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Archéoastronomie

Johannus Kepler. Doc U.Ohio/Pogge

De la causalité à l'indéterminisme (V)

Du temps de l'Inquisition, les quelques hommes de sciences, mathématiciens, physiciens, médecins et autres astrologues catholiques qui s'intéressaient aux phénomènes célestes devaient bien veiller à respecter les préceptes de Rome au risque de subir la Question s'ils essayaient de revendiquer un système du monde différent de celui enseigné par Aristote.

Après avoir longuement accepté la pensée aristotélicienne, les premiers expérimentateurs du XVIe et XVIIe siècle ont fini par tourner en ridicule les prémisses et les tautologies des disciples d'Aristote.

Les lois de Kepler

Un pas décisif fut franchi au XVIIe siècle par Johannus Kepler en Allemagne, un mathématicien de renom, le père fondateur de l'astronomie moderne.

Protestant de confession et donc peu concerné par les recommandations de Rome qui se fourvoyait dans une impasse, Kepler ne chercha pas à "sauver les phénomènes" en maintenant coûte que coûte le cercle et la théorie géocentrique pour assurer l'harmonie du monde.

Ses lois décrivaient le mouvement des planètes autour du Soleil, en précisant notamment que les orbites planétaires étaient des ellipses[10] dont le Soleil occupait l'un des foyers. A partir de 1609, l'ellipse a remplacé le cercle en astronomie.

Par l'étude systématique de la planète Mars, Kepler donna empiriquement les lois qui portent son nom et qui nous permettent au XXIe siècle d'explorer le système solaire ou d'atteindre la Lune.

A voir : Le modèle hélicoïdal du système solaire, Nassim Haramein

Planetary Orbit Simulator (Lois de Kepler), UNL

D'autres applets sont disponibles sur le site de l'Université de Nebraska-Lincoln

A consulter : Les lois de Kepler (PDF), U.Lyon

Si le cercle est la seule orbite fermée avec l'ellipse, pourquoi les planètes et les satellites orbitent-ils sur des orbites elliptiques et non pas circulaires ? En 1609, l'astronome allemand Johannus Kepler démontra mathématiquement que les planètes orbitaient autour du Soleil sur des ellipses. Pourquoi pas un cercle ? La trajectoire des planètes et des satellites seraient un cercle s'ils se déplaçaient de façon rigoureusement orthogonale par rapport à l'axe planète-Soleil ou planète-satellite sans subir la moindre perturbation. Or tous les corps célestes sont pratiquement en interactions mutuelles les uns avec les autres de façon plus ou moins prononcée, les faisant dévier de leur trajectoire. Les trajectoires des planètes et des satellites sont des coniques caractérisées par le fait que la force d'attraction est inversement proportionnelle au carré de la distance. On fait donc référence à l'ellipse par abus de langage, en faisant en réalité une grossière approximation car en toute rigueur aucune trajectoire planétaire n'est vraiment elliptique du fait qu'elle subit en permanence des perturbations orbitales. A droite, le modèle hélicoïdal du système solaire (voir vidéo ci-dessus). Ci-dessous, les orbites des principaux astres du système solaire vus sous trois angles différents. Chaque image couvre environ 50 UA. Document Dario Izza/ESA.

La lunette de Galilée

A la même époque, Galilée tourna son "tube optique" vers le ciel et inventa la lunette astronomique. Elle grossissait 30 fois. Il améliora la définition du mouvement des corps dans l'espace, développant le concept d'inertie. Cette notion lui permit d'expliquer le mouvement d'une masse dans le champ de pesanteur. Bien qu'adepte de la philosophie naturelle d'Aristote, il considéra que les corps n'étaient pas à l'état de repos naturellement.

A ses yeux, le repos n'était pas la finalité du mouvement. Les corps n'étaient au repos que par rapport à d'autres corps animés d'une même vitesse.

Mais Galilée ne pouvait pas expliquer la raison fondamentale du mouvement des corps et du déplacement relatif des objets. Il expliquait les changements de positions comme étant le résultat d'une cause "efficiente", idée fidèle à l'école d'Aristote.

En observant les phases de Vénus et les autres planètes Galilée parvint malgré tout à confirmer le système héliocentrique de Copernic. Il découvrit les taches solaires, les satellites de Jupiter, le relief de la Lune et le fait que la Voie Lactée était constituée de myriades d'étoiles. Mais comme chacun le sait, ses découvertes s'opposaient à la doctrine de l'Eglise et conduisirent Galilée devant l’Inquisition...[11]

Dans son Paradis perdu, John Milton[12] qui vécu à l'époque de Galilée, traduisit l'impression que tout observateur ressent lorsqu'il observe le ciel pour la première fois à travers un télescope : "Devant leurs yeux apparaissent soudain les secrets du vieil Abîme; un océan sombre, sans bornes, sans dimensions, où la longueur, la largeur et la profondeur, le temps et l'espace, sont perdus". L'effet que la lunette de Galilée fit sur ses contemporains traduit merveilleusement les sensations que nous éprouvons à notre tour, alors que cette réalité est séparée de son sujet par un gouffre temporel de plus de 3 siècles...

A lire : En hommage à Galilée

A gauche et au centre, Galilée arpentant le ciel et sa célèbre lunette astronomique exposée au Museo Galileo. A droite, Galilée expliquant ses découvertes à deux cardinaux. Peinture à la gouache sur papier de 26x22.9 cm réalisée par l'illustrateur belge Jean-Léon Huens sur commande de la National Geographic Society pour son édition de Mai 1974.

La nature des corps célestes

Grâce aux travaux de Edmund Halley, le concept des sphères en révolution s'écroula définitivement. La nova étudiée par Tycho Brahé en 1572 puis celle de Kepler apparue en 1604 mettaient la "sphère des fixes" à l'épreuve de l'observation.

A leur tour, les comètes n'obéissaient pas à la théorie des épicycles et certaines étoiles se déplaçant par rapport aux autres, elles ne pouvaient plus être fixées sur la même sphère, mais plutôt réparties dans un espace à trois dimensions.

Cette découverte et beaucoup d'autres entraînèrent les penseurs du XVIIIe siècle, tels Thomas Wright et Emmanuel Kant à spéculer sur la nature de la Voie Lactée, en posant le concept des "univers-îles". Tous les concepts étaient empiriques, fruits de la réflexion, sans le soucis de trouver un support expérimental.

La loi de la gravitation de Newton

Il fallut attendre l'éveil d'une nouvelle génération de savants, nourrit aux nouvelles théories et aux critiques des grands penseurs pour que s'épanouisse la relation causale. Jusqu'à Newton, on ignorait la causalité. Elle était remplacée par une philosophie qui remontait à Aristote et qui considérait tous les phénomènes comme des particularités du mouvement de la matière. Les lois étaient immuables, inscrites dans le mouvement des atomes.

C'est Newton, physicien et mathématicien anglais né en 1643 (du calendrier Grégorien ou moderne) qui imposa l'expression "lien de cause à effet", la causalité physique telle que nous l'entendons. Cette découverte marqua une étape cruciale dans le développement des sciences.

A lire : En hommage à Newton

Passionné d'astronomie mais également astrologue, il n'hésita pas à étudier l'alchimie et les phénomènes paranormaux[13] comme beaucoup de savants de son époque. Egalement, grand argentier de l'Etat et homme d'Eglise, Newton fut bel et bien "un puits de Science". Il découvrit la loi de la gravitation universelle, les propriétés de la lumière et inventa le télescope parmi d'autres inventions. Il est aujourd'hui considéré comme étant le premier scientifique de l'histoire dans son acceptation moderne

Sir Isaac Newton et ses découvertes. Peinture à la gouache sur papier de 16.5x24.1 cm réalisée par l'illustrateur belge Jean-Léon Huens sur commande de la National Geographic Society pour son édition de Mai 1974.

La réputation de Newton vient du fait qu'il expliqua ces lois empiriques. Il trouva une règle simple pour expliquer la relation entre la mécanique de Galilée et la chute des corps. Pour expliquer les "causes formelles" aristotéliciennes, la "nature des choses", Newton eut recours aux équations mathématiques et trouva finalement une explication par les seules causes physiques.

Tout aussi ingénieux que Léonard de Vinci, mais véritable théoricien, Newton imagina le calcul différentiel, méthode mathématique qui permet de mesurer des variables pendant un temps infiniment petit. Il essayait de résoudre une question en recherchant une réponse causale: Qu'est-ce qui empêche la Lune de tomber sur la Terre ? Sa méthode était simple : expérimenter, observer et consigner ses résultats, ce que nous appelons aujourd'hui la "méthode scientifique".

C'est ainsi qu'en 1687 Newton découvrit la force d'attraction qui gouverne tout l'univers. En fait, contrairement à la rumeur, c'est William Herschel (1738-1822) qui donna une portée universelle à la loi de Newton en découvrant que les orbites des étoiles doubles obéissaient à la même loi de la gravitation que les planètes.

Mais la "Première loi du mouvement" comme l'appela Newton se heurte à une influence instantanée à distance de la matière, action “occulte” qu’il refusa. Newton resta empreint de mysticisme et considérait que cette action instantanée ne pouvait être l’oeuvre que d’un “esprit universel”; c’était une preuve de l'omniprésence divine. Sa théorie échoua car son époque n'était pas préparée à ses conceptions révolutionnaires. Ces concepts seront améliorés ne fut-ce que pour satisfaire la curiosité intellectuelle, en particulier pour résoudre certains paradoxes relatifs à la lumière.

La première pierre à cet édifice est la théorie de l'électricité de Maxwell au XIXe siècle qui imposa une vitesse finie à la lumière et le concept de champ. Il découvrit également la cinétique des gaz.

Les temps modernes

Au tournant du XXe siècle, Lorentz comprit l'inutilité du support mécanique pour expliquer la propagation du champ électromagnétique. Il découvrit également la théorie des électrons.

Entre-temps, les mathématiciens Gauss, Lobatchevski, Bolyai et Riemann créèrent le concept d'espace courbe et s'attachèrent à définir les particularités des systèmes de coordonnées relatifs les uns par rapport aux autres, notions qui seront reprises par Poincaré et Einstein.

Pour expliquer certains états étranges de la matière, tels la chaleur spécifique et l’effet photoélectrique, Planck, Bohr et Dirac imposèrent la physique quantique comme le nouveau passage obligé des physiciens. Ils démontrèrent le fait que les électrons ne peuvent être localisés avec précision dans l'espace et le temps.

Born, de Broglie, Heisenberg et Schrödinger insistèrent sur le fait que les particules doivent être représentées par des fonctions d'ondes et ne peuvent être déterminées que par calcul statistique. En parallèle, la découverte progressive de tout un univers de particules élémentaires permit aux physiciens d'ébaucher les premières théories de la genèse de l'univers[14].

Toutes ces conceptions, si géniales qu'elles aient été furent dépassées par un monument de la physique. Fasciné mais souvent critique vis-à-vis des idées de ses aïeux, Einstein développa au début du XXe siècle la théorie de la Relativité restreinte aux mouvements uniformes, qu'il résuma comme suit : "La masse n'est plus une grandeur immuable, mais varie selon son contenu d'énergie, et même lui est équivalent [...], tandis que la loi de Newton ne peut être envisagée que pour de petites vitesses. La vitesse de la lumière dans le vide est une vitesse limite"[15].

Einstein lia également l'espace au temps dans un continuum à quatre dimensions qui varie en fonction de la vitesse de l'observateur (son référentiel) : "L'espace et le temps perdent leur caractère absolu causal, il est influençant mais n'est pas influencé", ce que Newton n'avait pas établi.

En 1915, Einstein généralisa sa théorie à tous les mouvements, en démontrant que la gravitation est une inertie qui courbe l'espace-temps et le déforme. En 1921, Einstein reçut le prix Nobel pour ses recherches en physique.

Trois grands chercheurs ayant marqué leur époque soit en astronomie soit en cosmologie. A gauche, l'astronome Edwin Hubble vers 1925 peu après qu'il ait découvert la véritable nature des galaxies. Document Mount Wilson Observatory. Au centre, portrait d'Albert Einsteint inspiré d'une photographie de 1947 peint à la gouache sur papier de 26x17.1 cm par l'illustrateur belge Jean-Léon Huens sur commande de la National Geographic Society pour son édition de Mai 1974. Ce portrait ainsi que les précédents furent mis aux enchères chez Christie's en 2012. A droite, Stephen Hawking en 2014. Document Jaime Travezan.

L'astronomie contemporaine confirme l'exactitude des prédictions d'Einstein, mais doit s'allier la physique quantique dès que les scientifiques analysent des évènements se produisant à des échelles plus petites que l'atome.

A ces échelles extrêmes, Einstein conclut que "les lois différentielles mais aussi les lois de la causalité ont fait la preuve de leur échec [...]. Les formules quantiques de Broglie et de Schrödinger concordent d'une façon stupéfiante avec les résultats de l'expérience". Et de se demander "si la loi causale et la loi différentielle, ces dernières prémisses de la conception newtonienne de la nature doivent-elles être rejetées à tout jamais ? ".

Einstein mourut avant de parachever son oeuvre magistrale à laquelle il travailla durant toute sa vie. Aujourd'hui, des générations de physiciens et d'astrophysiciens relativistes ont repris le flambeau et formulent leurs énoncés en termes quantiques, tels Stephen Hawking, Steven Weinberg ou Michael Green.

Tous cherchent à unifier toutes les lois de la physique en une théorie quantique de la gravitation, énoncé qui rencontre d'énorme difficultés de formulations depuis plus d'un demi-siècle.

Aujourd'hui les théories de "supercordes" et membranaires ainsi la gravité quantique à boucle parmi d'autres théories semblent réussir là où toutes les précédentes ont échoué. Si vous me suivez toujours, nous prendrons le temps d’analyser ces concepts dans d’autres dossiers tout aussi passionnants.

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Sur Internet

Biographies de scientifiques, Astronoo

Planetary Orbit Simulator (Lois de Kepler), UNL

Les lois de Kepler (PDF), U.Lyon

Histoires d'Univers (bibliographie préparée par la BNF)

Liste et caractéristiques des miroirs des télescopes professionnels, John M. Hill, LBT

BnF Gallica (anciens livres numérisés)

Selected Works about Isaac Newton and his Thought, The Newton project, University of Sussex

Harmonia Macrocosmica, Andreas Cellarius, 1661 (version numérisée), Linda Hall Library/p>

Jubilothèque (anciens livres numérisés, par ex. Science et Méthode de H.Poincaré, etc)

Archive.org (anciens livres numérisés, par ex. le NGC de John Dreyer, Le Ciel de A.Guillemin, le Catalog of the Universe de P.Murdin et al., etc)

Quelques livres (cf. détails dans ma bibliothèque dont la section Histoire)

L'astronome. Du chapeau pointu à l'ordinateur, Laurent Vigroux, CNRS Editions, 2016

Histoire de la physique, J.Baudet, Vuibert, 2015

Histoire de l'astronomie : Des origines à nos jours, Christian Nitschelm, Nouveau Monde Editions, 2013

Le roman du Big-Bang, Simon Singh, JC Lattès, 2005; Fayard/Pluriel, 2011

Le ciel dans la tête, Alain Giraud-Ruby, Actes Sud, 2010

Aux origines du monde : Une histoire de la cosmogonie, Jean-Pierre Verdet, Seuil, 2010

Les livres d'Astronomie qui ont changé la vision de l'Univers, Jean-Jacques Samueli, Ellipses, 2010

Galilée, L. Geymonat/F.-M. Rosset et al., Seuil, 2009

L'astronomie des Anciens, Yaël Nazé, Belin - Pour la Science, 2009

Histoire du télescope, Yaël Nazé, Vuibert, 2009

Les Bâtisseurs du Ciel. Copernic, Kepler, Galilée, Newton (intégrale, 1650 pages), J.-P. Luminet, JC Lattès, 2010

Les Bâtisseurs du Ciel. La perruque de Newton (tome 4), J.-P. Luminet, JC Lattès, 2010; Le Livre de Poche, 2011

Les Bâtisseurs du Ciel. L'Oeil de Galilée (tome 3), J.-P. Luminet, JC Lattès, 2009; Le Livre de Poche, 2010

Les Bâtisseurs du Ciel. La Discorde céleste (Kepler et le trésor de Tycho Brahé, tome 2), J.-P. Luminet, Le Livre de Poche, 2008/2009

Les Bâtisseurs du Ciel. Le Secret de Copernic (tome 1), J.-P. Luminet, J.C. Lattès, 2006; Le Livre de Poche, 2008

Traité du ciel (édition bilingue du Caelo), Aristote, Flammarion, 2004

Newton, Marco Panza, Les Belles lettres, 2003

Newton, Richard Westfall, Flammarion, 1994/1998

Astronomie et Astrophysique, Jean-Pierre Verdet, Larousse, 1993

La nuit du temps, Timothy Ferris, Hachette, 1992

Histoire de l'astronomie, Ludwik Celnikier, Lavoisier Tec & Doc, 1985/1997

L'Astronomie et son histoire, Jean-René Roy, Masson, 1982/1997

Cosmos, Carl Sagan, Mazarine, 1980

Vingt-cinq siècles de cosmologie, Jean Charon, Stock+Plus, 1980

Les somnambules, Arthur Koestler, Pocket et Calmann-Levy, 1980/1998; Les Belles Lettres, 2010

Du monde clos à l'univers infini, Alexandre Koyré, Gallimard-Tel, 129, 1973/1988

Le système du monde. Histoire des doctrines cosmologiques de Platon à Copernic (10 vol.), Pierre Duhem, Hermann, 1913/1960/2013/2014

Harmonia Macrocosmica d'Andreas Cellarius (1660), Robert Van Gent, Taschen, 2006/2012

En anglais

The Theoretical Minimum: What You Need to Know to Start Doing Physics, Leonard Susskind/George Hrabovsky, Basic Books, 2014

Ancient Astronomers, Anthony Aveni, Smithsonian Books, 1993/1995

World Archaeoastronomy, Anthony Aveni, Cambridge University Press, 1989

Three Copernician Treatises, Edward Rosen, Columbia, 1939; Dover Publications, 1959/2004

The biographical encyclopedia of astronomers, s/dir Thomas Hockey et al., Springer, 2007/2009/2014.

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[10] La trajectoire des planètes et des satellites seraient un cercle s'ils se déplaçaient de façon rigoureusement orthogonale par rapport à l'axe satellite-planète et ne subissait aucune autre perturbation.

[11] Consulter le procès de Galilée.

[12] J.Milton, "Le Paradis perdu", Belin, 1988, chapitre II, 889, p173.

[13] Lire à ce sujet "La malle de Newton", L.Verlet, Gallimard-nrf, 1993, "Les Bases de l'alchimie de Newton ou la recherche du Lion Vert", B.Dobbs, Ed.de la Maisnie, 1981.

[14] Consulter les dossiers consacrés à la cosmologie et la physique quantique.

[15] Tous les commentaires d'Einstein non référenciés sont extraits de “Oeuvres choisies”, Seuil/CNRS, 1989-1991. Consulter le dossier consacré à la théorie de la relativité.


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