action à distance: pour produire un effet à distance, il faut en général que quelque chose se déplace d’un point A à un point B – un jet de pierre qui fait tomber une boîte de conserve vide ou le déplacement d’une onde sonore en direction d’un auditeur. Mais Newton déclara qu’il n’y avait aucun lien de ce genre dans la gravité: c’était une action à distance, et rien ne se déplaçait de A à B.
elliptique: qui a la forme d’une ellipse, une figure que l’on peut tracer avec un fil attaché à deux épingles. Le cercle est un cas particulier de l’ellipse, car les deux épingles sont situées au même endroit. L’attraction des planètes par le Soleil et du Soleil par les planètes donne à leurs orbites une forme elliptique plutôt que circulaire. Les lois de Kepler sur le mouvement planétaire postulaient des orbites elliptiques.
force d’attraction pure: à l’époque de Newton, on expliquait la gravité soit par l’existence d’un matériau (l’éther) remplissant l’espace – les mouvements de ce matériau produisant une sorte de succion –, soit par l’action d’un corps qui, en protégeant un autre corps d’une force répulsive, engendrait une force contraire. Newton rejeta ces deux hypothèses et décrivit simplement la gravité comme une attraction sans intermédiaire entre deux corps. Une telle action à distance était alors qualifiée d’« occulte ».
Johannes Kepler: contemporain de Galilée, qui déduisit ses lois du mouvement planétaire d’observations astronomiques précises. En découvrant la loi de la gravitation universelle, Newton fournit des fondements mathématiques aux lois de Kepler.
légèreté: autrefois opposée à la gravité, la légèreté était la tendance des éléments légers à s’éloigner du centre de l’univers. Aujourd’hui, elle désigne aussi un trait psychologique, par opposition au sérieux.
loi de Boyle: également appelée « loi de Mariotte », elle affirme que la pression d’un gaz est inversement proportionnelle à son volume. À mesure que le volume augmente, la pression décroît et vice versa.
loi en carré inverse: techniquement, toute force qui décroît au carré de la distance à sa source (la force électromagnétique par exemple) obéit à cette loi. Mais c’est Newton qui l’a rendue célèbre en l’appliquant à l’attraction gravitationnelle, laquelle est proportionnelle au carré inverse de la distance entre deux corps.
occulte: dans le sens utilisé ici, occulte signifie dissimulé, non accessible aux sens.
parabole: courbe plane et symétrique, plus ou moins en forme de U, trajectoire approximative d’une comète autour du Soleil. C’est aussi la trajectoire typique d’un projectile, combinant un mouvement continu avec une accélération à angles droits.
Principia: le chef-d’œuvre de Newton, Philosophiæ naturalis principia mathematica (« principes mathématiques de la philosophie naturelle »), 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. Publié en 1687, il est rédigé dans un latin assez obscur, car Newton voulait en restreindre la lecture aux physiciens avertis.
théorie des quatre éléments d’Aristote: bien que l’on doive probablement cette théorie au philosophe Empédocle, c’est l’influence d’Aristote qui a contribué à la répandre et à la perpétuer. Selon cette théorie, la matière était composée de quatre éléments: la terre, l’eau le feu et l’air, les deux premiers ayant tendance à se diriger vers le centre de l’univers (gravité), et les deux derniers à remonter (légèreté).
vortex: les vortex jouaient un rôle central dans le modèle de gravité de Descartes. Il supposait que l’espace était rempli d’une substance invisible, et qu’un objet massif déformant cet éther engendrait des « tourbillons » qui attiraient les corps les uns vers les autres.
Les élégants calculs mathématiques de Newton sur la gravité ne doivent pas occulter le fait que sa conception de la nature de la gravité était totalement révolutionnaire. Depuis les Grecs anciens, on regardait la gravité comme la moitié d’un couple de tendances naturelles. Deux éléments, l’eau et la terre, avaient de la gravité, tandis que les deux autres, l’air et le feu, avaient de la légèreté. Les éléments lourds recherchaient le centre de l’univers – c’est-à-dire le centre de la Terre –, et les éléments légers voulaient s’éloigner de ce centre. On voyait cela comme une tendance naturelle des choses, tout comme les chiens, par exemple, ont une tendance naturelle à attaquer les chats. Adélard de Bath, le savant naturaliste du xiie siècle, l’avait dit: « Ce qui est lourd se loge mieux dans la position la plus basse. Les choses aiment ce qui préserve leur vie et tendent vers ce qu’elles aiment. Il est donc nécessaire que les choses terrestres tendent vers la position la plus basse. » Écartant l’idée d’un centre de l’univers, Newton fit de la gravitation une attraction des corps dotés de masse.
Newton ne se contenta pas de formuler la gravité en termes mathématiques ; en la concevant comme une attraction des corps plutôt que comme une tendance à se diriger vers le centre de l’univers, il en changea la portée philosophique.
C’est la conception classique de la gravité qui faisait paraître plausible l’idée (inexacte) d’Aristote selon laquelle les objets lourds tombent plus vite que les légers. On pensait en effet que les objets lourds, ayant plus de matière, étaient attirés plus vite par le centre de l’univers. C’est pour cette raison, entre autres, que les savants du Moyen Âge ne pouvaient envisager de situer la Terre ailleurs qu’au centre de l’univers. Cette idée ébranlait les mécanismes naturels tels qu’on les voyait à l’époque.
ARISTOTE
384–322 AV. J.-C.
Philosophe grec.
ADÉLARD DE BATH
env. 1080–env. 1152
Philosophe naturaliste anglais qui traduisit des ouvrages scientifiques grecs et arabes en latin.
Brian Clegg
Pour beaucoup, l’histoire de Newton et de la pomme n’est qu’une légende, et c’est certainement le cas, car en dehors des dessinateurs de BD, personne n’a jamais dit qu’elle lui était tombée sur la tête. Cependant, Newton lui-même avait fait allusion à une pomme. L’antiquaire William Stukeley narra ainsi une visite qu’il lui rendit le 15 avril 1726 à Orbell’s Buldings, dans Kensington Church Street: « Après souper, le temps clément nous incita à prendre le thé au jardin, à l’ombre de quelques pommiers. Entre autres sujets de conversation, il me dit qu’il se trouvait dans une situation analogue lorsque lui était venue l’idée de la gravitation. Celle-ci lui avait été suggérée par la chute d’une pomme un jour que, d’humeur contemplative, il était assis dans son jardin. Pourquoi une pomme devait-elle tomber perpendiculairement au sol, s’était-il demandé en la voyant chuter ? Pourquoi ne tombe-t-elle pas de côté ou ne remonte-t-elle pas ? Pourquoi tombe-t-elle avec constance vers le centre de la Terre ? La raison en est assurément que la Terre l’attire. Il doit exister une force d’attraction dans la matière… Si la matière attire la matière, ce doit être en proportion de sa quantité. Par conséquent, la pomme attire la Terre tout autant que la Terre attire la pomme. »
C’est en regardant tomber une pomme que Newton eut l’idée de sa théorie de la gravitation, mais le fruit ne lui est jamais tombé sur la tête.
Stukeley écrivit à ce sujet: « Par conséquent, il commença par degrés à appliquer cette propriété de gravitation au mouvement de la Terre et des corps célestes, et à considérer leurs distances, leurs magnitudes, leurs révolutions périodiques, pour découvrir que cette propriété, conjointement à un mouvement progressif imprimé sur eux au début, résolvait parfaitement leur course circulaire, [et] empêchait les planètes de tomber l’une sur l’autre ou de sombrer toutes ensemble dans un centre. »
HANNAH AYSCOUGH (NEWTON)
1623–1679
Mère de Newton, propriétaire du manoir de Woolsthorpe.
WILLIAM STUKELEY
1687–1765
Antiquaire anglais qui écrivit Mémoires sur la vie de Sir Isaac Newton.
Brian Clegg
Nous avons un gros avantage par rapport à Newton et ses contemporains: nous avons pu observer ce qui se passe quand des objets dans l’espace obéissent à la première loi du mouvement. Les fusées démontrent la justesse de la troisième loi, et la chute du marteau et de la plume sur la Lune a prouvé que des objets de masse différente tombent à la même vitesse quand il n’y a pas d’air. De leur côté, les astronautes de la station spatiale internationale illustrent une des conséquences du fait d’être en orbite. Ils flottent, non parce que la gravité est trop faible dans la station spatiale – elle est d’environ 90 % de la gravité à la surface terrestre –, mais parce qu’ils tombent en chute libre et en accéléré vers la Terre. La station et ses occupants tombent au même rythme, si bien que ces derniers flottent. Comme Newton l’a compris grâce à Robert Hooke, la raison pour laquelle les objets en orbite tombent mais ne s’écrasent pas au sol est qu’ils se déplacent aussi à angles droits par rapport à la surface, et que ces deux mouvements – latéral et vers le bas – s’annulent l’un l’autre. Newton parla donc d’une chute qui n’atteint jamais son but.
Un objet en orbite tombe en chute libre vers le corps autour duquel il tourne, mais se déplace aussi à angles droits par rapport à ce corps, à la vitesse exacte pour continuer à le manquer.
Parce que Galilée l’avait déduit du mouvement des projectiles, Newton savait qu’une trajectoire parabolique résultait de deux types de mouvement, l’un continu et en ligne droite, et l’autre accéléré et dirigé vers le bas. Mais il semble n’avoir appliqué ce raisonnement aux orbites circulaires et elliptiques qu’à partir du moment où une observation de Hooke le poussa à considérer les choses autrement.
GALILÉE
1564–1642
Savant naturaliste italien qui expliqua la trajectoire des projectiles.
ROBERT HOOKE
1635–1703
Physicien anglais qui découvrit la nature des orbites.
Brian Clegg
Pour la seconde édition de ses Principia en 1713, Newton ajouta un General Scholium, destiné à éclaircir les points que les critiques de la première édition avaient, selon lui, mal compris. Il voulait en particulier souligner que toutes les théories de son ouvrage reposaient sur l’observation de phénomènes. N’eût-il pu faire cela, précisait-il, il se serait tu. Il avait ainsi décrit la force de gravité, mais n’avait rien dit de son origine première. Certains de ses lecteurs y voyaient une faiblesse, mais Newton n’était pas d’accord. Selon lui, de telles spéculations, de nature forcément hypothétique, n’avaient pas leur place dans un ouvrage scientifique rigoureux. Le dédain qu’il leur vouait transparaît dans sa célèbre réplique latine, hypotheses non fingo, qu’on a traduite de toutes sortes de manières, mais dont le sens général est: « Je n’invente pas d’hypothèses. » Newton précisa sa pensée en écrivant: « Car tout ce qui ne se déduit point des phénomènes est une hypothèse: et les hypothèses, soit métaphysiques, soit physiques, soit mécaniques, soit celles des qualités occultes, ne doivent pas être reçues dans la philosophie expérimentale. »
Dans ses publications, Newton évita soigneusement d’émettre des hypothèses sur la nature de la gravité ; pour lui, la loi mathématique était suffisante.
Si Newton prit garde par la suite à ne pas mélanger les faits et les « hypothèses », ce n’était pas le cas dans ses premiers ouvrages. Ses grandes découvertes en optique – comme la division de la lumière blanche – étaient bien fondées sur l’observation, mais ses tentatives d’explication de ce phénomène dans le contexte de la théorie des particules étaient plutôt hasardeuses. Il intitula même l’un de ses premiers articles Hypothèse expliquant les propriétés de la lumière.
ROBERT HOOKE
1635–1703
Adversaire de Newton qui rejeta ses travaux sur l’optique en les qualifiant d’« hypothèses ».
GOTTFRIED WILHELM LEIBNIZ
1646–1716
Principal critique des Principia, dont Newton contra les arguments dans le General Scholium.
Andrew May
Dans certains passages des Principia, Newton souligne qu’il travaille sur un système mathématique et non sur les réalités de la nature. Il s’occupe de mathématiques « en écartant tout débat sur la physique », précise-til, car il s’inquiète, avec raison, que le concept d’« attraction » entre des corps dotés de masse n’attire les critiques. À la suite de Descartes, la plupart des philosophes naturalistes de l’époque détestaient l’idée qu’une attraction puisse agir à distance sans aucun intermédiaire. Ils supposaient que l’espace était rempli d’une substance à même de transporter la force produisant l’effet de gravité. Mais les calculs de Newton évoquaient une force d’attraction pure. Ses tentatives pour prétendre qu’il ne s’agissait que d’une curiosité mathématique ne furent pas entendues. Huygens lui-même remarqua: « Je veux bien que [Newton] ne soit pas cartésien, pourvu qu’il ne nous fasse pas de suppositions comme celle de l’attraction. » Il ajouta plus tard: « […] une telle attraction n’est point explicable par aucun principe de mécanique, ni aucune règle du mouvement. » Selon lui, la conception de la gravité par Newton consistait « à revenir à des qualités occultes ou, pis encore, inexplicables ».
Pour exposer sa conception d’une action à distance, Newton avait eu recours aux mathématiques plutôt qu’à la physique, mais ses lecteurs émirent tout de même des critiques.
Le terme « attraction » ne facilitait pas les choses. À l’époque, il s’employait uniquement dans le sens psychologique. Les critiques de Huygens quant au caractère occulte de cette conception n’avaient rien à voir avec la magie, mais avec le fait que la gravité dépendait d’un mécanisme sans cause physique connue. Newton argumenta que cela n’avait pas d’importance puisque la théorie fonctionnait en termes mathématiques, mais ses contemporains n’étaient pas d’accord.
RENÉ DESCARTES
1596–1650
Savant français qui pensait que l’espace était rempli d’« éther ».
CHRISTIAN HUYGENS
1629–1695
Philosophe naturaliste hollandais qui défendit la nature ondulatoire de la lumière.
Brian Clegg
Les marées océaniques quotidiennes sont parmi les rares phénomènes terrestres à obéir à une régularité généralement associée aux corps célestes. Cela poussa Kepler et d’autres savants à supposer que les marées étaient causées en partie par l’attraction de la Lune. Toutefois, sans mécanisme d’attraction évident, cette notion relevait de l’occulte, et Galilée, le contemporain de Kepler, l’écarta en faveur d’une autre explication (inexacte). Il revint à Newton de démontrer, avec sa théorie de la gravité, que les marées sont effectivement provoquées par la Lune. Selon la loi en carré inverse, les océans situés du côté le plus proche de la Lune enflent parce qu’ils subissent une attraction plus importante que le reste de la planète, tandis que les océans situés du côté opposé se creusent parce que l’attraction qu’ils subissent est moins importante. Les marées sont également influencées par le Soleil, qui, par sa taille, exerce une force gravitationnelle beaucoup plus importante que la Lune. Mais la distance de l’astre fait que cette attraction varie moins d’un côté à l’autre de la Terre: c’est pourquoi l’effet de marée du Soleil est moitié moins important que celui de la Lune.
Les marées sont causées par la variation des forces de gravité de la Lune et, en moindre part, du Soleil.
Les marées sont influencées par plusieurs facteurs, dont la rotation du système Terre-Lune, les dynamiques océaniques et la répartition des masses terrestres. Outre leur cycle quotidien, elles obéissent à un second cycle, plus lent, de vives-eaux et de morteseaux, dont l’amplitude est supérieure ou inférieure à la moyenne. Newton démontra que les premières se produisent quand la Lune et le Soleil s’alignent et exercent leur influence de concert, tandis que les dernières surviennent quand les influences des deux corps célestes sont en opposition.
JOHANNES KEPLER
1571–1630
Astronome allemand qui supposa que les marées étaient provoquées par la Lune.
GALILÉE
1564–1642
Savant italien qui rejeta l’influence de la Lune sur les marées.
Andrew May
De nombreux signes montrent que la lecture de l’œuvre de Robert Boyle a fortement influencé les premières théories de Newton. Le père de Boyle, Richard, était comte de Cork et l’un des hommes les plus riches d’Angleterre. Si Robert, qui n’était que son septième fils, n’hérita pas du titre, sa famille avait suffisamment d’argent pour l’entretenir et lui permettre de se consacrer à ses intérêts. Éduqué à Eton, puis par un tuteur privé, Boyle passa un temps considérable, à l’adolescence, à visiter l’Europe. Il arriva en Italie au moment de la mort de Galilée, et on dit que cela influença ses études par la suite. La Première Révolution anglaise et ses multiples événements précurseurs lui compliquèrent néanmoins la vie: son père mourut, le laissant à la charge d’autres membres de la famille. Durant cette période, Boyle devint l’un des membres fondateurs du Collège invisible, qui donna naissance par la suite à la Royal Society. Cela lui permit de pousser plus loin ses raisonnements scientifiques. Après le triomphe d’Oliver Cromwell, Boyle – qui s’était débrouillé pour rester neutre durant la Révolution – fut récompensé par l’octroi, en Irlande, de terres assez vastes pour n’avoir jamais plus à s’inquiéter de sa subsistance. Sur l’invitation de John Wilkins, l’un des esprits les plus brillants du Collège invisible, et parce qu’il était difficile de se procurer du matériel scientifique en Irlande, Boyle s’installa à Oxford, rejoignant ainsi John Wallis et Christopher Wren. C’est là qu’il publia ses œuvres les plus importantes. Parmi elles, Le Chimiste sceptique, en rejetant la théorie des quatre éléments d’Aristote, marqua les premiers progrès notables de la chimie.
Boyle travailla également sur les gaz. À l’aide d’une pompe conçue par Robert Hooke, il démontra que le son ne pouvait se déplacer dans le vide et calcula le rapport entre volume et pression du gaz connu plus tard sous le nom de « loi de Boyle » (c’est en réalité un autre membre de la Royal Society, Henry Power, qui énonça le premier cette loi, mais c’est à Boyle qu’on en attribua la paternité. Pour ajouter à la confusion, on l’appelle parfois « loi de Mariotte », du nom d’un physicien français qui ne la découvrit que quatorze ans plus tard). L’importance que Boyle accordait aux mathématiques parmi toutes les matières scientifiques eut une influence significative sur Newton, en ouvrant la voie à un univers mécanique. En 1668, Robert Boyle s’installa à Londres et se consacra à ses recherches jusqu’à la fin de sa vie.
Brian Clegg
1635
Entre au collège d’Eton.
1638
Quitte Eton et étudie à domicile avec un tuteur privé.
1639
Entame son premier voyage en Europe.
1642
Arrive à Florence à peu près au moment où Galilée s’éteint à Arcetri, une ville proche.
1644
Retourne en Angleterre et loge chez sa sœur Katherine.
1646
Fréquente le Collège invisible.
1652
Retourne en Irlande.
1654
S’installe à Oxford.
1661
Écrit Le Chimiste sceptique.
1662
Écrit un appendice à son œuvre de 1660, Expériences physicomécaniques sur le ressort de l’air, comprenant une version de la loi de Boyle.
1668
S’installe à Londres.
1680
Refuse le poste de président de la Royal Society, car ses convictions religieuses l’empêchent de prêter serment.
31 décembre 1691
S’éteint à Londres.
L’idée que la gravitation obéit à la loi en carré inverse était au cœur de l’œuvre de Newton. Aujourd’hui, son équation gravitationnelle s’exprime par Gm1m2/r2. En d’autres termes, elle est égale à la constante gravitationnelle G (à ne pas confondre avec g, qui est l’accélération due à la gravité de la Terre au niveau de la mer), multipliée par la masse de chacun des deux corps et divisée par le carré de la distance entre ces corps. Cette équation ne figure pas dans les Principia mais elle y est sous-entendue. Son élément principal – à savoir la variation de la force selon le carré inverse de la distance – avait été formulé un certain nombre d’années avant la publication des Principia. Robert Hooke, qui en avait fait l’observation, accusa Newton de plagiat. Il avait en effet déclaré en 1666 que la force de gravité augmentait à mesure qu’un objet se rapprochait du corps attractif, et avait écrit plus tard à Newton qu’il supposait que c’était un effet de carré inverse. Toutefois, contrairement à son adversaire, il ne put jamais en faire la démonstration mathématique. Newton, de son côté, affirma qu’il avait débattu de l’hypothèse en carré inverse avec Christopher Wren avant d’avoir reçu la lettre de Hooke.
Newton montra que l’attraction gravitationnelle était proportionnelle à la masse des corps et inversement proportionnelle au carré de la distance entre ces corps.
La constante gravitationnelle G, qui permet d’attribuer des valeurs absolues à la force d’attraction de la gravité, ne figure pas dans les Principia, qui ne traitaient que de valeurs proportionnelles entre elles. Cette constante fut déduite des mesures faites par Henry Cavendish en 1798, bien après la mort de Newton, mais se révéla difficile à mesurer avec précision, car la gravité étant une force très faible, l’attraction de deux corps massifs est aussi très petite.
ROBERT HOOKE
1635–1703
Philosophe naturaliste anglais, adversaire de Newton.
CHRISTOPHER WREN
1632–1723
Architecte britannique, membre fondateur de la Royal Society.
HENRY CAVENDISH
1731–1810
Philosophe naturaliste anglais.
Brian Clegg
Newton avait pris soin de préciser que son approche mathématique correspondait à ses observations et qu’il ne faisait pas de supposition quant à la manière dont la gravité agissait à distance. Il avait pourtant une théorie, mais son principal souci était de ne pas mélanger les démonstrations mathématiques et les idées hypothétiques. Après avoir catégoriquement rejeté l’idée de Descartes selon laquelle le mouvement des planètes était causé par des vortex dans l’éther, il suggéra à plusieurs reprises que les causes de la gravité pouvaient avoir un lien avec un « esprit subtil ». Il n’entendait pas par là un phénomène fantomatique, mais « un esprit subtil ou un agent latent dans les corps, par lequel l’attraction électrique et beaucoup d’autres phénomènes peuvent s’accomplir ». Dans un brouillon de la dernière partie des Principia, il mentionna les expériences électriques faites par Francis Hauksbee à la Royal Society, lesquelles démontraient l’attraction à petite échelle. Pour Newton, l’attraction électrique ou magnétique n’était pas semblable à la gravité: il nota que « leurs lois […] sont différentes des lois de la gravité ». Mais il se disait néanmoins qu’elles avaient un lien de parenté, et qu’en continuant d’étudier ces différents types d’attraction, on finirait par trouver une explication à la force de gravité.
S’il prétendait ne pas faire d’hypothèses, Newton pensait tout de même que la cause de la gravité était similaire à celle de l’attraction électrique et magnétique.
Newton aurait sans doute approuvé l’explication mécanique de la gravitation proposée par Duillier, puis par Le Sage. Révisée plus tard par Lord Kelvin, cette théorie postulait l’existence d’un flux constant de particules traversant l’univers dans toutes les directions. Selon ce modèle, les corps célestes, en se protégeant partiellement de l’impact des particules, engendraient un déséquilibre de pression qui les amenait à se rapprocher.
FRANCIS HAUKSBEE
1660–1713
Philosophe naturaliste anglais qui fit des recherches sur l’électricité statique.
NICOLAS FATIO DE DUILLIER
1654–1753
Mathématicien suisse qui proposa une explication mécanique aux causes de la gravité.
GEORGES-LOUIS LE SAGE
1724–1803
Philosophe naturaliste suisse qui développa la théorie mécanique de Duillier.
Brian Clegg