Isaac
Newton
Après les travaux
de Kepler et de Galilée, la description du mouvement des planètes était enfin
correcte. Cette description n’était cependant pas complète, elle ne fournissait
aucun renseignement sur la cause de ces mouvements et n’expliquait par pourquoi
les orbites étaient des ellipses plutôt qu’une autre forme quelconque.
C’est Isaac
Newton, un physicien anglais né en 1642, qui fournit la réponse à ces questions
et acheva ainsi la quête d’une description complète des mouvements planétaires.
Isaac Newton :
Woolsthorpe, 1643 – London, 1727
Des mêmes lois
pour tous les corps
Lorsque Newton
entama sa carrière de physicien, la description du mouvement des corps
distinguait encore la Terre et les cieux. D’un côté, on trouvait le mouvement
des corps célestes qui obéissait aux lois de Kepler, de l’autre, le mouvement
des corps terrestres qui suivait les lois proposées par Galilée.
Les deux
ensembles de lois semblaient totalement différents et irréconciliables. Mais,
en 1666, Isaac Newton fit un raisonnement qui ouvrit la voie à une
réconciliation des deux descriptions.
Imaginons que
nous placions un canon au sommet d’une montagne. Imaginons également qu’il soit
possible d’utiliser ce canon pour tirer des boulets avec une puissance
arbitrairement grande et que les boulets ne soient pas freinés par l’atmosphère
terrestre.
Si nous plaçons
peu de poudre dans le canon, nous enverrons le boulet à quelques dizaines de
mètres. En augmentant la quantité de poudre, nous pourrons l’envoyer de plus en
plus loin, à un kilomètre, à dix kilomètres et ainsi de suite. Le boulet sera
soumis à la pesanteur de la Terre et obéira aux lois de Galilée sur le
mouvement des corps.
Mais si nous
multiplions encore la puissance du canon, à partir d’un certain moment, nous
réussirons à envoyer le boulet de l’autre côté de la Terre. Enfin, en
augmentant encore la vitesse, arrivera un point où le boulet fera le tour de la
Terre avant de passer au-dessus de notre tête et de continuer son vol. Le
boulet décrira alors un cercle ou une ellipse autour de la Terre : il sera en
orbite et se conformera aux lois de Kepler sur le mouvement des corps célestes.
Avec ce
raisonnement très théorique, Newton réconciliait les différents types de
mouvement, l’orbite keplerienne du boulet-satellite s’identifiait au mouvement
galiléen du boulet-projectile. Après cette révélation, Newton s’attacha à
transformer son intuition en une théorie mathématique capable de décrire le
mouvement de n’importe quel corps.
La loi de la
gravitation universelle
Comme les
premiers essais ne furent pas à la hauteur de ses ambitions, il abandonna le
sujet pendant une longue période et il fallut attendre plus de 20 ans pour que
Newton mette au point sa théorie et la publie finalement, en 1687, dans
Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Principes mathématiques de la
philosophie naturelle).
Dans cet ouvrage,
Newton montra que de nombreux phénomènes, en particulier le mouvement des
astres et la chute des corps, pouvaient s’expliquer par l’action d’une force
qui faisait s’attirer mutuellement tous les objets. C’était par exemple la
force d’attraction du Soleil qui réglait le mouvement des planètes et la force
d’attraction de la Terre qui faisait chuter les corps à sa surface.
En s’appuyant sur
les lois de Kepler, Newton réussit à donner une expression mathématique à cette
force et put énoncer la loi de la gravitation universelle : l’intensité de la
force d’attraction entre deux corps est proportionnelle au produit de leurs
masses et inversement proportionnelle au carré de leur distance mutuelle.
De nombreuses
applications
A partir de la
loi de la gravitation universelle, Newton fut en mesure d’analyser
mathématiquement de nombreux phénomènes.
Il démontra que
les planètes devaient effectivement suivre des ellipses autour du Soleil et
confirma toutes les lois découvertes par Kepler.
Il montra que les
mouvements des corps célestes n’étaient pas toujours des ellipses. Certains
objets, en particulier certaines comètes, suivaient d’autres de trajectoires,
appelées paraboles et hyperboles. Ces courbes, contrairement aux ellipses,
étaient ouvertes et les corps qui les parcouraient finissaient par s’éloigner
indéfiniment du Soleil.
Newton fut
également le premier à estimer les masses relatives de la Terre, du Soleil et
des autres planètes.
Finalement, la
loi de la gravitation universelle lui permit d’expliquer des phénomènes
terrestres comme la marée, due à la force d’attraction de la Lune sur la Terre,
ou bien la forme de notre planète et son renflement équatorial.
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