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L'arrivée de Newton

Isaac Newton

L'année même où mourait Galilée, en 1642, naissait le jour de Noël l'Anglais Isaac Newton dont l'oeuvre allait être encore plus riche et révolutionnaire que la sienne. Newton toucha à beaucoup de domaines, notamment le calcul infinitésimal, la mécanique et la gravitation. L'un des concepts clés de celle-ci est la force, notion héritée de la statique. Or, l'exemple de force le plus immédiat dont il disposait, et qu'il utilisa naturellement, est celui de la force gravitationnelle.

Les forces sont primordiales dans l'oeuvre de Newton, car ce sont elles qui créent la dynamique. Avec Galilée, le temps avait fait son entrée dans la description du mouvement et était née la cinématique. Grâce à Newton, on assista à la naissance de la dynamique, celle-ci se distinguant de la première par le fait que le mouvement y est considéré en même temps que ses causes, ou plutôt les causes de ses modifications.

Pour Newton, en accord avec le principe d'inertie de Galilée et contre l'avis d'Aristote, les forces ne créent pas le mouvement, mais le modifient, l'inertie étant la résistance naturelle des corps face aux forces. Newton énoncea ses trois principes de la mécanique dans ses "Principes mathématiques de philosophie naturelle", publiés en 1686.

Il dut également inventer la quantité de mouvement et des conceptions de l'espace et du temps. Cependant, même si ces conceptions furent finalement remises en cause plus de deux siècles plus tard par Einstein (grâce à des études sur les propriétés de la lumière), la quantité de mouvement évolua à peine depuis l'époque de Newton.

La quantité de mouvement, également nommée impulsion, fut définie par Newton comme le produit de la vitesse par la masse inertielle, produit dirigé le long de la première, traduisant ainsi à la fois le déplacement (par la vitesse), mais aussi l'inertie. A l'aide de ces grandeurs et de celle de force, les idées contenues dans les lois de Newton peuvent être résumées comme suit :

  • Un corps isolé, sur lequel aucune force n'agit, reste au repos ou garde la même vitesse rectiligne uniforme, c'est-à-dire que la quantité de mouvement se conserve. Ce principe de conservation de la quantité de mouvement s'est révélé fondamental en physique par la suite
  • Si, pendant une durée infiniment courte, une force agit sur un corps, la quantité de mouvement de ce corps est modifiée, dans la direction de la force, d'une quantité égale au produit de la force par la durée
  • Si un corps A exerce sur un corps B une certaine force, alors le second exerce sur le premier une force de même intensité, mais de direction opposée

La première des lois de la mécanique newtonienne est donc une reformulation claire et précise du principe d'inertie de Galilée, alors que la seconde exprime quantitativement la modification que subit le mouvement lorsque ce principe ne s'applique pas. Et puisque un mouvement non-accéléré est soit le repos, soit un mouvement rectiligne uniforme, le principe d'inertie n'est qu'un cas particulier de la deuxième loi.

Cette loi de la dynamique possède de plus une caractéristique remarquable par rapport à toutes les lois physiques qui existaient à cette époque. Ainsi, contrairement aux lois de Kepler, qui décrivent de manière globale le mouvement des planètes, les lois de la dynamique de Newton associées à sa loi pour la gravitation en donnent une expression locale et instantanée.

L'espace et le temps newtoniens

Les bases de l'espace-temps

La base de la physique newtonienne est la supposition de l'existence d'un espace absolu, réceptacle de toute la matière. Plus précisément, cet espace est un espace tridimensionnel vérifiant les propriétés de la géométrie créée par Euclide. Sa mécanique allait être si complète et efficace que ce n'est que longtemps après l'invention des géométries non-euclidiennes que l'on comprit que ce n'était pas une vérité absolue sur la nature de l'espace. Ce n'était qu'un postulat pour décrire l'objet mathématique qui modélise l'espace, et Einstein fut le premier à oser changer de postulat, même si plusieurs autres s'étaient penchés sur le sujet avant lui.

Quant à Newton, afin d'être exhaustif, il alla jusqu'à essayer de définir le temps absolu, universel qui préside à l'ordre des choses. L'un des mots les plus importants ici, que ce soit pour l'espace ou pour le temps, est le mot absolu. Il signifie à la fois que cet espace et ce temps newtoniens sont les mêmes pour tous, et également qu'ils ne sont jamais affectés par quoique ce soit. Deux postulats qu'Einstein rejeta tour à tour.

Les failles du modèle de Newton

Cependant, malgré tous ses efforts, Newton ne put concevoir une théorie quantitative, prédictive et qui explique la "nature fondamentale" des choses. Même s'il avait défini précisément ce qu'était l'espace, Newton ne réussit pas à faire mieux pour justifier l'inertie des corps en mouvement que d'affirmer que celui-ci était responsable de celle-là. Mais Newton ne souhaitait initialement pas adhérer à un modèle mécaniste de l'espace, comme celui de Descartes, qui pensait pouvoir expliquer l'attraction gravitationnelle et l'inertie à l'aide de l'action d'une multitude de "tourbillons".

Critiquant le modèle de son rival et montrant son incompatibilité avec les observations (mouvement elliptiques des planètes inexplicable par les tourbillons), Newton fut néanmoins forcé de reconnaître qu'il ne voyait le choix qu'entre une explication mécaniste et une explication "occulte". Le problème était que son espace, bien qu'absolu et doté de propriétés immuables, semblait pourtant avoir des effets physiques et ainsi une "réalité physique". Qui plus est, si la force de gravitation n'était pas l'effet d'un "espace physique", elle était censée agir à distance entre deux corps, "par dessus le néant", mais de manière instantanée, d'où le qualificatif "d'occulte" qui décrit parfois la notion de force.

Cette action à distance instantanée ne convenait absolument pas à Newton (et pas plus à ses détracteurs), bien que sa théorie semblait expliquer correctement le mouvement des objets célestes comme terrestres. Durant un moment, Newton espéra pouvoir décrire sa dynamique (inertie et gravitation incluses) comme l'effet d'un bombardement de particules sur le corps considéré. Toutefois, il comprit que cette idée n'était pas applicable et menait à des prédictions en désaccord avec les observations, même si elle préfigurait les images les plus modernes des interactions décrites à l'aide de la théorie quantique des champs.

Il semble qu'au cours des dernières années de sa vie, déçu de ne pas avoir réussi à résoudre la question de la nature de l'espace et de la gravitation, Newton adhéra plutôt à l'idée de la gravitation étant une sorte de "principe actif" des corps, se rapprochant en quelques sortes d'Aristote. Mais chez ses successeurs domina la conception d'un fluide subtil ayant une réalité physique qui remplissait l'espace. Une sorte d'éther similaire à celui qui allait être également invoqué par les théories de la lumière et ne disparaîtrait qu'avec Einstein.

Applications et succès

Les dogmes des Lumières mis à mal

Si Newton se permit de parler d'espace absolu réceptacle de toute chose, c'est qu'il avait compris que la séparation faite par Aristote entre monde sensible et monde céleste n'avait pas lieu d'être. Newton fut le premier à oser affirmer haut et fort que ces deux mondes n'en faisaient qu'un, même si les observations astronomiques de la Lune et du Soleil faites par Galilée avaient déjà entamé la "matérialisation" des objets célestes.

Newton osa même le prouver en donnant une loi quantitative qui rende parfaitement compte des mouvements célestes et de la chute des corps. A une époque où nombre de "philosophes naturels", parmi les plus brillants, se contentaient bien souvent de mentionner des explications qualitatives, c'était un véritable exploit. Et ce d'autant plus que Newton dut même inventer les outils mathématiques sur lesquels reposeraient sa théorie, outils qui débouchèrent sur le calcul différentiel et sur le calcul intégral.

Les confirmations expérimentales

Lorsque parurent les Principes de Newton, le succès fut immédiat en Angleterre. En effet, Newton résolvait dans son ouvrage le problème de la gravitation, sur lesquel nombre de ses collègues séchaient depuis plusieurs mois, tout en illustrant par plusieurs exemples comment sa théorie fonctionnait et ce qu'elle prédisait : la forme des trajectoires des comètes, les marées, ...

Cependant, la mécanique newtonienne et la théorie de la gravitation universelle ne furent pas acceptées du jour au lendemain à l'étranger où elles eurent parfois de farouches adversaires, parmi lesquels Descartes et Leibniz. Néanmoins, malgré ces derniers, les confirmations observationnelles et expérimentales étaient bien là : Descartes prévoyait, avec sa théorie des tourbillons, que la Terre était en rotation autour de son plus long axe. Or, Newton prévoyait le contraire, et c'est ce qui fut vérifié par Pierre-Louis de Maupertuis, qui observa un applatissement de la Terre aux pôles en 1736. Peu après, Halley prédit grâce à la théorie de Newton, et avec une très grande précision, le retour en 1758 de la fameuse comète qui porte depuis son nom.

Les perturbations des planètes

Urbain Le Verrier

L'une de ces réussites les plus flagrantes eut lieu en 1846. Cette année-là, Le Verrier et Adams prédirent indépendamment l'existence et la position d'une nouvelle planète, sur la simple foi des lois de Newton et du non-respect de celles-ci par Uranus. Grâce à ces lois, ils montrèrent par le calcul que l'existence de Neptune perturbait la trajectoire d'Uranus et expliquait parfaitement les observations. Neptune fut trouvée exactement là où ils le prédisaient au moment, où ils le prédisaient.

C'est pourquoi lorsque l'on observa que Mercure se comportait d'une manière un peu différente de ce que prévoyait la théorie de Newton, le premier réflexe fut non pas de douter de celle-ci, mais de supposer l'existence de corps astrophysiques inconnus. Comme plusieurs fois dans l'histoire, ce qui semblait n'être qu'une petite anomalie allait déboucher sur une révolution, puisque seul Einstein fut capable d'expliquer quantitativement cet effet, grâce à sa théorie de la relativité générale qui reniait, entre autres choses, la théorie newtonienne de la gravitation. Cependant, Einstein dut auparavant éclaircir une anomalie bien plus importante liée à l'éther et à la propagation de la lumière, ce qu'il fit par une remise en cause complète de l'autre grande oeuvre de Newton : sa mécanique.