Newton et la mécanique céleste

Une avancée décisive; le télescope de Newton:

Après avoir mené une étude sur les radiations lumineuses qui composent le spectre continu de lumière blanche provenant du soleil, Newton se penche sur l’observation de l’espace grâce au perfectionnement du télescope.

En 1671 il améliore le fonctionnement du télescope a réflexion, en effet le physicien Gregory , en propose déjà un modèle au début du XVIIème siècle mais il est rapidement trop volumineux et difficile à manipuler ! Bien entendu Newton lance son nouveau télescope, après la lunette astronomique de Galilée qui du point de vue de sa théorie de dispersion des couleurs par tout élément transparent condamne l’invention galiléenne ! C’est pourquoi il met en place le télescope dit de «Newton» qui se base sur la réflexion de la lumière !

Diagramme du télescope de Newton:

Le principe:
Les rayons lumineux provenant d’un objet éloigné atteignent le miroir parabolique,  qui a la particularité de recueillir derayons lointains et de les projetés selon un angle constant, ce qui permet de placer le second miroir plane qui réfléchit à son tour les rayons qui émergent du premier miroir ! L’oculaire convergent joue alors un rôle de «loupe» et permet de visualiser l’objet lointain agrandi.
Isaac Newton construit ses surfaces réfléchissantes lui-même à l’aide de bronze hautement réfléchissant !

Remarque: 

Dans les années 1660 deux astronomes-physiciens, Grégory et Cassegrain proposent eux aussi deux autres modèles de télescope réfléchissants, bien que réalisables actuellement, ils ne voient pas le jour à l’époque car ils reposent sur la fabrication de miroirs à surfaces ellipsoïdales et hyperboliques, impossibles à fabriquer avec les techniques dl’époque 

Un télescope pratique et maniable:

Le télescope de Newton ne présente pas d’aberration chromatique autrement dit de dispersion de quelconque des radiations constitutives de la lumière blanche, l’image n’est pas floue par conséquent. L’invention du génie anglais a permis d’observer des corps célestes depuis différents endroits grâce à la petite taille de l’appareil (environ 6 pouces) comparée à celle de ses prédécesseurs (plus de 5 pieds) ce qui lui permet une forte maniabilité ! De plus son télescope est plus stable et lumineux ! Grâce à la mise en place de ce télescope bien plus performant de tout les points de vue ; l’observation de l’espace est accentuée et Newton met en place sa théorie de la gravitation universelle.

La gravitation universelle:

Bien qu’à l’époque peu de comètes soient visibles à l’œil nu; entre 1664 et 1682 deux comètes intriguent les astrophysiciens et certains intellectuels de leur temps. En effet la première et la seconde sont visibles pendant plus de 6 semaines laissant le temps aux scientifiques d’analyser leur trajectoire. Ainsi en 1682 on découvre alors tout l’intérêt du télescope de Newton qui permet observer la trajectoire de la comète dite de Halley. Les observations réalisées tendent à affirmer que les deux comètes, celle de 1664 et 1682 sont en réalité les mêmes et qu’on peut les distinguer  entre un certain laps de temps. En réalité leurs trajectoires bien que similaires ne sont pas identiques. En revanche l’observation de comète de façon périodique relance dès lors la question de leur mouvement. Newton se penche alors sur la question de leur trajectoire et ce qui la délimite.

Les études de Hooke:

Ce physicien utilise le télescope de Newton afin d’observer la trajectoire des comètes. Il prend conscience que celle-ci est de manière générale elliptique mais qu’elle peut être circulaire dans certains cas particuliers. Il utilise la métaphore du pendule pour modéliser l’attraction d’un corps vers un centre, car pour lui seul une attraction peut expliquer la forme des trajectoires qu’il observe.

D’après lui, « si on écarte un pendule de sa position d’équilibre, il se met à osciller sur un arc de cercle de part et d’autre de son point d’équilibre ».  Cependant « si on le lance il décrit autour de sa position d’équilibre une courbe quasi-elliptique, qui peut être circulaire selon l’impulsion donnée au pendule ». Cette théorie bien que simplifier et insatisfaisante pour Newton confirme tout de même l’idée d’une attraction gravitationnelle dès 1680.

Les lois de Kepler:

1ère loi de Kepler: Les planètes du système solaire décrivent des trajectoires elliptiques dont le soleil occupe l’un des foyers. C’est le centre de gravité qui définit le foyer du soleil et de la planète en gravitation. Le soleil exerce donc une force centripète sur les planètes.

3ème loi de Kepler:

Des éléments indispensables à Newton:

Newton met au point des méthodes qui lui permettent d’étendre aux ellipses les calculs qu’il était capable de réaliser sur des cercles. De plus ces méthodes lui permettent de redémontrer les lois de Kepler. En sus, il s’appuie sur les découvertes de Huyghens, qui dévoile l’existence de Titan,  et de Galilée qui étudie la Lune et son mouvement, pour affirmer que la gravitation entre deux corps, correspond à l’attraction entre leurs centres d’inertie. Pour que le génie puisse parfaire sa théorie il lui manque plus qu’un élément fondamental, le rayon terrestre.

Picard établit la mesure d’un arc de méridien terrestre:

Paris et Amiens sont deux villes situées sur le même méridien, Picard a donc mesuré la distance entre ces deux villes qui forment un arc de méridien. Afin de réaliser ce calcul il utilise la trigonométrie qui à partir de la connaissance de deux angles et de une ou deux longueurs permet de déterminer la troisième. Il utilise en l’occurrence les clochers d’églises ou de monuments historiques comme sommets de ces triangles. Cette technique permet d’obtenir des mesures très précises. Ainsi la distance d’un arc méridien (Paris-Amiens) est fixée à 112km (soit une valeur avec 0,1% d’erreur). La mesure d'un arc de méridien permet de déterminer la circonférence de la terre et le rayon terrestre, 3360 km.

Application de la théorie de Newton :

Isaac Newton s’inspire des lois de Kepler et des observations de ses confrères : HuyghensGalilée, Halley et Hooke, émises quant à la trajectoire des satellites (Lune, Titan) autour de leur planète. Il connaît la distance Terre-Lune établit par Kepler de par sa loi des périodes, qui est de 384 000km d’après ses calculs. De plus il connait le rayon de la terre, 3360km.

D’après la légende, en 1684 lorsque Newton vérifia sa théorie à l’aide des éléments dont il avait besoin, les nombres s’arrangeaient si bien entre eux qu’il n’osait plus continuer son calcul, submergé par l’émotion.

 

La publication de Principia en 1686:

Jusqu’à présent les découvertes de Newton ne s’apparentaient qu’à des rumeurs mais le génie devant l’importance de ses découvertes se laisse convaincre par son fidèle ami Halley de publier ses démonstrations et c’est ainsi que naît Principia un ouvrage scientifique en trois volumes d’Isaac Newton.

L’avis de la société:

A l’époque sous le règne de Louis XIV, la société est divisée entre nobles et Tiers-Etat. En réalité le Tiers-Etat et ses membres les plus pauvres tels les paysans ou les artisans ne s’intéressent guère à la science et à son évolution. En revanche les marchands ou les commerçants qui forment la bourgeoisie et la partie supérieur du Tiers-Etat semble à la fois admiratif mais également dubitatif face à la complexité de l’ouvrage ! Les gens instruits et curieux perçoivent Principia comme une œuvre d’exception mais qu’y leur est austère ! Chacun tente courageusement d’en comprendre une partie mais au final on retiendra que la terre tourne autour du soleil de par son poids et vice versa pour la Lune. Cette découverte reste importante car elle marque la fin de croyance et de suppositions auxquelles succède la démonstration. A l’époque la principale difficulté réside en la présentation de la publication au Roi Soleil, mais Halley à l’intelligence de rédiger une lettre accessible à la compréhension de la cours qu’il intitule «Discours au Roi sur les marées». Il choisit ainsi un sujet parlant pour illustrer les résultats de son ami.

L’avis des savants:

En 1686, lorsque Newton publie Principia seul les grands physiciens comme Leibniz, Huyghens, Hooke, Roemer ou encore Halley sont capables d’en comprendre les démonstrations complexes mais d’autres comprennent les enjeux physiques et l’importance des résultats publiés! Seulement une révélation engendre l’indignation des contemporains, il s’agit de l’action à distance qui est un retour à "la physique des Anciens" et qui rappelle "l’horreur du vide" . Mais la question de l’action à distance sera rapidement oubliée par les expériences de Blaise Pascal qui démontre que l’eau subit la pression atmosphérique et non pas qu’elle est soumise à  «l'horreur du vide» comme l’inculque l’Église.

 

Conclusion:

Newton, bien que connu de la communauté scientifique pour la mise au point de son télescope, reste longtemps méconnu des nobles et des grands savants de son époque. Mais son télescope dans un premier temps, a permis l’accélération de l’observation de l’espace et donc une nouvelle vision spatiale. C’est en partie suite à l’observation des mouvements célestes que le génie s’est penché sur la théorie de la gravitation  et qu’il a publié Principia en 1686. Dès lors les membres de la haute société et les savants de l’époque bien qu’ils ne comprennent pas pour la plupart les démonstrations de Newton trouve l’explication à de nombreux phénomènes physiques de leur époque, le mouvement héliocentrique des planètes, les marées et la disparition puis la réapparition de certaines comètes selon des périodes précises.

De part les progrès scientifiques apportés par Newton comme le télescope ou de part ses formidables découvertes, beaucoup d’observations de l’espace ont été non seulement confirmées mais aussi expliquées ce qui a modifié la vision de l’espace, étant donné que les mouvements observés ne sont plus dus à des forces divines mais à des phénomènes physiques clairement définis.