3 Le système solaire à travers les âges

  Objectifs : Devenir capable de

Mots et concepts clefs :

héliocentrisme géocentrisme
lois de Kepler conique
ellipse principe d'inertie
force accélération
gravitation planètes
astéroïdes

Le modèle antique de l'Univers a été difficilement remplacé à partir de la Renaissance

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La contribution apportée par les philosophes et les scientifiques antiques au modèle du système solaire a fait l'objet du chapitre précédent. Retenons-en simplement que les idées élaborées à cette époque se basaient assez peu sur l'observation mais plutôt sur des « a priori » philosophiques ou même religieux. Les modèles antiques n'ont donc pour nous (dans le cadre d'un cours de sciences) qu'un intérêt assez anecdotique.

Il est cependant surprenant de constater que le modèle de Ptolémée (IIe siècle avant notre ère) est resté en vogue jusqu'à la Renaissance. Durant le Moyen Age, on continue d'affirmer que les astres circulent dans le ciel sur des sphères cristallines. Jupiter, par exemple, tourne autour de la Terre accompagnée par les anges des hautes sphères. Dieu, Lui, réside au-delà de la sphère cristalline des étoiles. L'enfer est placé dans les entrailles de la Terre cependant que le purgatoire se situe entre la Terre et la Lune. Les âmes impures doivent y faire un séjour plus ou moins prolongé avant de pouvoir accéder aux plus hautes sphères et s'approcher de Dieu.

Ce n'est qu'à partir de la Renaissance que certains scientifiques ont osé, souvent au péril de leur vie, remettre en cause ces conceptions.

L'astronomie moderne est née avec le polonais Nicolas Copernic (1473-1543). Après des études à Cracovie, il subit l'influence de la Renaissance italienne par des études complémentaires qu'il accomplit à Bologne (1496), à Rome (1500) et à Padoue (1503). Il rejoint alors la Pologne où il est élu chanoine de Frauenburg. En 1543, après de nombreuses hésitations, il publie le fameux « De Revolutionibus Orbium Coelestium » dans lequel il argumente en faveur d'un univers centré sur le soleil, le Terre tournant, comme toute autre planète, d'un mouvement circulaire autour de l'astre central. La publication de cet ouvrage reste un des grands jalons de la Renaissance.

Le préfacier de cette Suvre précisait que ce qui y était expliqué n'était qu'une « hypothèse mathématique commode » qui ne décrit pas les mouvements réels des astres mais qui permet seulement de les prévoir. Cette précaution permit que l'Église catholique reste longtemps indifférente aux théories développées par Copernic.

Luther et Calvin, par contre, virent très tôt quel danger elles représentaient par leur contradiction des textes de la Bible : c'était un sacrilège et un blasphème que d'assurer que le soleil était immobile alors que la Bible relate comment l'Éternel arrêta le soleil pour aider Josué à triompher de ses ennemis. Or, si Dieu a arrêté le soleil, c'est que celui-ci bouge. Le « De Revolutionibus » fut mis à l'index en 1616, peu après le procès de Giordano Bruno, défenseur de l'héliocentrisme, qui fut brûlé vif sur la place Saint-Pierre à Rome.

Johan Kepler (1571-1630) naît dans une époque déjà largement influencée par le vent nouveau. Les idées de Copernic ont fait du chemin et sont maintenant largement répandues dans le monde scientifique. Il était l'élève de Tycho Brahé (1546-1601), astronome danois auquel on doit un grand nombre de mesures très précises de la position des astres. C'est principalement en travaillant sur les relevés faits par son maître que Kepler découvrit les lois qui portent son nom.

Kepler montre que le comportement de l'univers obéit à des lois mathématiques

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Chaque planète se meut sur une orbite elliptique dont le soleil occupe l'un des foyers.
1ère loi de Kepler

Cette loi améliore la conception copernicienne qui établit des trajectoires circulaires.

Pour rappel, une ellipse est une courbe telle que la somme des distances à deux points fixes (appelés foyers) est constante.

L'excentricité de l'ellipse est le rapport :

où F1..F2 est la distance qui sépare les deux foyers et

  A..B est le grand axe.

Pour la Terre, cette excentricité est très faible (0,017) ; une excentricité nulle correspond à un cercle. On remarque donc que le modèle de Copernic ne souffrait que d'une légère imprécision en ce qui concerne la Terre. Pour d'autres planètes, l'erreur est plus grande.

Chaque planète parcourt son orbite avec une vitesse variant de telle manière que le RAYON VECTEUR, définissant la position de la planète par rapport au soleil balaie des aires égales en des temps égaux.
2ème loi de Kepler.

Ceci implique que la vitesse d'une planète sur son orbite est d'autant plus grande qu'elle se trouve près du soleil.

Le carré de la période de révolution T d'une planète est proportionnel au cube du rayon moyen R de son orbite.
3ème loi de Kepler.

Cette loi s'exprime d'une manière plus aisée sous la forme mathématique :

T2 = k . R3

La période de révolution est le temps que met la planète pour faire le tour du soleil ; le rayon moyen est le demi grand-axe de l'orbite.

Galilée

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Un autre héritier de Copernic est Galilée (1564-1642). Avec lui va prendre vigueur l'astronomie d'observation.

Le Moyen-Age et le début de la Renaissance restent très attachés aux idées des astronomes antiques ; les conceptions de Ptolémée et d'Aristote sont encore toutes puissantes. Perfectionnant une invention hollandaise, Galilée invente la lunette astronomique qu'il braque vers la lune, le soleil, les planètes et les étoiles. Il fait d'emblée un grand nombre de découvertes qui lui permettent de rejeter définitivement les conceptions antiques. Il découvre les satellites de Jupiter, les phases de Vénus, l'anneau de Saturne, les montagnes sur la lune, les taches solaires, ...

Selon Galilée, « le livre du monde est écrit en mathématiques ». Cela signifie que les mathématiques permettent de décrire le comportement de la nature. Galilée avait mis cette idée en pratique lors de l'étude du mouvement accéléré. Les conclusions de ses travaux peuvent être exprimées dans le langage mathématique. Ce sont les fameuses formules qui expriment le mouvement rectiligne uniformément accéléré, par exemple. A partir de ce moment, l'usage de l'outil mathématique devient obligatoire en cosmologie.

Dans son « Dialogo », publié en 1632, il s'affirme nettement en faveur des idées de Copernic et de Kepler. Cela lui vaut d'être soumis à l'Inquisition. Il doit à sa renommée la chance de ne pas être torturé sur le bûcher comme le moine Giordano Bruno. Il est cependant obligé d'abjurer en public dans la cathédrale Saint-Pierre à Rome. Le fameux « ... et pourtant elle tourne ! » prononcé après l'abjuration n'est qu'une légende propre à rehausser l'image du scientifique génial et incompris.

Le retentissement du procès de Galilée est tel que Descartes, réfugié en Hollande, renonce à poursuivre la rédaction d'un livre dans lequel il exposait les fruits de ses études sur l'univers.

Exercice

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Les moyens d'observation modernes permettent de déterminer avec une grande précision les principaux paramètres des orbites des planètes du système solaire.

Planète

1/2 grand axe en u.a.

e

T rotation

T révolution

Mercure

0,38

0,206

57

jours 88 jours

Vénus

0,72

0,007

243

jours

224

jours

Terre

1

0,017

1

jour

365

jours

Mars

1,52

0,093

24,5

heures

687

jours

Jupiter

5,2

0,018

9,6

heures

11

ans

Saturne

9,5

0,056

10,2

heures

29

ans

Uranus

19,2

0,046

12 à 24

heures

84

ans

Neptune

30,1

0,01

± 16,5

heures

165

ans

Pluton

39,6

0,25

±6

jours

248

ans

Vérifie la troisième loi de Kepler sur base de ces mesures. Détermine la valeur moyenne de k et les unités dans lesquelles cette constante s'exprime. Veille à travailler dans un système d'unités cohérent : le tableau ci-dessus présente des valeurs en jours, en heures et en années.

Newton apporte la théorie qui permet d'expliquer les observations des ses prédécesseurs

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Galilée meurt en 1642, année de la naissance d'Isaac Newton (1642-1727). Par des moyens mathématiques (invention du calcul différentiel et intégral avec Leibniz) et en se basant sur les travaux de Kepler et de Galilée, il montre que l'orbite d'un corps soumis à un champ de gravitation doit être une courbe de la famille des coniques:

En cela, il enrichit l'apport de Kepler en confirmant de manière théorique (démarche déductive) ce que son prédécesseur avait montré de manière empirique (démarche inductive).

La légende veut que Isaac Newton, fuyant la peste qui sévissait à Cambridge se soit réfugié dans la campagne anglaise. Se reposant à l'ombre d'un pommier, il regardait la lune lorsqu'il reçut une pomme sur la tête. Cette pomme lui aurait valu la révélation de l'existence de la force de gravitation. Née dans une imagination poétique, cette histoire est probablement fausse.

Depuis Galilée, on savait que pour modifier l'état de mouvement ou de repos d'un corps (c'est-à-dire pour l'accélérer ou pour le décélérer), il faut lui appliquer une force. Ce principe a été reformulé et repris à son compte par Newton : c'est le principe d'inertie ou première loi de Newton :

Un corps abandonné à lui-même ne peut voir sa vitesse (éventuellement nulle) se modifier.
Première loi de Newton.

Rappelons-nous que la vitesse est une grandeur vectorielle pour bien comprendre la portée de cette loi. Si la vitesse est conservée, elle doit l'être autant en intensité qu'en sens et en direction. Un objet en mouvement sur lequel n'agit aucune force continue de se mouvoir en ligne droite.

Ce principe semble heurter le sens commun puisque nous savons bien que le mouvement perpétuel n'existe pas. Cependant, si tous les mobiles finissent par s'arrêter après une course plus ou moins longue sur la Terre, c'est qu'une force intervient effectivement : la force de frottement.

Dans le « vide » intergalactique, ces forces sont pratiquement inexistantes à cause de la faible densité de matière ; on considérera donc généralement qu'un objet en mouvement y poursuivra son mouvement indéfiniment (cette approximation est fort bonne).

Newton étudie ce principe de manière quantitative : il mesure l'effet de forces d'intensités différentes sur le mouvement sphères qui roulent sur des surfaces planes.

Il montre que :

l'accélération communiquée à une sphère est d'autant plus grande que la force qu'on lui applique est grande (proportion directe) ;

l'accélération communiquée à une sphère est d'autant plus grande que la masse de la sphère est petite (proportion inverse).

Ces observations peuvent être résumées dans une formule mathématique :

         [1]

 

où F = force appliquée sur une sphère ;
m = masse de la sphère ;
a = accélération communiquée à la sphère

C'est la deuxième loi de Newton. Cette relation mathématique montre que l'accélération provoquée par une force est d'autant plus grande que l'intensité de cette force est grande.

La formule nous indique aussi qu'une variation de vitesse (accélération) est due à l'intervention d'une force.

Imaginons que la légende du pommier est vraie ; quel aurait été le raisonnement de Newton ?

Celui-ci voit la lune dont il sait qu'elle reste depuis tous temps dans le voisinage de la Terre sur une orbite quasi circulaire. Puisque sa trajectoire n'est pas une ligne droite, il peut en conclure que la lune est soumise à une accélération (dans le sens d'une variation de vitesse) ; il s'agit de l'accélération centripète qui la ramène vers la Terre.

Newton imagine qu'il existe une force dont l'origine est la Terre et qui ramène constamment la lune vers le centre de son orbite : c'est la force de gravitation.

Celle-ci obéit à la première loi de Newton ; elle peut donc s'exprimer sous la forme :

F = m . a      [2]

où F est la force qui s'exerce sur la Lune, satellite naturel de la Terre, ou encore sur les satellites artificiels de la Terre.

Cette relation mathématique [2] nous enseigne que la force exercée par la Terre sur un satellite est d'autant plus grande que la masse de ce satellite est grande. Il est plus difficile de garder en rotation une boule de plomb de 10 kg accrochée à une corde qu'une balle de tennis accrochée à la même corde. Il est donc bien clair que la force qui retient la lune près de la Terre est considérablement plus grande que la force qui retient un petit satellite de 100 kg !

D'autre part, la relation [2] nous indique également que la force qui s'exerce dépend d'une certaine manière de la Terre : l'accélération centripète qui est conférée à la lune a une origine terrestre.

C'est la même force qui permet à la Terre et aux autres planètes de rester en orbite autour du soleil. Donc, si la Terre exerce une force sur la lune, elle est également l'objet d'une force de la part du soleil.

Newton généralise en disant que tout corps est à la fois l'objet et le sujet de la force de gravitation.

Il peut alors démontrer la loi suivante :

     [3]

où m1 et m2 sont les masses des deux corps en présence ;
R est la distance qui les sépare ;
G est une constante.

En d'autres termes, la force qui s'exerce entre deux astres dépend de la masse de chacun d'eux, chacun attirant l'autre.

C'est par l'utilisation du calcul différentiel qu'il a inventé en même temps que Leibniz (1646-1716) que Newton montre que la force qui s'exerce entre deux corps est inversement proportionnelle à la distance qui les sépare (notée R).

Un peu plus tard, le physicien anglais Cavendish (1731-1810) déterminera la valeur de la constante de proportionnalité encore appelée ici constante de gravitation (symbole G) :

G = 6,67.10-11 m3/kg.s2

Par diverses observations, Newton vérifie que cette loi est valable partout dans l'univers connu ; c'est la raison pour laquelle on parle de la loi de la gravitation universelle pour cette troisième loi de Newton.

Affinement des théories durant les Temps Modernes

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L'amélioration des moyens d'observation va permettre à l'anglais William Herschel (1738-1822) de découvrir en 1781 la planète Uranus, au-delà de Saturne.

A la fin du XVIIIe siècle, Titius et Bode découvrent les astéroïdes, ces petites planètes qui gravitent entre Mars et Jupiter. Cette découverte est en grande partie due à l'invention d'une loi purement empirique dont les fondements physiques n'ont été découverts que très récemment. Titius et Bode ont découvert qu'il existait un rapport simple et constant entre les distances qui séparent les planètes du soleil (voir encadré).

Planète Calcul distance réelle au soleil en u.a.
Mercure
Vénus
Terre
Mars
?????
Jupiter
Saturne
0 +4=4 :10 0,4
3 +4=7 :10 0,7
6 +4=10 :10 1,0
12 +4=16 :10 1,6
24 +4=28 :10 2,8
48 +4=52 :10 5,2
96 +4=100 :10 10,0
0,38
0,72
1,0
1,52
 
5,2
9,2

Cette règle fournit approximativement les distances des planètes au soleil exprimées en unités astronomiques. Or, on ne connaissait aucune planète à 2,8 u.a. du soleil. L'observation du ciel permit de découvrir, à 2,8 u.a., non pas une planète, mais des milliers de débris rocheux de tailles diverses : les astéroïdes.

Observant la planète Uranus, le français Le Verrier (1811-1877) décèle des anomalies dans sa trajectoire. Confiant dans les lois de Newton, il prévoit l'existence d'un astre encore inconnu qui perturberait la trajectoire d'Uranus et la rendrait non elliptique. Il calcule la position d'un tel astre hypothétique qui sera observé en 1846 à la position prévue ! On lui donne le nom de Neptune. On découvrira Pluton, la plus éloignée du Soleil par le même type de recherches : la théorie de Newton trouve une brillante confirmation. A l'heure actuelle, on n'a pas encore pu mettre en évidence d'autres planètes dans notre système solaire.

Bientôt, de nouvelles techniques d'observation permettront de faire d'importantes découvertes quant à la structure de l'univers, la nature et la composition des étoiles et des nébuleuses observées depuis très longtemps.

Textes de travail

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Les mouvements selon Aristote

II est évident que le transport circulaire est le premier des transports. En effet tout transport, comme nous l'avons dit précédemment, est, ou circulaire, ou rectiligne, ou mixte ; ceux-là sont nécessairement antérieurs à celui-ci, puisqu'il en est composé ; et le circulaire est antérieur au rectiligne, car il est plus simple et plus parfait. En effet il n'y a pas de transport sur une droite infinie, car un tel infini n'existe pas ; et, s'il existait, rien ne serait ainsi mû, car l'impossible ne se produit pas et parcourir l'infini est impossible. Maintenant, le mouvement sur une droite finie, quand il est rebroussé, est composé et forme deux mouvements ; quand il n'est pas rebroussé, il est imparfait et destructible. Or le parfait est antérieur à l'imparfait selon la nature, selon la notion, selon le temps ; et l'indestructible, au destructible. En outre, un mouvement qui peut être éternel est antérieur à celui qui ne le peut ; or le mouvement circulaire peut être éternel, tandis qu'aucun des autres, ni le transport rectiligne ni d'ailleurs aucun autre, ne le peut ; car un arrêt doit se produire et, s'il y a arrêt, le mouvement est détruit. II nous a paru d'autre part raisonnable que le mouvement circulaire fût un et continu, et que le rectiligne ne le fût pas. Pour le rectiligne, en effet, le commencement, la fin et le milieu sont déterminés, et il a tout cela en soi-même, de sorte qu'il y a pour la chose mue un point de départ et un point d'arrivée (aux limites, en effet, il y a toujours repos, à la limite initiale comme à la terminale). Pour le circulaire, tout cela est, au contraire, indéterminé, car pourquoi, entre les points qui sont sur la ligne, celui-ci plutôt que celui-là serait-il une limite ?

Aristote
Physique - Livre VIII

1. Pourquoi le texte précédent ne peut-il pas être qualifié de scientifique ?
2. Quelle partie du texte procède d'une démarche rationnelle ? Schématise le raisonnement indiqué.

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La prudence de Galilée

Florence, le 15 janvier 1633.

Si je demande : qui a fait le soleil, la lune, la terre, les étoiles, leurs mouvements et leurs systèmes on me répondra sans doute : ils sont l'Ruvre de Dieu. Si je demande ensuite : qui a fait les Saintes Écritures, on me répondra certainement qu'elles sont l'Ruvre du Saint-Esprit. c'est-à-dire également l'Ruvre de Dieu. Si je demande encore : le Saint-Esprit employait-il des paroles qui contredisent la vérité de façon flagrante afin de s'adapter à l'entendement de la multitude -le plus souvent ignare- je suis sûr qu'on me répondra, en se référant à tous les auteurs sacrés, que c'est là en effet une habitude des Saintes Écritures où l'on trouve des centaines de phrases qui, prises au pied de la lettre, sont pure hérésie et blasphèmes, car Dieu y apparaît comme un être haineux, repentant, oublieux. Mais si je demande : Dieu a-t-il jamais modifié ses l'Ruvre afin de s'adapter à l'intelligence de la foule, ou, au contraire, la nature, essentiellement immuable et que les désirs humains ne peuvent atteindre, a-t-elle toujours conservé le même genre de mouvements, de formes et de divisions de l'univers ? Je suis certain que l'on me répondra : la lune sera toujours ronde, même si elle passa longtemps pour être plate. Pour résumer tout cela en une seule phrase : on n'affirmera jamais que la nature ait changé afin d'adapter ses Ruvres à l'opinion des hommes.

S'il en est ainsi, je demande pourquoi, voulant atteindre à la connaissance des diverses parties du monde, appliquerions-nous nos recherches aux paroles plutôt qu'aux Suvres de Dieu ? L'Suvre est-elle moins auguste que le verbe ? Si quelqu'un avait affirmé : dire que la terre se meut est une hérésie ! et que la démonstration et l'observation aient ensuite démontré qu'elle se mouvait effectivement, quelles difficultés n'en résulteraient pas pour l'Église ! Si au contraire, dans tous les cas où les Suvres ne concordent pas avec le verbe, on considère l'Écriture Sainte comme étant secondaire, cela ne lui portera aucun préjudice, elle s'est souvent adaptée à l'opinion de la multitude et a souvent attribué des qualités tout à fait erronées à Dieu. Je demande donc : pourquoi voulons-nous qu'elle se soit exprimée avec tant d'exactitude en parlant du soleil, de la terre ?

Galilée
lettre à Elia Diodati

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Mouvement des corps en orbite selon Newton

Un projectile ne retomberait point vers la terre, s'il n'était point animé par la force de la gravité, mais il s'en irait en ligne droite dans les cieux avec un mouvement uniforme, si la résistance de l'air était nulle. C'est donc par sa gravité qu'il est retiré de la ligne droite, et qu'il s'infléchit sans cesse vers la terre ; et il s'infléchit plus ou moins, selon sa gravité et la vitesse de son mouvement. Moins la gravité du projectile sera grande par rapport à sa quantité de matière, plus il aura de vitesse ; moins il s'éloignera de la ligne droite, et plus il ira loin avant de retomber sur la terre.

Ainsi, si un boulet de canon était tiré horizontalement du haut d'une montagne, avec une vitesse capable de lui faire parcourir un espace de deux lieues avant de retomber sur la terre : avec une vitesse double, il n'y retomberait qu'après avoir parcouru à peu près quatre lieues, et avec une vitesse décuplée, il irait dix fois plus loin (pourvu qu'on n'ait point d'égard à la résistance de l'air) ; et en augmentant la vitesse de ce corps, on augmenterait à volonté le chemin qu'il parcourrait avant de retomber sur la terre, et on diminuerait ta courbure de la ligne qu'il décrirait ; en sorte qu'il pourrait ne retomber sur la terre qu'à la distance de dix, de trente, ou de quatre-vingt-dix degrés ; ou qu'enfin il pourrait circuler autour, sans y retomber jamais, et même s'en aller en ligne droite à l'infini dans le ciel.

Or, par la même raison qu'un projectile pourrait tourner autour de la terre par la force de la gravité, il se peut faire que la lune par la force de sa gravité (supposé qu'elle gravite) ou par quelque autre force qui la porte vers la terre, soit détournée à tout moment de la ligne droite pour s'approcher de la terre, et qu'elle soit contrainte à circuler dans une courbe, et sans une telle force, la lune ne pourrait être tenue dans son orbite. Si cette force était moindre qu'il ne convient, elle ne retirerait pas assez la lune de la ligne droite ; et si elle était plus grande, elle l'en retirerait trop, et elle la tirerait de son orbe vers la terre. La quantité de cette force doit donc être donnée ; et c'est aux mathématiciens à trouver la force centripète nécessaire pour faire circuler un corps dans une orbite donnée, et à déterminer réciproquement la courbe dans laquelle un corps doit circuler par une force centripète donnée, en partant d'un lieu quelconque donné, avec une vitesse donnée.

Newton I.
Principes mathématiques de la philosophie naturelle
Définition 5, 1687

1. Quelle loi de Newton est utilisée dans ce texte ?
2. Comment Newton justifie-t-il la rotation de la lune autour de la Terre ?

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L'héliocentrisme ou la révolution copernicienne.

La Terre occupa le centre de l'univers pendant près de deux millénaires. En 1543, avec la publication de son livre Des révolutions des sphères célestes, le chanoine polonais Nicolas Copernic déclencha une révolution intellectuelle dont les répercussions sont encore sensibles aujourd'hui. Il délogea la Terre de sa place centrale dans l'univers et la remplaça par le Soleil. La Terre se mit en mouvement, comme les autres planètes, pour accomplir son mouvement annuel autour du soleil.

La théorie d'un univers héliocentrique porta un rude coup à l'orgueil humain. L'homme perdait sa place hégémonique dans le cosmos. Il n'était plus chéri de Dieu, l'univers n'avait pas été créé uniquement pour lui. La Terre devenait une « haute sphère » comme les autres planètes. Mais, puisqu'elle était imparfaite et changeante, cela ne signifiait-il pas qu'Aristote s'était trompé, que l'éphémère régnait aussi dans le monde des « hautes sphères » et des cieux ?

L'univers copernicien s'était considérablement agrandi, réduisant d'autant la taille et l'importance de la Terre. Avant Copernic, l'univers avait la taille du système solaire, la sphère extérieure des étoiles étant à peine plus éloignée que la sphère de Saturne. L'univers copernicien était toujours fini et limité par la sphère extérieure des étoiles qui était devenue immobile. Le mouvement des étoiles d'est en ouest, nuit après nuit, était dû, non plus à la rotation des cieux autour de la Terre, mais à la rotation journalière de la Terre sur elle-même.

Cependant, en accordant à la Terre le mouvement et aux étoiles l'immobilité, Copernic dut repousser très loin la sphère extérieure des étoiles, car ces dernières restaient obstinément fixes les unes par rapport aux autres, malgré le voyage annuel de la Terre autour du Soleil. Or une étoile proche observée à deux instants différents pendant ce périple annuel devait paraître avoir bougé par rapport aux étoiles lointaines. Et pourtant, le changement était imperceptible. Copernic conclut que les étoiles devaient être extrêmement éloignées.

Pourquoi les planètes ne tombent-elles pas ?
Le Danois Tycho Brahé poursuivit la révolution copernicienne. Il poussa la précision des observations astronomiques au plus haut degré, autant qu'il était possible avant l'invention du télescope. En 1572, il vit apparaître une nouvelle étoile dans la constellation de Cassiopée, si brillante qu'elle fut visible de jour pendant un mois. Elle devait être très distante, bien au-delà des sphères planétaires puisque, contrairement aux planètes, elle ne changeait pas de position par rapport aux étoiles lointaines. Les cieux avaient changé ; l'immuabilité aristotélicienne chancelait encore un peu plus. Nous savons aujourd'hui que la nouvelle étoile n'est autre qu'une supernova, explosion fulgurante signalant la mort d'une étoile massive dans notre Voie Lactée, qui, dans un dernier sursaut, libéra pendant quelques jours autant d'énergie que des milliards de soleils.

La croyance en la perfection aristotélicienne des « hautes sphères » fut de nouveau ébranlée par l'apparition de la grande comète de 1577. Jusqu'alors, les comètes étaient considérées comme des phénomènes atmosphériques terrestres, tout comme les arcs-en-ciel. Tycho Brahé démontra que c'était impossible. La comète changeait de position par rapport aux étoiles lointaines, ce qui la plaçait beaucoup plus près de la Terre que la supernova mais beaucoup plus loin de la Lune, parce que le mouvement de la comète était bien plus petit que le mouvement lunaire. Elle était certainement quelque part dans la zone des sphères planétaires.

Tycho Brahé put déterminer que l'orbite de la comète était ovale et non circulaire, remettant en cause la notion de perfection circulaire des mouvements dans les cieux. Mieux encore : si l'orbite de la comète était ovale, celle-ci devait obligatoirement traverser les sphères solides planétaires, pure absurdité si ces dernières existaient vraiment. Tycho Brahé fut forcé de conclure que celles-ci n'étaient que le fruit de l'imagination humaine. Mais, si les planètes n'étaient pas attachées à des sphères solides, pourquoi ne tombaient-elles pas ? Qu'est-ce qui les retenait dans les cieux ?

Galilée réconcilie le ciel et la Terre
L'Italien Galileo Galilei, dit Galilée, liquida la notion aristotélicienne selon laquelle la Terre et les cieux étaient régis par des lois naturelles différentes, les mouvements sur la Terre étant en ligne droite, les mouvements célestes étant circulaires. Selon Galilée, il existait une profonde unité entre la Terre et les cieux, et les mêmes lois devaient régir toute chose dans l'univers. Ces lois pouvaient être découvertes par la raison humaine grâce à des observations précises. En 1609, Galilée braqua pour la première fois un télescope vers le ciel. De nouvelles « imperfections » apparurent dans les cieux : des montagnes surgirent sur la lune, des zones sombres vinrent entacher la surface du Soleil. Jupiter acquit quatre satellites en orbite autour d'elle, invalidant de nouveau l'idée que tout tournait autour de la Terre.

Galilée proclama haut et fort que l'univers était héliocentrique dans son grand livre Dialogue sur les deux principaux systèmes du monde, en 1632. C'en était trop pour l'Église qui mit Galilée en résidence surveillée jusqu'à sa mort en 1642, et son livre à l'index jusqu'en 1835. Le divorce entre la religion et la science était consommé.

Xuan Thuan T.
Le destin de l'univers (op. cit.)
pp. 21-26

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Apports de Kepler et Newton.

Au XVIIe siècle Kepler et Newton énoncent les lois sur lesquelles repose encore l'univers scientifique.
En 1606, l'allemand Johanes Kepler put percer le secret des mouvements célestes grâce aux précieuses observations des mouvements de planètes, d'une précision inégalée, laissées par Tycho Brahé. Les planètes ne suivaient plus des cercles, la forme orbitale parfaite selon Aristote, mais des ellipses. De plus elles ne se déplaçaient pas à une vitesse constante -le mouvement parfait selon Aristote-, mais accéléraient en s'approchant du Soleil et décéléraient en s'en éloignant.

Cependant les lois mathématiques des mouvements planétaires énoncées par Kepler ne résolvaient pas le problème que Tycho Brahé s'était posé en supprimant les sphères planétaires : qu'est-ce qui maintenait les planètes sur leur orbite ? Pourquoi ne tombaient-elles pas vers le Soleil ? Pourquoi tournaient-elles autour du Soleil puisqu'il n'y avait plus d'anges pour les pousser ? En 1666, l'Anglais Isaac Newton répondit à ces questions et enterra définitivement la distinction aristotélicienne entre ciel et Terre. Selon Newton, la chute d'une pomme mûre dans un verger et le mouvement de la Lune autour de la Terre étaient sujets à une seule et même force : la gravitation universelle. Tout comme une pomme lancée en l'air n'a besoin d'aucune intervention extérieure pour poursuivre sa trajectoire, la Lune n'a pas besoin d'anges pour la pousser dans son orbite.

L'hypothèse de Dieu n'est plus nécessaire
Selon Newton, un univers régi par la gravitation universelle doit être infini. S'il possédait des limites, il existerait une position centrale vers laquelle la gravité ferait s'effondrer toutes les part de l'univers pour y former une grande masse, ce qui n'est pas conforme à l'univers observé. L'univers newtonien fonctionne comme un mécanisme d'horlogerie. Il est déterministe : tout est régi par des lois mathématiques rigoureuses et précises. Dieu n'a plus besoin d'intervenir dans les affaires humaines. Après avoir remonté le ressort de l'univers, il assiste de loin à son évolution.

Dieu s'éloigna tant et si bien qu'au XVIIIe siècle le Français Pierre Simon de Laplace décida de s'en passer. Napoléon Bonaparte, auquel il avait offert une copie de son ouvrage, Mécanique céleste, lui reprocha de ne pas avoir mentionné une seule fois le Grand Architecte. Laplace lui répondit d'un ton sec : « Je n'ai pas besoin de cette hypothèse. »

Insignifiant dans un univers infini, éloigné de Dieu dans un univers mécanique et déterministe, l'homme occidental du XIXe siècle se console en pensant qu'il reste tout de même le descendant d'Adam et d'Ève, créés spécialement par Dieu pour être maîtres de la Terre. En publiant De l'origine des espèces par voie de sélection naturelle en 1859, l'Anglais Charles Darwin fait voler en éclats cette dernière illusion.

Selon le naturaliste, l'origine de l'homme est beaucoup moins noble : il descend du singe, via les reptiles, les poissons et les cellules primitives. L'évolution biologique a nécessité beaucoup de temps, des milliards d'années à en croire les études géologiques, au lieu des six mille ans que Kepler et Newton donnaient à l'univers. Après s'être agrandi dans l'espace, l'univers s'agrandit aussi dans le temps.

Xuan Thuan T.
Le destin de l'univers (op. cit.)
pp. 26-29

Après lecture des deux derniers textes, réalise une synthèse reprenant les différents moments importants de l'évolution de la conception de l'Univers à la Renaissance.

Dernière modification: 02/07/2006