Astronomie
Parce qu'il est fondamental ce sujet constitue un chapitre séparé, comme plus loin la gravitation et l'électricité.
Nicolas Copernic (1473-1543) en astronomie : reprend la théorie d'héliocentrisme d'Aristarque de Samos (320/-230) selon laquelle il semble plus logique que les planètes plus petites tournent autour des planètes plus grandes donc : la lune tourne autour de la Terre et celle-ci autour du Soleil.
Le système de Copernic repose sur l'observation que la Terre tourne sur elle-même et fait un tour sur son axe en une journée.
Il prétend également que: la Terre fait le tour du Soleil (révolution), et non l'inverse, en un an.
Il affirme de plus que les autres planètes, comme la Terre, tournent toutes autour du Soleil. Copernic avance également le fait que l'axe de la terre oscille comme celui d'une toupie, ce qui explique la précession.
Le nouveau système proposé par Copernic explique, entre autres, le mouvement journalier du soleil et des étoiles par la rotation terrestre, ainsi que le mouvement du soleil au cours de l'année.
Il a également l'avantage d'expliquer le mouvement rétrograde des planètes externes, (Mars, Jupiter, Saturne). Sa théorie prend également en compte les planètes internes, Vénus et Mercure, qui sont situées plus près du Soleil que la Terre.
Copernic, reprenant les idées de la grèce, fixe un ordre du monde avec le Soleil au centre, entouré par les six planètes et par une sphère fixe étoilée.
Mais il conserve certains éléments erronés des Grecs, comme l'idée que les astres se déplacent sur des sphères solides et transparentes et que les étoiles fixes sont disposées sur la sphère immobile qui limite l'espace céleste.
Tycho Brahé (1546 - 1601) s'installe en 1576, sur une petite île que le roi du Danemark lui a offert. Il y fait édifier un observatoire astronomique et des dépendances pour accueillir des collaborateurs et des étudiants.
Il construit des instruments de mesure de précision croissante (des sextants) améliorant de manière décisive les performances de l'époque. Sur la base de ses observations et avec l'aide de Kepler, il établit les tables astronomiques les plus précises jamais réalisées dont les calculs de l'orbite de Mars. Cette augmentation de la précision aura un caractère crucial pour la découverte des lois du mouvement des planètes.
Tycho Brahe , en 1577, observe : une supernova dans la constellation de Cassiopée
, dont il mesure la hauteur au dessus de l'horizon et constate l'erreur d'Aristote qui pensait que les corps se formaient en dessous de la Lune et dans notre atmosphère. Tycho Brahe démontre que la supernova n'a pas de parallaxe diurne mesurable, et que cet objet doit se situer bien plus loin de la Terre que la Lune et en dehors de l'atmosphère terrestre.
En observateur neutre, Tycho Brahe examine toutes les données recueillies ainsi que les siennes propres. Pour lui le résultat est clair : la comète doit décrire une orbite elliptique autour du soleil bien au-delà de la Lune, recoupant celles des planètes. Il en déduit en conséquence :
Les planètes ne se déplacent pas sur des sphères solides et transparentes (les fameuses sphères de cristal
).
Cette découverte eut une influence profonde sur les générations suivantes, en particulier sur Johanne Kepler, Mais, si les sphères célestes n'existent pas, comment la Terre se déplace t'elle ?
La question, à cette époque, demeure sans réponse
Johanne Kepler (1571 - 1630) élève de Tycho Brahe généralise le principe des orbites elliptiques à toutes les planètes.
En astronomie : Kepler étudiant les positions astronomiques très précises établies par Tycho Brahe, change sa façon de penser: au lieu de supposer que les trajectoires des planètes sont des combinaisons de cercles solides, et, au lieu d'essayer de trouver la meilleure combinaison pour reproduire les observations, finalement il tente directement de trouver la forme des orbites des planètes. Pour cela, il utilise les positions de Mars relevées dans le ciel par Tycho Brahe qui étaient suffisamment précises pour que Kepler s'aperçoive rapidement que les orbites circulaires ne rendent pas exactement compte des observations et il en déduit sa première loi dite de Kepler qui allait à l’encontre du dogme du mouvement circulaire auquel tous les astronomes coyaient depuis les Grecs. Pourtant Kepler ne pouvait nier l’évidence de ses calculs. Et ce qui était vrai pour Mars devait l’être pour toutes les autres planètes.
Les orbites sont en fait des ellipses, dont le Soleil occupe un des deux foyers
.
En supposant que la vitesse des planètes est inversement proportionnelle à leur distance au Soleil, Kepler établit sa seconde loi
La ligne qui joint le Soleil à la planète balaie des surfaces égales en des temps égaux
.
Enfin, c'est par intuition approximative que Kepler établit sa troisième loi:
Le carré de la période de révolution (T) divisé par le cube de la distance (a) de la planète au soleil, est une constante.
Les lois de Kepler sont donc d'abord une solution pour résoudre le problème du mouvement de deux corps soumis à une force réciproque, ce qu'on a appelé le problème des deux corps
.
Les lois de Kepler donnent des résultats tellement précis pour l'époque, qu'en 1601, l'empereur Rodolphe II demande à Tycho Brahe et à Kepler d'établir de nouvelles tables astronomiques, appelées tables Rudolphines.
Sur la base des observations de Tycho Brahe, et du modèle de système solaire de Copernic, et des trois lois de Kepler, ces tables virent le jour en 1627, 26 ans après la mort de Tycho Brahe. Leur précision fut démontrée de façon éclatante en 1631, 3 ans après la mort de Kepler, quand, le 7 novembre, selon les prédictions des tables Rudolphines, Mercure passa devant le Soleil.
L'astronome Pierre Gassendi (1592-1655) fut le premier de l'histoire à observer Mercure passer devant le Soleil en suivant de manière exacte les positions données par les tables Rudolphines
En dépit de la formidable avancée faite par Kepler, ses trois lois ne concernent que les relations entre les paramètres de position et de vitesse des astres dans leur mouvement, mais ne renseignent en rien sur l'origine des forces qui les tiennent en suspension dans l'espace céleste.
Kepler s'étant penché sur ce problème de sustentation des astres, était convaincu qu'une force d'attraction mutuelle s'exerçait entre tous les corps. Force qu'il attribuait à des propriétés magnétiques des corps célestes (seule force connue à l'époque capable d'attirer deux objets). Pour lui, ces forces, comme la lumière, devaient se propager instantanément,
Galilée (1564 - 1642) en astronomie : grâce à sa lunette, découvre la nature de la Voie lactée, dénombre les étoiles de la constellation d'Orion et constate que certaines étoiles visibles à l'œil nu sont en fait des amas d'étoiles. Il étudie également les tâches solaires.
Le 7 janvier 1610, Galilée fait une découverte capitale : il observe 3 petites étoiles à côté de Jupiter. Après quelques nuits d'observation, il constate qu'elles sont quatre et accompagnent la planète.
Galilée en déduit que l'ensemble formé par Jupiter et ses satellites est un modèle du système solaire. Grâce à eux, il pense pouvoir démontrer que les les orbites solides de cristal
d'Aristote n'existent pas et que tous les corps célestes ne tournent pas atour de le Terre, mais
La terre et les autres planètes tournent autour du Soleil qui les attire
.
De ce principe d'attraction découle naturellement la notion de force en physique. Si à l'époque Galilée constate l'action de cette force il en ignore la nature :
Une force est ce qui modifie le mouvement d'un corps, tant en vitesse qu'en trajectoire. En l'absence de force, le corps poursuit sa trajectoire et conserve sa vitesse. Si une force est appliquée dessus, alors, l'objet modifiera sa trajectoire.
C'est ainsi que l'attraction du Soleil oblige les planètes à modifier leur trajectoire pour tourner autour dudit Soleil.
Galilée est le premier à formuler mathématiquement le principe de la composition des vitesses :
Soit un observateur dans un référentiel (R1) qui regarde se déplacer un objet (C) à la vitesse (V). Alors, un observateur dans un référentiel R2 qui se déplace par rapport à (R1) avec la vitesse Vr, verra se déplacer (C) à la vitesse (V-Vr) (les vitesses sont ici des vecteurs). C'est le principe de composition des vitesses classique
Galilée propose le principe de la relativité : dans un navire, aucune expérience de mécanique ne permet de distinguer lorsque le navire est immobile au port de lorsque il est en mouvement uniforme : une expérience mécanique (chute d'un corps, mouvement d'un pendule, etc.) donnera des résultats identiques du simple fait que l'accélération est identique.
C'est le principe de relativité galiléenne, les lois physiques de la mécanique sont identiques pour tous les repères inertiels (ceux qui, quelle que soit leur vitesse, ne sont pas soumis à une force).
Le bilan scientifique de Galilée est extraordinaire : il révolutionne la vision du monde en imposant le système d'héliocentrisme, et en initiant le principe d'inertie qui sera le fondement de toute la physique.
Pierre Gassendi (1592 - 1655) étudia entre autres le mouvement des comètes, les éclipses de la Lune et l'évolution des taches solaires.
En 1621, il est le premier à décrire scientifiquement le phénomène lumineux atmosphérique qu'il nomme aurore boréale
en observant le 12 septembre, près d'Aix-en-Provence, une aurore polaire exceptionnelle. Le 7 novembre 1631, il observe un passage de la planète Mercure devant le Soleil.
Il travaille également sur la propagation des sons ainsi que sur les lois du mouvement et de l'inertie.
Descartes (1596 - 1650), publie, en 1637, son œuvre fondamentale discours de la méthode
. Dans cet ouvrage il élabore une méthode qu'il veut universelle, aspirant à étendre la certitude mathématique à l'ensemble du savoir, et espère ainsi fonder une mathesis universalis
, une mathématique universelle.
Des multiples aspects de son savoir nous ne retiendrons ici que ses conceptions astronomiques :
Contrairement aux concepts de Kepler et Galilée, Descartes exclut une action à distance du Soleil. Pour lui cette idée ne repose sur aucun fondement rationnel. Par ailleurs, il s'oppose à l'existence du vide. Il énonce donc que le mouvement des planètes est dû à de grands tourbillons d'éther remplissant l'espace et qui les emportent et les maintiennent sur leurs trajectoires. Cette théorie ne permettait cependant pas de faire des calculs prévisionnels. Elle influença néanmoins les scientifiques français de la fin du dix-septième siècle jusqu'au début du dix-huitième siècle
Dans le traité du monde et de la lumière Descartes décrit un système proche de l'Héliocentrisme de Copernic dont la défense a valu à Galilée une condamnation par le tribunal de l'Inquisition.
Huygens (1629 - 1695) avec son frère réalise une lunette plus puissante que toutes celles disponibles. Pour ce faire, en 1655, il invente une machine à polir les lentilles de verre d'un diamètre de 7 centimètres.
En astronomie : grâce aux instruments de sa fabrication, découvre l'anneau de Saturne et son satellite Titan.
En 1656, il découvre que ces anneaux sont constitués de roches. La même année, il observa la nébuleuse d'Orion. En utilisant son télescope moderne, il sépare la nébuleuse en différentes étoiles. La partie interne la plus lumineuse de la nébuleuse s'appelle actuellement la région de Huygens en son honneur. Il découvrit également plusieurs nébuleuses et quelques étoiles doubles.
Hook (1635 - 1703) en astronomie : calcule ce que donne la formule de Huygens pour une planète tournant autour du Soleil et trouva que la force centrifuge était égale à (v2/r=1/k.r2)
Il pense que le mouvement circulaire des planètes pourrait sûrement s'expliquer comme la conséquence d'une unique force attractive en (1/r2) qui attire le corps vers le Soleil, mais le mouvement circulaire lui-même est la conséquence de la tendance du corps à conserver un mouvement rectiligne (conséquence du principe d'inertie). Ce mouvement rectiligne est à tout instant modifié par la force attractive et le bilan de ces deux effets est un mouvement circulaire.
Il utilise le pendule pour mesurer le champ de pesanteur Il construit un microscope et de nombreux instruments de mécanique. Il est l'un des créateurs de la géologie et de la météorologie.
Ole Christensen Rømer(1644 - 1710) au début de sa carrière s'est efforcé de créer de nouvelles méthodes et faire des observations dans le but de confirmer l'hypothèse de Copernic à propos des parallaxes stellaires. Il a également construit des modèles montrant la rotation des satellites de Jupiter autour de celle-ci, et le mouvement de la Lune autour de la Terre.
En 1676, travaillant sur les éclipses du satellite Io
de Jupiter, Romer remarque que ces évènements se produisent tantôt à l'heure prévue. tantôt 10 minutes en avance et d'autres fois. 10 minutes en retard. Il travaille sur ce problème et trouve (en septembre 1676) que c'est le temps que met la lumière à nous parvenir de Jupiter qui cause ce retard ou cette avance : la lumière n'a donc pas, comme on le pensait auparavant, une vitesse infinie. Römer estime à 11 minutes son temps de propagation depuis le Soleil (il est en fait de 8 minutes et 19 secondes). En considérant les positions respectives de la Terre et de Jupiter par rapport au Soleil. En septembre 1676, il annonce que l'éclipse d'Io prévue le 9 novembre se ferait avec 10 mn de retard. Le succès fut complet, et un compte-rendu fut publié dans Le journal des savants le 7 décembre.
Cela permet à Romer de calculer la vitesse de la lumière : il arrive au résultat de (c = 212 000 km/s), au lieu de la valeur retenue actuellement de 299 792,458 km/s, soit une erreur (relativement faible) de 29 %. Cette erreur est due au fait qu'il ne connaissait pas suffisamment précisément la distance de la Terre au Soleil. Plus tard, ces calculs seront refaits par d'autres avec plus de précision.