La naissance de l’astronomie moderne

Un des évènements les plus importants de la Renaissance fut l’éviction de la Terre comme centre de l’univers, une révolution intellectuelle initiée par un clerc polonais¹ du seizième siècle. Nicolas Copernic est né à Thorn (maintenant Toruń), une ville commerçante située sur la Vistule. Il a étudié le droit et la médecine, mais ses centres d’intérêt principaux étaient l’astronomie et les mathématiques. Sa plus grande contribution à la science fut une réévaluation critique des théories existantes du mouvement des planètes, et le développement d’un nouveau modèle du système solaire centré sur le Soleil, dit héliocentrique. Copernic a conclu que la Terre est une planète, et que toutes les planètes tournent autour du Soleil. Seule la Lune orbite autour de la Terre (Figure 2.17).

Copernic a décrit ses idées dans son livre De Revolutionibus Orbium Coelestium (Des révolutions des sphères célestes), publié en 1543, année de sa mort. À cette époque, le vieux système ptolémaïque avait besoin d’ajustements significatifs pour prédire correctement les positions des planètes. Copernic voulait concevoir une meilleure théorie d’après laquelle il pourrait calculer les positions planétaires ; mais ce faisant, il n’était pas lui-même dépourvu de tous les préjugés traditionnels.

Il commença avec plusieurs présupposés communs à son époque, comme l’idée que les mouvements des corps célestes devaient être des combinaisons de mouvement circulaires uniformes. Mais il ne supposait pas – comme la plupart des gens le faisaient – que la Terre devait être au centre de l’univers, et présenta une défense élégante et persuasive du système héliocentrique. Cependant ses idées n’ont été largement acceptées que plus d’un siècle après sa mort. Elles ont toutefois été largement discutées par les savants et ont fini par avoir une profonde influence sur le cours de l’histoire mondiale.

Une des objections levées contre le système héliocentrique était que, si la Terre se déplaçait, nous devrions tous sentir ce mouvement. Les objets solides seraient arrachés de la surface ; une balle lâchée depuis une grande hauteur ne frapperait pas le sol directement sous elle ; et ainsi de suite. Mais une personne qui se déplace n’est pas toujours au courant de ce mouvement. Nous en avons tous fait l’expérience, lorsque ce bus, train ou navire à côté de nous semble bouger jusqu’à l’instant où nous découvrons que c’est nous qui nous déplaçons.

Copernic a soutenu que le mouvement annuel apparent du Soleil depuis la Terre pouvait tout aussi bien être expliqué par le mouvement de la Terre autour du Soleil. Il expliqua aussi que la rotation apparente de la sphère céleste pouvait être expliquée par une Terre qui tourne dans une sphère céleste stationnaire. Une objection fut que si la Terre tournait autour de son axe, elle serait éparpillée en morceaux. Copernic répondit que si un tel mouvement devait déchirer la Terre, le mouvement plus rapide d’une sphère céleste requis par les hypothèses du système géocentrique devrait être bien plus dévastateur.

L’idée la plus importante dans le Des révolutions des sphères célestes de Copernic et que la Terre est l’une des six planètes alors connues qui tourne autour du Soleil. C’est avec ce concept qu’il a pu élaborer une image générale du système solaire. Il a rangé les planètes dans l’ordre correct, de la plus proche à la plus éloignée du Soleil : Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter et Saturne. Plus tard, Copernic a déduit de tout ceci que plus une planète est proche du Soleil, plus sa vitesse orbitale est grande. Ceci lui a permis d’expliquer les mouvements rétrogrades complexes des planètes sans recourir à des épicycles. Il a pu aussi élaborer une échelle approximative du système solaire.

Copernic n’a pas pu prouver que la Terre tourne autour du Soleil. En fait, avec quelques ajustements, le vieux système ptolémaïque pouvait rendre compte, lui aussi, des mouvements des planètes dans le ciel. Mais Copernic a souligné que la cosmologie de Ptolémée était maladroite et manquait de la beauté et de la symétrie de sa successeure.

À l’époque de Copernic, peu de gens pensaient qu’il était possible de prouver que l’un ou l’autre des systèmes géocentriques ou héliocentrique était correct. Une longue tradition philosophique, remontant aux Grecs et défendue par l’Église catholique, soutenait que la pure pensée humaine associée à la révélation divine constituait le chemin de la vérité. La nature, telle que révélée par nos sens, était suspecte. Les expériences n’avaient pas grande importance.

Cet environnement incitait peu à mener des observations ou des expériences qui auraient pu mener faire la distinction entre les deux modèles cosmologiques – ou n’importe quoi d’autre. Ça ne devrait donc pas nous surprendre que l’idée héliocentrique a été débattue pendant plus d’un demi-siècle sans le moindre test pour déterminer sa validité¹.

À l’inverse, aujourd’hui les scientifiques s’empressent de tester les nouvelles hypothèses et n’acceptent les nouvelles idées que lorsque les résultats sont là. Par exemple, lorsque deux chercheurs de l’université de l’Utah ont annoncé en 1989 qu’ils avaient découvert un moyen de réaliser la fusion nucléaire – celle qui existe au cœur des étoiles – à température ambiante, d’autres scientifiques de plus de 25 laboratoires des États-Unis tentèrent de reproduire cette « fusion froide » en quelques semaines – sans succès. La théorie fusion froide s’est rapidement effondrée.

Comment regarderions-nous le modèle de Copernic aujourd’hui ? Lorsqu’une nouvelle hypothèse ou théorie scientifique est proposée, on commence par en vérifier la cohérence avec ce que l’on sait déjà. L’idée héliocentrique de Copernic a passé ce test, puisqu’elle permettait de calculer les positions des planètes au moins aussi bien que la théorie géocentrique. L’étape suivante est de déterminer en quoi les prédictions de la nouvelle hypothèse diffèrent des idées déjà en place. Dans le cas de Copernic, un exemple était que, si Vénus tournait autour du Soleil, la planète devait montrer un ensemble de phases du même type que celles de la Lune ; mais si elle tournait autour de la Terre, ces phases n’existeraient pas (Figure 2.18). De plus, nous ne serions pas capables de voir une « pleine Vénus », parce que le Soleil serait entre elle et la Terre. Mais à cette époque, avant les lunettes et télescopes, personne n’imaginait tester ces prédictions.

Beaucoup des concepts scientifiques modernes d’observation, d’expérimentation et de test des hypothèses à l’aide de mesures quantitatives précises ont été lancées par un home qui vivait près d’un siècle après Copernic. Galilée (Figure 2.19), un contemporain de Shakespeare, est né à Pise. Comme Copernic, il commença des études médicales sans grand intérêt pour le sujet, puis changea pour les mathématiques. Il a occupé des postes de professeur aux universités de Pise et de Padoue, puis est devenu mathématicien du grand-duc de Toscane à Florence.

Les plus grandes contributions de Galilée appartiennent au domaine de la cinématique, l’étude du mouvement et des actions des forces sur des corps. Si quelque chose est au repos, cette chose reste au repos et a besoin d’une influence extérieure pour commencer à bouger – ceci nous est familier et était déjà familier aux contemporains de Galilée. Le repos était donc considéré comme l’état naturel de la matière. Galilée a montré, cependant, que le repos n’était pas plus naturel que le mouvement.

Si un objet glisse sur un sol rugueux, il s’arrête rapidement, parce que la friction entre le sol et cet objet agit comme une force qui le ralentit. Cependant, si le sol et l’objet sont hautement polis, l’objet — auquel on a donné la même vitesse initiale — va glisser plus loin avant de s’arrêter. Sur une couche de glace bien lisse, il glissera encore plus loin. Galilée a imaginé que si toutes les forces résistantes étaient supprimées, l’objet continuerait à se mouvoir indéfiniment. Son propos était qu’une force était nécessaire pour mettre un objet en mouvement, mais aussi pour le ralentir, l’arrêter, l’accélérer, ou lui faire changer de direction. Vous pouvez expérimenter ceci en poussant une voiture, ou en déplaçant un bateau en tirant sur son amarre.

Galilée a aussi étudié la façon dont les objets accélèrent – changent de vitesse ou de direction. Galilée observa des objets en chute libre ou qui roulaient le long d’une rampe. Il découvrit que ces objets accéléraient uniformément ; c’est-à-dire que, dans des intervalles égaux en temps, ils gagnaient une quantité égale de vitesse. Galilée formula ses découvertes en des lois aux termes mathématiques précis, qui permirent aux futurs expérimentateurs de prédire à quelle distance et à quelle vitesse des objets se déplaceraient en divers intervalles de temps.

Quelque part dans les années 1590, Galilée adopta l’hypothèse copernicienne d’un système solaire héliocentrique. Dans l’Italie catholique, ça n’était pas une philosophie populaire : les autorités cléricales soutenaient toujours les idées d’Aristote et de Ptolémée, et elles avaient des raisons politiques et économiques puissantes pour insister sur le fait que la Terre était le centre de la création. Galilée a non seulement changé de position, mais a aussi eu l’audace d’écrire en italien plutôt qu’en latin scolaire – en plus de faire donner des cours publics sur ses théories. Pour lui, il n’y avait pas de contradiction entre l’autorité de l’Église en terme de religion et de moralité, et l’autorité de la nature (révélée par les expériences) en matière de science. C’est principalement à cause de Galilée et de ses « dangereuses » opinions que, en 1616, l’Église émit un décret d’interdiction déclarant que la doctrine copernicienne était « fausse et absurde » et donc ne devait être ni retenue, ni défendue.

Nous ne savons pas qui a eu, pour la première fois, l’idée de combiner deux ou plus lentilles de verre pour créer un instrument qui agrandit les images des objets distants, les faisant paraitre plus proches. Les premières lunettes astronomiques connues avec certitude ont été fabriquées en 1608 par le fabriquant de lunettes de vision hollandais Hans Lippershey (1570 – 1619). Galilée a entendu parler de cette découverte et, sans même avoir vu une lunettes assemblée, en a construit une avec un pouvoir de grossissement de trois fois ($3\times$), qui faisait apparaitre les objets distants trois fois plus proches et plus gros (Figure 2.20).

Le 25 aout 1609, Galilée dévoila une lunette d’un grossissement de $9 \times$ aux officiels du gouvernement de la cité-état de Venise. Un grossissement de $9 \times$ signifie que les dimensions linéaires des objets observés semblent neuf fois plus grandes, ce qui revient à dire que l’objet apparait comme s’il était neuf fois plus proche qu’en réalité. Ce type d’objet qui permet de voir les objets lointains procure d’évidents avantages militaires. Grâce à cette invention, le salaire de Galilée fut pratiquement doublé, et il reçut une chaire de professeur à vie – ses collègues universitaires en furent outrés, en particulier car l’invention n’était même pas originale.

D’autres que Galilée avaient déjà utilisé des longues-vues pour observer des choses sur Terre. Mais, dans un éclair de perspicacité qui changea l’histoire de l’Astronomie, il réalisa qu’il pouvait se servir de la puissance de ces outils pour observer les cieux. Avant d’utiliser sa lunette pour des observations astronomiques, Galilée a dû concevoir une monture stable et améliorer la qualité optique. Il augmenta le grossissement jusqu’à $30 \times$. Galilée eut aussi besoin de gagner confiance dans la qualité les lunettes.

À cette époque on considérait la vision humaine comme l’arbitre de la réalité en ce qui concerne les tailles, formes et couleurs. Les lentilles, miroirs et prismes étaient connus pour déformer les images distantes en les grossissant, rapetissant ou inversant ; ou en éparpillant la lumière en un spectre – un arc-en-ciel de couleurs. Galilée entreprit donc une série d’expériences, dans le but de se convaincre que ce qu’il voyait à travers la lunette était identique à ce qu’il verrait s’il se rapprochait. Ainsi, il pourrait être confiant dans le fait que les miracles célestes révélés par son instrument étaient aussi réels.

Au début de son travail astronomique, fin 1609, Galilée découvrit beaucoup d’étoiles trop ténues pour être visibles à l’œil nu mais qui devenaient visibles à la lunette. En particulier, il découvrit que certains objets flous se révélaient être constitués d’une multitude d’étoiles, et que la Voie Lactée – la bande laiteuse qui traverse le ciel nocturne – était aussi constituée d’innombrables étoiles individuelles.

En examinant les planètes, Galilée découvrit quatre lunes orbitant autour de Jupiter, avec des périodes d’un peu moins de deux jours à environ 17 jours¹. Cette découverte était particulièrement importante, parce qu’elle montrait que tout n’avait pas à tourner autour de la Terre. De plus, elle prouvait que certains centres de mouvement pouvaient eux aussi se déplacer. Certains défenseurs du géocentrisme affirmaient que si la Terre était en mouvement, la Lune serait laissée derrière, parce qu’elle ne pourrait pas rattraper le mouvement rapide de la Terre. Les lunes de Jupiter montraient l’inexactitude de cet argument.

C’est à l’aide de cette lunette que Galilée put réaliser le test de la théorie de Copernic mentionné plus tôt, basé sur les phases de Vénus. En quelques mois, il observa que Vénus présentait des phases comme celles de la Lune, montrant ainsi qu’elle devait orbiter autour du Soleil. Nous voyons donc différentes parties de sa face éclairée selon l’époque d’observation (cf la Figure 2.18). Ces observations ne correspondaient pas au modèle de Ptolémée, dans lequel Vénus tournait autour de la Terre. Dans ce modèle, Vénus pouvait présenter des phases, mais elles ne correspondaient pas à celles observées par Galilée.

Galilée a aussi observé la Lune, et y vit des cratères, des chaines de montagnes, des vallées et des zones plates et sombres qu’il pensait être de l’eau. Ces découvertes montraient que la Lune pouvait ne pas être très différente de la Terre, ce qui suggérait que la Terre, elle aussi, pouvait être un corps céleste comme les autres.

Le travail de Galilée rendait difficile le refus du modèle copernicien, et la Terre a été lentement détrônée de sa position centrale dans l’Univers pour être remise à sa place d’une des planètes du Soleil. Cependant, Galilée commença par rencontrer une grande opposition. L’Église Catholique Romaine, perturbée par la Réforme Protestante, cherchait à affirmer son autorité et a choisi de faire de Galilée un exemple. Il a dû comparaitre devant l’Inquisition pour répondre d’accusations selon lesquelles son travail était hérétique, et a finalement été condamné à l’assignation à résidence. Ses ouvrages étaient sur la liste des livres interdits jusqu’en 1836 – bien que, dans les pays où l’Église Catholique Romaine avait moins d’influence, ils étaient largement lus et commentés. Il a fallu attendre 1992 pour que l’Église Catholique admette publiquement qu’elle avait commis une erreur en censurant les idées de Galilée.

Les nouvelles idées de Copernic et Galilée démarrèrent une révolution dans notre conception du cosmos. Il devint finalement évident que l’Univers est un lieu vaste, dans lequel la Terre n’a pas de rôle particulier. L’idée que la Terre tourne autour du Soleil comme les autres planètes a soulevé la possibilité que ces dernières pourraient être elles-mêmes des « mondes », et peut-être même abriter la vie. L’humanité a été rétrogradée de sa position au centre de l’Univers avec la rétrogradation de la Terre. L’Univers, malgré ce que nous pourrions souhaiter, ne tourne pas autour de nous.

Tout ceci est évident pour la plupart d’entre nous aujourd’hui. Mais il y a quatre siècles, ces idées étaient terrifiantes et hérétiques pour certains, immensément stimulantes pour d’autres. Les pionniers de la Renaissance ont lancé le monde européen sur la voie de la science et de la technologie, que nous suivons encore aujourd’hui. Pour eux, la nature était rationnelle et pouvait être connue, ses secrets révélés par les expériences et les observations.