En fait, l'ouvrage était trop difficile pour lui, l'obligeant à lire 3 ou 4 pages à la fois, et plusieurs fois, pour essayer d'y comprendre quelque chose. Il termina l'ouvrage mais n'en tira aucun enseignement. Il y avait de quoi. Bien que Descartes était mort en 1649, ses idées étaient encore passablement nouvelles. Il fut par exemple le premier à utiliser des graphiques (le système cartésien de coordonnées) pour représenter des fonctions et créa le lien entre l'algèbre et la géométrie. C'est suite à cette constatation que Newton décida d'étudier les mathématiques à l'université, lui qui n'avait jamais vraiment été passionné par l'arithmétique à l'école.

Ainsi que nous l'avons dit, en 1664 il obtient une bourse pour le Trinity College de Cambridge. Il est élu étudiant bien que son professeur de math, Isaac Barrow, ait déclaré que son élève manquait de connaissances concernant l'un des principaux textes de mathématiques, les "Eléments" d'Euclide. Et de fait Newton allait devoir apprendre l'analyse moderne sans avoir acquis les bases de la géométrie classique...

Vexé mais intelligent, cette réflexion poussa Newton à reprendre l'ouvrage qu'il avait méprisé et se remit à l'étudier. Cette fois-ci, plus habile en géométrie, il le trouva moins "insignifiant" qu'il l'avait supposé. Et de fait, les "Eléments" resteront parmi ses livres favoris et l'aideront bien des années plus tard à expliquer au monde la Loi de la gravitation universelle...

Sir Isaac Newton, inventeur des lois du mouvement, du principe d'action-réaction, de la gravitation universelle, des propriétés de la lumière, du télescope, du calcul différentiel... Mortels, félicitez-vous qu'un si grand homme ait vécu pour l'honneur de la race humaine. Peinture de Jean Leon Huens/NGS.

Cette fois on peut dire que Newton maîtrisait l'analyse et les mathématiques. Dans un manuscrit datée du 20 mai 1665, il n'avait que 23 ans, il décrit sa méthode des "fluxions" pour mesurer les variations de vitesse de n'importe quel objet, quelle que soit sa trajectoire. Cette méthode mathématique ne sera connue de ces collègues que trente ans plus tard ! Nous y reviendrons également un peu plus tard, lorsque nous discuterons de la Loi de la gravitation. Mais laissons le temps au temps.

Quelques mois plus tard, pendant l'été de 1665, la peste bubonique régna à Londres et à Cambridge, l'obligeant à se retirer en province, non loin du village de Woolsthorpe. Un grand incendie se produisit l'année suivante près de la Tour de Londres (le 2 septembre 1666 et dura 3 jours, brûlant 13000 habitations et tuant 6 personnes), si bien que le jeune Newton passa près de 18 mois en vacances forcées.

Il écrivit dans sa biographie, qu'à cette époque "âgé d'à peine 24 ans, mes capacités d'invention étaient au maximum et je m’intéressais plus aux Mathématiques et à la Philosophie que je ne l’ai jamais fait depuis".

Le spectre de la lumière

Quelques années plus tôt en effet, en 1666, au cours d’une expérience qu’il qualifiera ultérieurement de “cruciale”, le jeune Newton découvrit le spectre de la lumière. Il avait déjà observé les irisations colorées autour de la Lune durant la nuit mais il pensait qu'il s'agissait d'un effet lié à la fatigue de ses yeux, éprouvant parfois de forts maux de tête quand il observait la Lune toute la nuit avec le prototype de télescope qu'il mettait au point.

En 1663, en même temps que l'ouvrage d'astrologie, Newton avait acheté un prisme à la foire de Sturbridge. Délaissant un temps ce livre trop difficile pour lui, il contenait trop de géométrie, il s'amusa souvent à faire tourner son prisme dans les rayons du Soleil. C'est durant l'une de ces expériences qu'il découvrit que la lumière blanche se décomposait exactement dans les mêmes couleurs que l'arc-en-ciel et étaient toujours disposées de la même façon.

Newton avait le pressentiment que la réunion des couleurs de l'arc-en-ciel pouvait donner de la lumière blanche. En effet, en modifiant la position du prisme avec précaution, sous certains angles il parvenait même à reproduire le faisceau blanc sans disperser la lumière.

Bien que son expérience sera critiquée par le clergé romain jusqu’au début du XVIII^eme siècle pour ses conséquences théologiques, Newton avait la certitude de détenir la démonstration d’une parmi la multitude des influences divines.

Grâce à ses expériences, Newton comprit que la lumière blanche, telle celle qui nous vient du Soleil était composée de plusieurs radiations monochromatiques qu'il considérait comme constituées de particules élémentaires plutôt que d'ondes. L'avenir lui donnera partiellement raison.

En revanche, il ne comprenait pas pourquoi l'image de l'arc-en-ciel n'était pas ronde comme l'ouverture qu'il avait pratiquée dans le rideau occultant la fenêtre. L'image spectrale formait toujours une bande cinq fois plus haute que large.

Il découvrit également qu'en fonction de la couleur ou de la densité du milieu traversé, l'angle de réfraction de la lumière était différent, la lumière rouge formant un angle moins prononcé que la lumière bleue. C'est alors qu'il comprit pourquoi le spectre formait un rectangle et non pas un cercle et pourquoi il présentait toujours le même rapport. Tout se passait comme si chaque rayon de lumière projetait sa propre image circulaire sur le mur selon son propre angle de réfraction. En se chevauchant, les divers rayons colorés formaient une longue bande arc-en-ciel. Newton n'oublia pas de consigner tous ces détails dans ses notes. Et comme tout mathématicien de génie, il inventa les lois de la réfraction de la lumière.

Reproduisez l'expérience de Newton ! Peignez les couleurs de l'arc-en-ciel sur un disque et fixez-le sur l'axe d'une petite foreuse ou d'un moteur synchrone avec une vis. Faites-le tourner... vous obtiendrez une couleur blanc-cassé plus ou moins claire selon les nuances. C'est la synthèse additive des couleurs. Vous obtiendrez le même résultat en éclairant une surface blanche avec trois faisceaux lumineux, respectivement bleu, vert et rouge. Document UFL.

Retour à Cambridge

Au terme de ses vacances forcées, en 1667 Newton retourna enfin au Trinity College de Cambridge et obtint son diplôme de "Maître es Arts". Il sera nommé "Fellow" de l'Université de Cambridge (FUC, l'équivalent de Chargé de recherches en France) un titre que l'on obtient encore aujourd'hui après la licence (maîtrise) dans les pays anglo-saxons qui permet au chercheur de se spécialiser pour préparer l'agrégation et devenir enseignant. Cette fois son destin était scellé, Newton voulait enseigner les mathématiques et poursuivre ses recherches. Par ailleurs cette corporation lui accordait des avantages et des privilèges, ce qui était appréciable.

Arrêtons-nous un instant sur l'histoire de cette prestigieuse université

Les premiers élèves suivront officiellement les cours académiques dispensés par l'Université de Cambridge en 1209. C'est l'une des plus anciennes universités du monde et l'une des plus grandes du Royaume-Uni. Aujourd'hui Cambridge doit sa réputation à ses réussites scolaires exceptionnelles reconnues dans le monde entier. L'Université comprend 31 Collèges regroupés par discipline et 15 bibliothèques. L'Université de Cambridge a été classée en 2001 par le "Financial Times" comme étant la meilleure université anglaise, devant de l'Université d'Oxford et l'Université de Londres. Dans le monde, est se situe en troisième place derrière l'Université de Stanford et l'Université d'Harvard, cette dernière dépassant largement sa concurrente par le nombre de ses diplômés. Ces universités d'élite sont classées selon leur mérite en fonction de leurs résultats dans six secteurs distincts comprenant la qualité de l'enseignement, la qualité des recherches et l'emploi. Cambridge était encore en 2004 l'université ayant reçu le plus d'élèves : plus de 16000 dont 25% d'étrangers. Maintenant comme le dirait Newton, back in time.

Carte de Cambridge réalisée en 1611 par John Speed. Document Horowitz.

En 1669, au terme de 5 années d'études, soutenu par son professeur Isaac Barrow, Newton fut nommé Professeur Lucasien de mathématiques et obtient la direction de la chaire de mathématiques laissée vacante par Barrow. Newton dirigea cette Faculté jusqu'en 1702, avant d'être nommé directeur de la Royal Society.

Rappelons que "Lucasien" fait référence à son donateur, le Professeur Révérend Henri Lucas. Cette chaire avait été fondée en 1663 et était dirigée par le Professeur Isaac Barrow. Aujourd'hui cette chaire est occupée par Stephen Hawking depuis 1979, ce qui indique le niveau d'érudition de Newton. De nos jours cette Faculté, comme tout "degree" universitaire, est accessible aux élèves désirant produire une thèse de recherche (doctorat de troisième cycle, futur Ph.D).

N'y parvenant pas réellement en jouant avec un ou deux éléments de lentille, il abandonna totalement ce projet à d'autres et s'orienta vers une solution beaucoup plus complexe utilisant un objectif constitué d'un miroir parabolique concave. 

Cette solution avait déjà envisagée en 1663 par l'Anglais James Gregory dans son "Optica Promota". Gregory eut l'idée d'utiliser deux miroirs concaves, mais il ne parviendra pas à fabriquer l'instrument.

C'est le Français Jean Cassegrain qui finalement qui trouvera la solution en 1672. On retrouvera le télescope de Gregory dans les salons bourgeois au XVIII^eme siècle. Il inspira certainement Newton.

Reconnaissant les capacités extraordinaires de leur collègue, ses amis professeurs envoyèrent le télescope pour évaluation à la Royal Society, au département pour l'Amélioration des Sciences Naturelles.

Tellement impressionné par les travaux de l'auteur, ses membres invitèrent Newton en 1672 à se joindre à eux. On lui demanda de rédiger une thèse et il soumit son fameux rapport sur la composition de la lumière blanche et la fabrication de son télescope. 

Le père de la méthode scientifique

Mais contrairement à l'habitude, Newton n'expliquait pas ce qu'était réellement la lumière. Il décrivit simplement quelques expériences en consignant sa méthode de travail et ses résultats. Les membres de la Royal Society furent déçus par son travail, mais ce répit fut de courte durée.

Lisible, divisé en paragraphes et clairement exprimé, le rapport de Newton bouscula les conventions. Pour la première fois, un savant osa modifier la méthode de travail des philosophes (les futurs physiciens, chimistes et mathématiciens). Newton ne cherchait pas à "sauver les phénomènes", à expliquer comment devrait être les choses, que du contraire. Son objectif était de répondre au comment des choses, cherchant dans le cadre formel des équations, les lois qui gouvernent la Nature. Après seulement, il pourrait rechercher le sens de ses Lois, qu’elles appartiennent ou non au monde de la physique, en essayant de répondre au pourquoi des choses.

Ce jeune savant tout juste âgé de 30 ans, prétendait utiliser une "méthode scientifique" : "la meilleure et la plus sûre méthode de philosopher dit-il, semble être, d'abord de s'enquérir avec diligence des propriétés des choses au moyen d'expériences, puis de passer avec beaucoup plus de lenteur aux hypothèses servant à les expliquer".

Ainsi paradoxalement, celui qui contribua à établir le mythe du savant qui ne faisait jamais d'hypothèses (hypotheses non fingo) commença exactement de cette manière son explication du "Système de monde" décrite dans ses Principia et les questions développées dans son Optique.

Mais au XVII^eme siècle, les savants, tant laïques que religieux, s'insurgèrent contre les propos irrévérentieux de ce jeune professeur. Heureusement pour Newton, à l'époque encore timide et peu habitué à ces critiques acerbes à son encontre, la Royal Society se sentit en devoir de défendre leur nouveau membre et tenta d'expliquer que Newton ne cherchait à convaincre personne. Pour toute réponse, Newton ne fit que répéter ses expériences et ce qu'il avait observé, prouvant au besoin à ses détracteurs qu'ils se trompaient. 

Tellement logique et pertinente, cette méthode rationnelle est toujours enseignée plus de 300 ans plus tard. Nos agrégés de sciences apprennent à nos jeunes têtes blondes à rédiger des rapports comme le fit Newton : introduire le sujet, poser l'hypothèse, la thèse, puis développer la démonstration, quod erat demonstrandum (CQFD).

Cette philosophie dirigea toute la vie de Newton, passant la plupart de son temps seul à expérimenter quantité de choses et à remplir des pages de commentaires, de formules, de graphiques et de démonstrations.

Le jeune savant, aidé d'une connaissance des mathématiques et plus généralement de la philosophie beaucoup plus approfondie que ses collègues, voulait non seulement trouver une explication simple et complète des phénomènes naturels, mais il était persuadé que la présence divine se manifestait partout et toujours. 

S'il y avait beaucoup d'expériences que Newton pouvait facilement expliquer grâce aux mathématiques, il sera bientôt confronté à un problème bien plus complexe qui le retiendra durant près de 20 ans.

Prochain chapitre

La loi de l'attraction universelle