, comme
Galilée allait le confirmer avec le mouvement des lunes de Jupiter, les Lois de Kepler
sont générales puisqu'elles sont valides dans le cas de tout objet en orbite autour
d'un autre.
La loi de gravité de Newton
Les découvertes de la forme elliptique des orbites des planètes et des variations de
vitesse de ces dernières, par Kepler, ont fait en sorte qu'il devenait impossible de
soutenir l'idée que le mouvement planétaire est un mouvement naturel ne requérant
aucune explication. Plusieurs penseurs s'interrogeaient sur la cause de ce
mouvement. De plus, d'autres questions similaires demeuraient sans réponse. Ainsi:
1) Qu'est-ce qui maintient les planètes sur leur orbite elliptique?
2) Sur Terre, qu'est-ce qui ramène les objets au sol lorsqu'ils sont lancés dans les
airs?
3) Pourquoi sommes-nous retenus au sol alors que la Terre tourne sur elle-même?
4) Pourquoi la Lune ne tombe-t-elle pas sur la Terre comme le ferait une pomme se
détachant d'un arbre?
Isaac Newton (1643-1727 A.D.), un des hommes de science les plus brillants qui
ait vécu, a suggéré qu'une force fondamentale, la gravité, agissait entre les objets
et était la cause du mouvement des planètes et de la Lune. Pour en arriver à cette
conclusion, Newton avait auparavant énoncé trois lois du mouvement des corps en
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se basant, entre autre, sur les travaux de Galilée. Ces trois lois sont:
1) Tous corps persévère dans l'état de repos ou de mouvement uniforme dans
lequel il se trouve, à moins qu'une force agisse sur lui et le contraigne à changer
d'état.
2) L'accélération (le changement du vecteur vitesse en fonction du temps) subite
par un corps est proportionnelle à la force appliquée sur ce corps et inversement
proportionnelle à la masse de celui-ci.
3) L'action est toujours égale et opposée à la réaction.
En combinant ses lois avec celles de Kepler (particulièrement la Loi Harmonique),
Newton en arrive à formuler une loi plus générale du mouvement des planètes, la
loi de gravitation. Cette loi explique que deux objets s'attirent mutuellement avec
une force qui est proportionnelle au produit de leur masse et inversement
proportionnelle au carré de la distance qui les sépare (voir Chapitre 4 pour une
version analytique).
L'intuition de Newton fût d'affirmer que cette loi de gravitation s'applique quels que
soient les objets en cause, dans l'espace comme sur la Terre. Il s'agit d'une loi
universelle. Il put démontrer qu'une seule force (décrite par la loi de gravitation)
arrivait à expliquer le mouvement des planètes et de la Lune dans l'espace de
même que la trajectoire des corps à la surface de la Terre. Newton parvint donc à
unifier la physique terrestre et la physique céleste. La Terre n'était plus un endroit
particulier, différent du reste de l'Univers.
La loi de gravitation universelle de Newton représente une remarquable application
du principe du Rasoir d'Occam. Ainsi, de Ptolémée jusqu'à Newton, les théories du
mouvement des planètes sont devenues de plus en plus simples et générales. Au
début de la Renaissance, le modèle de Ptolémée était devenu très compliqué jusqu'à
ce que Copernic le simplifie en réduisant le nombre de mouvements circulaires
requis à près de 50. Kepler a poursuivi en élaborant une théorie du mouvement
planétaire qui ne faisait appel qu'à trois lois. Newton a unifié ces lois en une seule
loi de la gravitation. Cette dernière est si simple et si élégante qu'elle explique non
seulement les mouvements des planètes dans le système solaire, mais aussi les
trajectoires d'autres corps célestes comme celles des satellites naturels autour des
planètes et les orbites fortement elliptiques des comètes autour du Soleil. De plus,
cette même loi décrit correctement la physique de nombreux phénomènes se
produisant à la surface de la Terre tels la chute des corps, la trajectoire balistique
d'objets lancés, ou celui des marées.
On peut s'interroger sur la nature même de la gravité. Newton a compris comment
la force gravitationnelle affecte la trajectoire des objets mais pas pourquoi elle agit
ainsi. Il connaissait les limites de sa théorie et il a donc décidé d'adopter une point
de vue instrumentaliste: le rôle d'un scientifique est de décrire correctement et
précisément les observations à l'aide des mathématiques. Il explique comment mais
pas pourquoi. Seuls les événements qu'on peut vérifier par le biais d'expériences
sont utiles en science. La question du pourquoi demeure toujours intrigante, et
quelques chercheurs y consacrent du temps, mais la plupart partagent le point de
vue instrumentaliste de Newton.
A la suite des travaux de Newton, il n'y a plus d'hiérarchie téléologique dans
l'Univers (c'est à dire un Univers conçu par Dieu dans un but précis où l'Homme
joue un rôle crucial). L'Univers devient une mécanique parfaite, s'appuyant sur les
mathématiques, et mise en mouvement par Dieu il y a très longtemps. Dieu devient
le point de référence absolu du temps et de l'espace, la mécanique newtonienne ne
nécessitant qu'un référentiel de coordonnées absolu pour fonctionner (selon
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Newton, celà permettait aussi de garder Dieu occupé à quelque chose).
Le succès de la théorie newtonnienne a provoqué un changement radical dans la
perception du monde qui nous entoure. La réalité a été entièrement réduite à celle
des objets matériels. Le monde des idées et des impressions est devenu secondaire.
Le modèle newtonien a diminué le rôle de Dieu et de la religion et la science est
devenue le témoin d'un Univers mécanique.
Les événements marquants
L'histoire de l'astronomie ne s'arrête évidemment pas avec les travaux de Newton.
Par contre, c'est à partir de ce moment que le rythme des découvertes va
s'accélérer. Il serait inutile, et assurément très difficile, de dresser une liste de
toutes ces découvertes. Nous avons donc réuni, sous forme d'un palmarès, dix
jalons importants de l'astronomie qui ont élargi notre perception de l'Univers.
1 - Les objets célestes ne sont pas
Immuables (observation d'une supernova; Tycho Brahe - 1572)
Parfaits (montagnes lunaires et taches solaires; Galilée, Harriot - 1610)
Soumis à des lois différentes (loi de la gravitation universelle; Newton 1687)
Tous découverts (découverte de la planète Uranus; Herschel - 1781)
Composés d'une matière exotique (analyse spectroscopique; Bunsen &
Kirchhoff - 1858)
2 - Plusieurs phénomènes sont prévisibles
Éclipses lunaires et solaires
Retour des comètes périodiques (comète Halley; Halley - 1705)
Découverte de Neptune ( Adams & Leverrier - 1845)
3 - Nous ne sommes pas
Au centre du système solaire (Copernic - 1543)
Au centre de notre galaxie (Shapley - 1920)
Au centre de l'Univers (Digges - 1576, Einstein - 1915)
4 - Il existe
D'autres galaxies (Hubble - 1924)
D'autres systèmes solaires (Mayor, Queloz, Marcy & Butler - 1995)
D'autres Univers(?) (Guth, Linde, Hawking & Rees - 1990/2000)
5 - L'univers évolue
Il est en expansion (Hubble - 1929)
Il a débuté par une phase chaude et dense (Gamow, Alpher & Herman 1948, Penzias, & Wilson, - 1965)
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6 - La lumière voyage à une vitesse finie
Éclipses des lunes de Jupiter (Roemer - 1675)
Aberration de la lumière des étoiles (Bradley - 1729).
Donc, regarder loin c'est regarder dans le passé.
7 - La représentation de l'Univers et de sa dimension a évolué:
Distance Terre-Soleil ≈ 1079 rayons terrestres (Kepler - 1600)
Distance Terre-étoiles 10 fois plus grande (Kepler - 1600)
Distance Terre-Soleil≈ 75 000 000 km (Cassini & Flamsteed - 1672)
Distance Soleil-étoiles ≈ 10 000 à 100 000 fois plus grande (Huygens &
Newton 1650/1700)
Distance Soleil-étoiles > 200 000 unités astronomiques (Struve, Bessell &
Henderson - 1838)
Distance des autres galaxies est 300 000 à 3 000 000 années-lumière
(Hubble - 1925)
8 - Les objets célestes naissent et meurent
Loi de conservation de l'énergie (Kelvin & Helmholtz - 1850)
Évolution stellaire (Russell - 1910)
Source d'énergie nucléaire (Eddington & Bethe - 1940)
évolution des galaxies (Tinsley - 1967)
9 - Développement du concept de "profondeur du temps"
Échelle astronomique
Échelle biologique
Échelle sociologique
10 -La multiplication des fenêtres astronomiques (visible, infrarouge, radio,
ultraviolet, etc.; 1930/2000) montre différents aspects de l'Univers
Pour en savoir plus:
http://www.hao.ucar.edu/public/education/education.html#history
Est un excellent site sur l'histoire des sciences (anglais)
http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Indexes/Full_Alph.html
Base de données sur tous les scientifiques du monde, toutes époques confondues
(anglais)
Yannick Dupont
V2.0, été 2001
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