calcul infinitésimal: ensemble de techniques mathématiques développées par Newton et Leibniz, comprenant deux branches: le calcul différentiel et le calcul intégral. Le premier traite des taux de variation de la valeur d’une fonction par rapport aux variations infiniment petites de ses paramètres. Le second est l’opération inverse, et sert, entre autres, à déterminer une aire sous-tendue par le graphe d’une fonction. La terminologie utilisée aujourd’hui est celle de Leibniz – Newton, quant à lui, l’appelait la « méthode des fluxions ». Newton et Leibniz ont élaboré leurs idées séparément. Newton a sans doute inventé les fluxions le premier, mais c’est Leibniz qui a fait paraître la première publication sur le calcul infinitésimal. Cela a donné naissance à une longue controverse sur l’antériorité de leurs découvertes respectives.
diffraction: l’une des propriétés de la lumière, qui démontre qu’il s’agit d’une onde. La diffraction (que Newton appelait « inflexion ») est ce qui se produit quand la lumière passe à travers une petite ouverture ou rase un objet opaque. Newton décrivit plusieurs expériences de diffraction, mais il eut du mal à les expliquer avec sa théorie des corpuscules (particules) de lumière.
éther: de son nom exact « éther luminifère » ou æther, l’éther était une substance invisible dont on croyait qu’elle remplissait l’univers, permettant à la lumière de se propager dans l’espace.
Gottfried Leibniz: né à Leipzig en juillet 1646, Gottfried Wilhelm Leibniz était un mathématicien consommé, contemporain de Newton. On lui doit le développement du calcul infinitésimal, et on utilise encore aujourd’hui sa terminologie et ses symboles, dont le signe summa (∫), représentant l’intégration.
Micrographie, de Hooke: adversaire de longue date de Newton, Robert Hooke est l’auteur de l’un des livres scientifiques les plus frappants du xviie siècle. Outre ses idées sur la lumière, cet ouvrage comprenait des schémas détaillés de ses observations avec l’un des premiers microscopes, notamment les reproductions en gros plan, sur de grandes planches dépliantes, d’une puce, d’un pou ou de l’œil à facettes d’une mouche.
lettre de Newton sur la lumière et la couleur: lettre que Newton écrivit en février 1672 à Henry Oldenburg, alors secrétaire de la Royal Society, et qui fut publiée dans Les Transactions philosophiques, le journal de ladite société.
Opticks: la deuxième des œuvres majeures de Newton, publiée en Angleterre en 1704. Son titre complet est Opticks: or a Treatise of the Reflexions, Refractions, Inflexions and Colours of Light. Also Two Treatises of the Species and magnitude of Curvilinear Figures (« Optique: ou un traité de la réflexion, la réfraction, l’inflexion et les couleurs de la lumière. Également deux traités sur les espèces et la magnitude des figures curvilinéaires »).
Principia: le chef-d’œuvre de Newton, Philosophiæ naturalis principia mathematica (« principes mathématiques de la philosophie naturelle »), écrit en latin et publié en 1687. Il présente ses trois lois du mouvement et sa loi de la gravitation universelle et démontre que le même principe est à l’origine de la chute de la pomme et de l’orbite des planètes autour du Soleil.
réflecteur: télescope à réflexion qui, comme celui de Newton, réfléchit la lumière grâce à un miroir concave au lieu de la réfracter à travers une lentille. Le télescope de Newton recueillait la lumière sur un petit miroir plat qui la déviait hors de l’axe optique, alors que le réflecteur précédent, proposé par l’astronome écossais James Gregory, utilisait un petit miroir parabolique pour réfléchir l’image à partir d’un trou percé au milieu du miroir principal.
théorie de Newton sur la couleur et la lumière: Newton a révolutionné la conception de la lumière et de la couleur en montrant le premier que la lumière blanche est un mélange des couleurs du spectre, que les différentes couleurs dévient à différents degrés quand elles passent d’une substance à une autre – produisant ainsi un arc-en-ciel –, et que la couleur d’un objet résulte de la lumière restante une fois les autres couleurs absorbées.
théorie ondulatoire de la lumière/théorie des particules de Newton: les contemporains de Newton, notamment le scientifique hollandais Christian Huygens, pensaient que la lumière était une onde. Newton ne l’admit jamais et élabora des arguments détaillés pour expliquer que la lumière était faite de particules. Au xixe siècle, on prouva qu’il avait tort, mais au xxe siècle, la théorie quantique réhabilita le modèle des particules.
Ses expériences en optique avaient appris à Newton que quand la lumière blanche passe à travers une lentille, les couleurs qui la composent ne dévient pas toutes de la même façon ; ce phénomène est appelé « aberration chromatique ». L’effet n’est pas très important, mais les télescopes à réfraction de l’époque – munis de lentilles – n’offraient pas une image parfaitement claire. En 1663, l’Écossais James Gregory proposa un télescope utilisant des miroirs paraboliques, et Newton comprit tout de suite que ce dispositif supprimerait l’aberration chromatique. Des difficultés pratiques empêchèrent toutefois Gregory de construire son instrument. Newton en simplifia le dessin, remplaça l’un des miroirs paraboliques par un miroir plan et construisit un petit prototype en 1668. Celui-ci se révéla aussi puissant que les plus gros télescopes à réfraction. L’un des collègues de Newton à Cambridge, Isaac Barrow, suggéra qu’il devait être porté à l’attention de la Royal Society à Londres. Cette idée poussa Newton à construire un deuxième télescope, plus grand – pas plus de 23 cm de long pour 5 cm de diamètre cependant –, dont Barrow fit la présentation à Londres en 1671. L’instrument impressionna tellement les membres de la Society qu’ils élurent Newton quelques mois plus tard.
Newton inventa un nouveau télescope en remplaçant les lentilles par des miroirs.
Newton se trompait en pensant qu’on ne pourrait jamais réduire l’aberration chromatique des lentilles. Ce problème fut finalement résolu par John Dollond, qui fabriqua une lentille à facettes avec différents types de verre. Néanmoins, la plupart des télescopes astronomiques – dont le télescope spatial Hubble – sont des réflecteurs, qui fonctionnent selon un principe similaire au dessin original de Newton. Il est en effet beaucoup plus facile de fabriquer un grand miroir qu’une lentille de même taille.
ISAAC BARROW
1630–1677
Mathématicien anglais qui fit la démonstration du télescope de Newton à la Royal Society.
JAMES GREGORY
1638–1675
Astronome écossais qui conçut – mais ne construisit jamais – le télescope à réflexion.
JOHN DOLLOND
1706–1761
Opticien anglais qui, après la mort de Newton, résolut le problème de l’aberration chromatique.
Andrew May
En matière d’expérimentation scientifique, Newton était prêt à payer de sa personne. C’est ainsi qu’il entreprit de regarder fixement le soleil d’un œil dans un miroir, jusqu’à ce que tous les objets clairs lui paraissent rouges et les sombres, bleus. Après la fin de l’expérience, il put retrouver ce « fantasme » en recouvrant son œil et en imaginant qu’il regardait le soleil. Il lui fallut quatre jours pour recouvrer un degré de vision acceptable, et il fut victime de troubles visuels récurrents pendant des mois. Plus étonnant encore, il décida de manipuler physiquement sa vision. Ses notes prises entre 1665 et 1666 décrivent une expérience durant laquelle il introduisit un passe-lacet (une sorte d’aiguille à tricoter) entre son œil et son orbite, aussi près que possible du fond de l’œil. Il exerça ensuite une pression dessus pour modifier la courbure de sa rétine, ce qui lui fit voir « des cercles blancs, noirs et de couleur », selon le mouvement et la pression imprimés. Newton n’était pas le seul parmi ses contemporains à considérer son corps comme un sujet légitime d’expérimentation, mais, si l’on considère la douleur qu’il dut endurer, son abnégation ne fait aucun doute.
Newton fit des expériences sur ses propres yeux, dont certaines douloureuses ou potentiellement dangereuses. Pour l’une d’elles, il inséra un objet entre son œil et son orbite.
L’histoire de la science comporte nombre d’anecdotes remarquables sur des chercheurs ayant réalisé des expériences sur eux-mêmes. Humphry Davy testa sur lui-même les effets du gaz hilarant (oxyde nitreux), et le poème qu’il écrivit après coup évoque une expérience plaisante. Pierre Curie scotcha des sels de radium sur son bras pendant une dizaine d’heures. Werner Forssmann inséra un cathéter dans une de ses veines, le fit remonter jusqu’à son cœur et en prit une radiographie.
RECOMPOSITION DE LA LUMIÈRE BLANCHE
HUMPHRY DAVY
1778–1829
Inventeur et chimiste britannique, président de la Royal Society de 1820 à 1827.
PIERRE CURIE
1859–1906
Physicien français, prix Nobel de physique avec Marie Curie et Henri Becquerel en 1903.
WERNER FORSSMANN
1904–1979
Physicien allemand, membre du parti nazi de 1932 à 1945, prix Nobel de médecine en 1956.
Simon Flynn
En regardant fixement le soleil, Newton vit les objets clairs devenir rouges et les objets sombres, bleus. Il lui fallut plusieurs jours pour recouvrer la vue.
Newton fut élu en 1672 à la Royal Society, l’année de la publication de sa lettre sur la lumière et la couleur. En 1703, succédant à des hommes comme Christopher Wren et Samuel Pepys, il en devint le douzième président et le resta jusqu’à sa mort. Pratiquement en faillite, la Royal Society avait grand besoin de sang neuf, et Newton, à un peu plus de 40 ans, était l’homme de la situation. Il en relança les finances, supervisa l’acquisition du premier siège de la société, et lui dédia son deuxième ouvrage majeur, Opticks, publié en 1704. Newton se consacra ensuite à assurer l’avenir de la Royal Society et à établir sa réputation, aux risques et périls de ceux qui se mettaient en travers de son chemin. Quand, en 1708, la controverse avec Leibniz sur la paternité du calcul infinitésimal prit de l’ampleur, Newton désigna un comité pour éclaircir l’affaire une bonne fois pour toutes. Mais le débat était biaisé, car ce fut lui qui écrivit le rapport dudit comité. En 1709, il établit aussi la liste des membres dont il souhaitait l’éviction. Inutile de dire qu’aucun d’eux ne fut réélu au conseil de l’institution cette année-là.
Newton présida la Royal Society durant les vingt-quatre dernières années de sa vie. Il la servit bien, et elle le servit mieux encore.
La Royal Society est née de l’œuvre de Francis Bacon, que beaucoup considèrent comme le « père de la science expérimentale ». Voulant institutionnaliser l’apprentissage expérimental, Fr. Bacon imagina une société « vouée à l’étude des œuvres et des créatures de Dieu ». La réunion inaugurale de la Royal Society eut lieu en 1660, moins de quarante ans après sa mort. Elle se choisit comme devise latine Nullius in verba, que l’on peut traduire approximativement par: « Ne croyez personne sur parole. »
FRANCIS BACON
1561–1626
Philosophe, scientifique, Lord chancelier d’Angleterre.
CHRISTOPHER WREN
1632–1723
Architecte de la cathédrale Saint-Paul, membre fondateur de la Royal Society.
SAMUEL PEPYS
1633–1703
Diariste, membre du Parlement, et président de la Royal Society de 1684 à 1686.
Simon Flynn
Nullius in verba – la devise latine de la Royal Society rappelait à ses membres l’importance de confirmer les conclusions par l’expérimentation.
En 1672, une semaine après la lecture publique de la théorie de la lumière et la couleur de Newton, Robert Hooke, curateur des expériences de la Royal Society, en présenta une critique détaillée, fondée sur ses propres expériences sur les prismes et sur ses travaux précédemment publiés dans Micrographie. La grande différence entre eux était que Hooke affirmait la nature ondulatoire de la lumière, tandis que Newton lui préférait la théorie des corpuscules. Hooke était également persuadé que la couleur était le résultat de la modification de la lumière. Trois ans plus tard, Newton écrivit une Hypothèse de la lumière, en mentionnant Hooke dans sa lettre de présentation. Quand elle fut lue à la Royal Society, Hooke se leva et déclara que la plus grande partie de ce qui venait d’être dit se trouvait dans sa Micrographie, et que Newton « n’avait fait que pousser un peu plus loin certaines caractéristiques ». Newton fut scandalisé. Afin que le débat ne s’envenime pas en public, Robert Hooke lui suggéra de correspondre avec lui en privé sur leurs visions respectives de l’optique. Newton accepta et répondit que c’était « en se juchant sur les épaules des géants qu’il avait pu voir plus loin ». La paix ne dura pourtant pas, et les humeurs s’exaspérèrent de nouveau, onze ans plus tard, lors de la publication des Principia de Newton. Ce fut seulement après la mort de Hooke, en 1703, que Newton publia son deuxième ouvrage majeur: Opticks.
La publication du premier ouvrage de Newton donna lieu à une querelle avec Robert Hooke, qui se poursuivit jusqu’à la mort de ce dernier, trente ans plus tard.
Les commentaires de Hooke sur les Principia heurtèrent profondément Newton. Selon l’astronome Edmond Halley, Hooke voulait voir sa paternité reconnue et prétendait que c’était dans ses propres travaux que Newton avait trouvé l’idée d’une force de gravitation inversement proportionnelle au carré de la distance entre deux objets. En guise de réponse, Newton supprima de son livre les mentions qu’il avait faites de son adversaire, et ne l’appela plus que Hookius au lieu de Clarissimus Hookius (« le très distingué Hooke »).
ROBERT HOOKE
1635–1703
Savant et architecte anglais.
EDMOND HALLEY
1656–1742
Astronome anglais qui finança la publication des Principia de Newton.
Simon Flynn
Grand polymathe et savant inné, Robert Hooke était aussi arpenteur-géomètre pour la City de Londres. Il publia Micrographie en 1665.
En 1664, alors que Newton était encore un bambin de 2 ans, Descartes recourut à l’idée déjà ancienne d’un fluide appelé « éther » pour expliquer la trajectoire circulaire des planètes et la propagation de la lumière. Il le concevait comme un vortex de particules dans lequel les planètes flottaient à l’image de feuilles dans un tourbillon d’eau. Pour Descartes, la lumière était une pression voyageant dans l’éther, et les couleurs étaient produites par la rotation des particules. À l’époque de Newton, l’éther servait à expliquer les interactions des corps qui n’étaient pas en contact, comme le magnétisme et la gravité. Robert Hooke, la Némésis de Newton, décrivait quant à lui la lumière comme une vibration ou un « pouls de l’éther ». Dans le prolongement de cette idée, le savant hollandais Christian Huygens en fit une onde se propageant dans l’éther. Newton n’était pas d’accord avec cette hypothèse ondulatoire, pour la simple raison que la lumière ne peut contourner les angles. Il se représentait la lumière comme un ensemble de globules ou « corpuscules » de différentes tailles, émis par des corps rayonnants et se déplaçant à une vitesse finie jusqu’à l’œil. Il suggéra que l’éther était formé de particules plus petites que celles de l’air ou de la lumière, lesquelles étaient « plus fortement élastiques ».
Newton s’imaginait que la lumière était constituée de globules émis par des corps rayonnants, et qu’elle se déplaçait en ligne droite à travers l’éther.
Newton n’aimait pas parler de l’éther ou de ce qui constituait la lumière: il admettait qu’il ne savait pas vraiment ce qu’était l’éther, et qu’il se servait de ce terme en l’absence d’une meilleure explication. Plus tard, il s’en dispensa totalement et rejeta les vortex célestes de Descartes. Ses théories du mouvement expliquaient parfaitement le mouvement des planètes sans y recourir.
RENÉ DESCARTES
1596–1650
Philosophe, mathématicien et savant français.
CHRISTIAN HUYGENS
1629–1695
Mathématicien hollandais, auteur de la théorie ondulatoire de la lumière.
Sophie Hebden
Les « corpuscules » de lumière se déplaçaient à travers un éther et les couleurs étaient produites par leur rotation.
Robert Hooke est l’adversaire le plus connu de Newton, et leur querelle dura de l’élection de Newton à la Royal Society jusqu’à la mort de Hooke.
Comme son père et ses oncles, Robert Hooke était destiné à entrer dans le clergé, mais des maux de tête persistants interrompirent ses études, le laissant libre d’étudier la nature et les engins mécaniques qui le passionnaient. À la mort de son père, alors qu’il avait 13 ans, il fut décidé en raison de ses dons pour le dessin qu’il entrerait en apprentissage auprès de Peter Lely, un portraitiste londonien. Mais cela ne dura pas. Faisant preuve d’une détermination qui ne le quitterait pas de toute sa vie, Robert Hooke utilisa son héritage de 40 £ pour payer son inscription à la Westminster School.
Après être entré au Christ Church College, à Oxford, Hooke étudia l’astronomie et la mécanique, mais travailla surtout pour le chimiste Robert Boyle, lui-même membre du « Collège invisible », une société savante à laquelle appartenaient également John Wallis et Christopher Wren. Les circonstances politiques étant devenues trop difficiles à Oxford, le « collège » se déplaça au Gresham College de Londres, où ses membres participèrent par la suite à la création de la Royal Society. En 1662, Hooke y fut nommé curateur des expériences.
Combinant ses talents de dessinateur et ses connaissances scientifiques, Hooke publia en 1665 Micrographie, un livre illustré de magnifiques planches dépliantes, dont l’une reproduit une puce avec une précision horrifiante. Dans le même ouvrage, il nota la structure répétitive de l’écorce des arbres, qualifiant ses formes de « cellules », car elles lui rappelaient les cellules des moines. Du premier télescope grégorien à la formulation de la loi de l’élasticité, on doit à Hooke nombre d’inventions remarquables, mais, pour la postérité, il resta avant tout l’adversaire de Newton.
Quand la lettre de ce dernier sur la lumière et la couleur fut présentée à la Royal Society, on demanda en effet à Hooke de la vérifier. Il avoua plus tard avoir passé peu de temps dessus, car les parties qu’il trouvait justes découlaient de ses propres idées, tandis que tout le reste était faux. Hooke et Newton se rencontrèrent à de nombreuses reprises jusqu’à la mort du premier sans que l’aigreur diminue entre eux. Au cours d’une conférence en 1690, Hooke commenta la théorie de la gravité en ces termes: « J’ai moi-même découvert et présenté [cette théorie] à cette Société… et, plus tard, M. Newton a eu la bonté de [l’] imprimer et de [la] publier comme étant de sa propre invention. » Robert Hooke était autrefois sous-estimé, mais on lui reconnaît aujourd’hui une place prépondérante dans l’histoire des sciences.
Brian Clegg
1648
Entre en apprentissage à Londres auprès de Peter Lely, mais s’inscrit rapidement à la Westminster School.
1653
Entre au Christ Church College, à Oxford.
5 novembre 1662
Devient curateur des expériences de la Royal Society.
3 juin 1663
Est élu membre de la Royal Society.
1664-1665
Devient professeur de géométrie au Gresham College, à Londres.
1665
Publie Micrographie.
1666
Seconde Christopher Wren dans la reconstruction de Londres après le grand incendie de la même année.
1672
Échange pour la première fois avec Newton sur la lumière et la couleur.
1678
Publie ses Lectures de Potentia Restituva, or of Spring, qui présentent sa loi de l’élasticité.
1679
Expose pour la première fois ses idées sur la gravitation à Newton par écrit.
1690
Accuse Newton de plagiat lors d’une conférence à la Royal Society.
3 mars 1703
S’éteint à Londres.
En marge de ses travaux sur l’optique, Newton développa des idées sur la nature de la lumière. Il s’imagina qu’elle était émise par des corps brillants sous forme de petites particules appelées « corpuscules ». Se déplaçant à grande vitesse et en ligne droite, ces corpuscules produisaient l’image d’un objet en pénétrant dans l’œil. Si la théorie corpusculaire réussissait à expliquer le reflet de la lumière sur les surfaces, elle échouait face à d’autres phénomènes, comme la réfraction de la lumière sur le verre ou la diffraction – la déviation de la lumière par un obstacle. Dans son ouvrage sur la lumière, Opticks, publié en 1704, Newton tenta d’expliquer ces phénomènes par l’existence de l’éther. Il suggéra que la transition des vibrations par l’éther se faisait plus rapidement que le déplacement de la lumière, et que quand les corpuscules de lumière étaient dépassés par les vibrations de l’éther, ils subissaient des « accès de facile réflexion » et des « accès de facile transmission » qui causaient la réfraction et la diffraction sur une surface. Ces idées étaient hautement spéculatives, et la théorie ondulatoire développée par Christian Huygens donnait une meilleure explication de ces phénomènes. Mais en raison du prestige scientifique de Newton, sa théorie prévalut au cours du siècle suivant.
Selon la théorie de Newton, la lumière était composée de minuscules globules ou corpuscules qui se propageaient en ligne droite à partir de corps brillants.
Newton n’était pas d’accord avec l’hypothèse ondulatoire, parce qu’il pensait que la lumière ne pouvait pas contourner les obstacles, comme le font les ondes sonores qui se « diffractent » autour des objets. Si la lumière consistait en ondes se propageant dans un milieu, pensait-il, ce milieu devait s’étendre partout dans l’espace, « perturbant et ralentissant les mouvements » des planètes, et « entravant par conséquent les opérations de la nature ». Néanmoins, Newton adopta sans difficulté l’idée d’un milieu éthérique pour expliquer la réfraction et la diffraction.
CHRISTIAN HUYGENS
1629–1695
Mathématicien hollandais dont la théorie ondulatoire fut écartée pendant plus d’un siècle au profit de celle de Newton.
Sophie Hebden
Aperçus d’optique: Newton fit intervenir l’éther pour expliquer les effets de diffraction et de réfraction dans la théorie corpusculaire de la lumière.
Bien qu’il ne fût pas le premier à fonder ses théories sur l’observation et l’expérimentation – Galilée, par exemple, avait fait de grands pas dans ce domaine –, Newton se fit le défenseur de ce prérequis majeur de la pratique scientifique moderne. Ce n’était pas entièrement nouveau. Les astronomes, en particulier, avaient effectué de nombreuses mesures et noté beaucoup de données, mais la tendance des Grecs anciens à fonder une théorie sur l’argumentation plutôt que sur l’expérimentation exerçait toujours une large influence. Newton critiquait sévèrement l’astronome gréco-romain Ptolémée. On soupçonnait en effet ce dernier de s’être attribué les découvertes de quelqu’un d’autre (sans doute celles d’Hipparque, dont les écrits étaient perdus). Newton l’accusa d’avoir inventé des données pour confirmer ses théories, et écrivit qu’il avait commis « un crime contre ses collègues scientifiques et savants, une trahison de l’éthique et de l’intégrité de sa profession, qui avait privé pour toujours l’humanité d’informations fondamentales dans un important domaine de l’astronomie et de l’histoire ». « Au lieu d’abandonner ses théories, ajouta-t-il, il avait délibérément fabriqué des observations à partir de celles-ci, afin de pouvoir prouver leur validité. Dans tous les milieux scientifiques ou savants, cette pratique s’appelle de la fraude, et c’est un crime contre la science et l’érudition. »
Reflétant en cela l’importance croissante de l’observation et de l’expérimentation dans la méthode scientifique, Newton méprisait ceux qui fabriquaient des données pour soutenir leurs théories.
Quand d’autres savants tentèrent de reproduire l’expérience de Newton avec deux prismes, ils ne trouvèrent pas les mêmes résultats que lui. Newton admit alors qu’il avait omis des détails dans sa description, et avoua qu’il avait vu parfois des couleurs changer en passant à travers le second prisme, mais qu’il avait choisi de l’ignorer. Il acceptait donc les données qui validaient sa théorie et ignorait les autres. Aujourd’hui, on qualifierait cette attitude de « picorage scientifique ».
CLAUDE PTOLÉMÉE
env. 85–env. 165
Astronome gréco-romain d’origine égyptienne.
FRANCIS LINE
1595–1675
Mathématicien jésuite anglais vivant à Liège.
EDME MARIOTTE
1620–1684
Physicien et botaniste français.
Brian Clegg
