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Les scientifiques de la Renaissance

 

La révolution de la Renaissance est ce qu'on appelle la "révolution copernicienne." Avant Copernic, la façon de voir le cosmos repose sur la thèse aristotélicienne que la Terre est au centre de l'univers et que tout tourne autour d'elle : le géocentrisme. La description des mouvements des astres repose sur le système dit "de Ptolémée". Cette vision de l'univers demeure la doctrine établie jusqu’à la fin de la Renaissance et n'est abandonnée de fait par l'Église que vers 1750.

 

La vision de Ptolémée


Ptolémée était un astronome et astrologue grec qui vécut à Alexandrie, 90 -168 après J.-C. Il fut l’auteur de plusieurs traités scientifiques, dont deux ont exercé par la suite une très grande influence sur les sciences occidentales et orientales. L’un est le traité d’astronomie, qui est aujourd’hui connu sous le nom d'Almageste,  dont le titre original en grec était Composition mathématique. L’autre est la Géographie qui est une discussion approfondie sur les connaissances géographiques du monde gréco-romain.

 

L’œuvre de Ptolémée est un sommet et l’aboutissement à son époque d’une longue évolution de la science antique fondée sur l'observation des astres, les nombres, le calcul et la mesure.

 

L’Almageste est le seul ouvrage complet sur l’astronomie de l’Antiquité qui nous soit parvenu. Les astronomes babyloniens avaient mis au point des techniques de calcul pour la prévision de phénomènes astronomiques. Surtout, ils avaient consigné soigneusement, pendant des siècles, de précieuses observations (positions des astres, éclipses…)

Les astronomes grecs, tels qu'Eudoxe de Cnide et surtout Hipparque avaient intégré ces observations et les leurs dans des modèles géométriques pour calculer les mouvements de certains corps célestes. Dans son traité, Ptolémée reprend ces différents modèles astronomiques et les perfectionne. Ses observations, jointes aux données antérieures dont il disposait, offrent un recul permettant une mesure fort précise des mouvements astronomiques, puisque l'ensemble couvre une période de près de neuf siècles.

 

Ptolémée consacre donc le modèle géocentrique d’Hipparque, et lui fut souvent attribué. C'est le modèle dominant.


Et pourtant on trouve en Grèce des précurseurs du système héliocentrique, selon lequel le Soleil est le centre de l'univers ou tout au moins du système solaire.

 

Les visions grecques de l'héliocentrisme

 

Le plus connu est Aristarque de Samos vers 280 avant JC et Hypatie d'Alexandrie vers 370 de notre ère.

Aristarque : Sa théorie nous est connue grâce au livre L’Arénaire dans lequel Archimède écrit :

«  Toutefois, Aristarque de Samos a publié écrits sur les hypothèses astronomiques. Les présuppositions qu'on trouve dans ses écrits suggèrent un univers beaucoup plus grand que celui mentionné plus haut. Il commence en fait avec l'hypothèse que les étoiles fixes et le Soleil sont immobiles. Quant à la terre, elle se déplace autour du soleil sur la circonférence d'un cercle ayant son centre dans le Soleil.  »    Archimède, Préface du traité L’arénaire.

Il a eu l'intuition du mouvement de rotation de la Terre autour d'elle-même et autour du soleil. Il semble que la philosophe et mathématicienne Hypatie air repris ses travaux…. Mais les preuves ont disparu. L'héliocentrisme ne prend son véritable essor qu'avec les travaux de Nicolas Copernic, qui est le premier à proposer un modèle héliocentrique incluant la Terre et toutes les planètes connues à l'époque.

 

 

NICOLAS COPERNIC (1473 -1543)

 

Chanoine, médecin et astronome, il va partir de la vision de Ptolémée sur la structure mathématique de l’Univers, pour arriver finalement à la formulation mathématique d'une cosmologie entièrement nouvelle.

 

Il naît en Prusse, actuelle Pologne. Il étudie à l’université de Cracovie, célèbre centre de culture scientifique et humaniste ; ensuit à Bologne, à Padoue et à Ferrare, complétant sa formation en droit canonique, astronomie, médecine, philosophie, grec, latin … Il revient finalement dans sa patrie, se consacrant à des investigations astronomiques pendant toute sa vie.

 

Son oeuvre fondamentale, De revolutionibus orbium coelestium, l’occupe durant toute sa vie, même s’il maintient occulte durant de nombreuses années son idée de l’héliocentrisme. L’oeuvre se compose de six tomes, qui vont depuis une exposition générale du système du Monde, une Astronomie sphérique et un catalogue des étoiles, jusqu’aux théories détaillées des mouvements (apparents et réels) du Soleil, de la Terre, de la Lune et des planètes.

 

Il fut dédié au pape Paul III et l’édition en fut réalisée quelques mois seulement avant sa mort. Il fut condamné à titre posthume par l'Eglise qui défendait le géocentrisme. Un ami enthousiaste  qui fut en charge de l'édition de cette œuvre, écrivit une préface qui présentait l’oeuvre comme une simple « hypothèse astronomique » qui ne prétendait pas être véritable ni chercher les causes du mouvement des corps célestes, mais seulement mettre en rapport et ordonner des observations sur les astres.

 

On comprit seulement plus tard la portée révolutionnaire de la doctrine de Copernic, qui signale la fin définitive de la cosmologie aristotélicienne et le système de Ptolémée.

 

Copernic démontre que les difficultés de l'antique cosmologie pour expliquer le mouvement des astres, se résolvent facilement en admettant que la Terre tourne autour d’elle-même, au lieu de la considérer comme le centre immobile des mouvements célestes.

 

Il reconnut les trois mouvements de la Terre :

. la rotation journalière autour de son propre axe,

. la rotation annuelle autour du Soleil,

.  la rotation annuelle de l’axe terrestre par rapport au plan de l’écliptique (qui explique la précession des équinoxes) :  lent changement de direction de l'axe de rotation de la Terre.

Copernic avance aussi une théorie sur l'ordre des planètes, leurs distances et, par conséquent, leur période de révolution.

Copernic contredit Ptolémée en affirmant que plus l'orbite d'une planète est grande, plus il lui faudra de temps pour faire une révolution complète autour du Soleil.

 

 

JOHANNES KEPLER (1571 -1630)

 

Astronome célèbre pour avoir étudié l'hypothèse héliocentrique de Nicolas Copernic et surtout pour avoir découvert que les planètes ne tournent pas en cercle parfait autour du Soleil mais en suivant des ellipses.

 

Kepler naît près de Stuttgart. Après une enfance pleine de souffrances (maladies, parents absents…), il a pu étudier à l’Université de Tübingen où il connut et s’intéressa à l’astronomie copernicienne. Là, il étudie d’abord l'éthique,  la dialectique,  la rhétorique,  le grec et l'hébreu, l’astronomie et la physique, puis la théologie et les sciences humaines.

 

Son professeur de mathématiques lui enseigne le système héliocentrique de Copernic, qu’il réservait aux meilleurs étudiants, les autres devant alors se contenter du système géocentrique de Ptolémée. Kepler devient ainsi un copernicien convaincu et reste très proche de son professeur.

 

Il fut professeur de mathématiques, mathématicien impérial à Prague, ce qui lui permet de s'adonner à ses travaux. Il dut lutter âprement pour ses idées contre les protestants et les catholiques, et avec beaucoup de difficultés, il réussit à obtenir les moyens de publier ses œuvres ; il dut encore lutter pour sauver sa mère du bûcher, accusée de sorcellerie.

 

Homme d’une foi religieuse profonde (luthérien), il consacre sa vie à découvrir les principes de l’harmonie mathématique avec lesquels Dieu a créé l’Univers. Kepler découvre les relations mathématiques  (dites lois de Kepler) qui régissent les mouvements des planètes sur leur orbite. Ces relations sont fondamentales car elles furent plus tard exploitées par Newton pour élaborer la théorie de la gravitation universelle. Toutefois, bien qu'il ait vu juste quant à la forme des orbites planétaires, Kepler expliquait les mouvements des planètes par le magnétisme, l'idée d'une attraction entre les masses n'existant pas encore.

 

En 1596, il publie son premier ouvrage, Mysterium Cosmographicum, fruit de ses premières recherches sur la structure de l'univers. Il voit dans les lois qui régissent les mouvements des planètes, un message divin adressé à l’Homme. Dans ce livre, où il affirme sa position copernicienne, il se donne pour objectif de répondre à trois questions portant sur le nombre de planètes, leur distance au Soleil et enfin leur vitesse. Il développe une théorie très originale des polyèdres réguliers permettant de construire un modèle de l’Univers.

 

Kepler remarque que les cinq planètes connues à l’époque (de Mercure à Saturne) peuvent  être associées aux cinq solides de Platon. Les cinq solides de Platon sont des polyèdres réguliers, ils sont parfaits et s’accordent bien avec la création divine.

 

La sphère étant le sixième solide parfait nécessaire à son modèle. Les cinq premiers objets à faces régulières représentaient la dynamique de l’Univers (le mouvement des planètes). Le nombre de ces solides permettait d’ailleurs d’expliquer le nombre des planètes. Chacun d’eux était circonscrit dans une sphère, elle-même circonscrite dans le polyèdre suivant, lui-même circonscrit dans une sphère, et ainsi de suite.

Ainsi à Saturne était associé le cube, à Jupiter le tétraèdre,  à Mars le dodécaèdre, à Vénus, l’icosaèdre et à Mercure, l'octaèdre.

 

 

Pour Kepler, le nombre des planètes et leur disposition autour du Soleil, obéit à une loi précise d’harmonie géométrique. Chacune des sphères planétaires est inscrite dans l’un des cinq solides parfaits. Dans la même oeuvre, il attribue le mouvement des planètes à leur âme motrice, ou à l’âme motrice du Soleil.

 

La découverte la plus importante de Kepler : les lois des mouvements des planètes


Ainsi il explique les orbites elliptiques décrites par les planètes autour du Soleil, un des foyers des ellipses, et la proportion entre l’espace et le temps de la course des planètes. Kepler découvrit grâce à des travaux antérieurs que l’Univers était soumis à des lois « harmoniques », faisant un lien entre l’astronomie et la musique.

 

Dans le Harmonice Mundi, publié en 1619,  il attribue aux planètes un thème musical. Les variations des vitesses de ces planètes sont représentées par les différentes notes composant la musique. Ainsi, il était facile de distinguer les orbites les plus excentriques.

 

Il a enfin accordé une attention majeure à l’optique en synthétisant en 1604, puis en 1611, les principes fondamentaux de l’optique moderne comme la nature de la lumière, la chambre obscure, les miroirs (plans et courbes), les lentilles ou la réfraction. Descartes poursuivra ces travaux.

 

Kepler fut un homme contradictoire, à qui sa puissante intuition et sa rigueur mathématique lui permirent de faire un pas décisif dans la connaissance de l’Univers. Newton s'en inspira pour ses lois de la gravitation universelle.

 

GALILEO GALILEI (1564 -1642)

 

Ardent défenseur du système de Nicolas Copernic, Galilée s'est heurté à de vives critiques émanant des partisans du géocentrisme ainsi qu'à celles de l'Eglise catholique romaine. Il est considéré comme le père de l'observation astronomique et de la physique moderne. Il tente d’ouvrir le chemin de l’investigation scientifique en luttant contre les obstacles de la tradition culturelle et théologique.

 

Galilée naît à Pise et, au début, s’oriente vers l’étude de la Médecine, en approfondissant pour cela les textes anciens. Mais, en même temps, il se consacre à l’observation directe des phénomènes naturels. On raconte que l’oscillation d’une lampe dans la cathédrale de Pise lui permet de déterminer la loi de l’isochronisme (égalité de durée dans le mouvement) des oscillations du pendule. Ensuite il formule différents théorèmes de géométrie et de mécanique ; l’étude d’Archimède l’aide à découvrir la balance qui détermine le poids spécifique des corps.

 

En général, sa culture mathématique lui vaut l’estime de nombreux scientifiques de son temps, et en 1589 on lui octroie la chaire de mathématiques à l’Université de Pise. Il y reste 3 ans, et grâce à ses expériences depuis la tour inclinée, il parvient à exposer la loi de la chute des corps.

 

En 1592, il commence à enseigner les mathématiques à l’Université de Padoue, ville dans laquelle il passe les 18 années les plus fructueuses et heureuses de sa vie. De cette époque date l’invention du télescope, avec lequel il se lance dans les découvertes astronomiques.

 

En 1610, il découvre  trois satellites de Jupiter, ceux qu’il appelle « médicéens » en l’honneur des princes toscans. Kepler le félicite pour cette découverte, et le grand duc lui donna le poste de mathématiques qu’il désirait tant à l’Etude de Pise.

 

Avec son télescope, Galilée montra que la Voie Lactée est un ensemble d’étoiles ; il découvre les anneaux de Saturne ; il étudie les phases de Vénus autour du Soleil, et reconnait les taches solaires, grâce à quoi, et selon ses mots, il fit les funérailles de la science aristotélicienne qui prétendait l’incorruptibilité du ciel.

 

Ses découvertes astronomiques le conduisent à proposer la structure du monde céleste, et sur cet aspect, il défend la doctrine de Copernic. Mais cette doctrine commençait à cette époque là à être le point de mire de l’inquisition de Rome, qui instruisit un procès contre Galilée. Bien que le scientifique se soit rendu à Rome pour essayer d’éviter la condamnation de la pensée copernicienne, tout fut en vain.

 

L’affirmation de la stabilité du Soleil et du mouvement de la Terre fut condamnée, et Galilée fut prévenu de s’abstenir de la professer. Le 5 mars 1616, l’oeuvre de Copernic « De revolutionibus orbium coelestium » est mise à l’Index. Cependant, Galilée continue ses observations astronomiques et écrit son livre « Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo » (ceux de Ptolémée et de Copernic).

 

Il était encouragé, entre autres, par l’arrivée au pontificat d’Urbain VIII (le cardinal Barberini) qui s’était toujours montré bienveillant envers lui. Dans ce Dialogue sur les deux plus grands systèmes du Monde, écrit en langage simple pour atteindre un public le plus large possible, il propose une agréable discussion entre trois personnages : Simplicio, défenseur des traditions ; Salviati, réformateur pointu, et Sagredo, homme de sens commun, cultivé et modérateur.

 

Il fut imprimé en février 1632. Quelques mois plus tard, Galilée fut cité par le Pape à comparaître devant le Saint Office de Rome. Le procès dura un peu moins d’un an et se termina par l’abjuration de Galilée. Il avait alors 70 ans.

 

Il passe les dernières années de sa vie dans la solitude d’une villa près de Florence, affligé par la maladie et la cécité, bien que sans interrompre son travail, car en plus d’une abondante correspondance avec ses amis, il écrivit les « Discours de la nouvelle science ».

 

La méthode scientifique formalisée par Galilée

 

D'une part, Galilée critique « le monde de papier » des aristotéliciens, et de l’autre il veut libérer la science des entraves de l’autorité ecclésiastique.

 

1. Contre les aristotéliciens, il affirme la nécessité de l’étude directe de la nature, et renie les discussions scientifiques qui reposent seulement sur des textes sans l’apport des expériences directes. Celui qui agit ainsi, n’est pas un philosophe. Seuls les esprits vulgaires, timides et serviles se servent d’un monde de papier avant celui qui est véritable et réel, qui, jailli de Dieu, est toujours devant nous pour nous enseigner.

 

2. On ne peut pas non plus sacrifier les enseignements directs de la Nature aux affirmations des textes sacrés. Les Saintes Ecritures comme la Nature procèdent du Verbe Divin : les premières dictées par l’Esprit –Saint, et la seconde comme l’exécutrice fidèle des ordres de Dieu. Mais alors que la parole de Dieu a du s’adapter à la compréhension limitée des hommes, la Nature est inexorable et immuable, et elle n’enfreint pas ses propres lois, parce qu’elle ne se préoccupe pas que ses raisons secrètes soient ou non comprises par les hommes.

 

C’est pourquoi, ce que « l’expérience sensée » révèle ne peut pas être mis en doute même si c’est en contradiction avec quelque texte des Ecritures Sacrées.

 

Donc, seul le livre de la Nature est l’objet propre de la science, et ce livre peut seulement se lire et s’interpréter par l’expérience. Celle-ci ne trompe jamais, même lorsque les sens croient voir autre chose que ce qui arrive : l’erreur ne vient pas des sens qui perçoivent mais du raisonnement de celui qui ignore pourquoi nous voyons les choses d’une certaine façon (ex. de l’oeil qui voit comme cassé un bâton plongé dans l’eau, ignorant que l’image se réfracte en passant d’un milieu transparent à un autre).

 

3. Mais si l’expérience est importante, le raisonnement mathématique l’est plus encore, parce que son objectif est d’interpréter et de reproduire des concepts et des phénomènes sensibles. Et d'en comprendre les causes.

 

Parfois, pour Galilée, la confirmation expérimentale semble être reléguée à une simple vérification. L’expérience, et plus encore ses résultats, seraient invalides s’ils n’étaient pas illuminés par le raisonnement mathématique, c’est-à-dire, par une théorie qui expliquerait ses causes. C’est pourquoi Galilée montre plus d’intérêt pour les « essences » ou causes des phénomènes, que pour la simple description de leurs lois.

 

Ceci est le mobile principal de l’investigation de Galilée, qui était déjà apparu chez Léonard : la structure mathématique de la réalité objective. Le livre de la Nature est écrit en langage mathématique et ses caractères sont les figures géométriques.

 

C’est pourquoi on ne peut pas comprendre si l’on n’apprend pas avant, les caractères et le langage dans lequel la Nature est écrite. Cette même structure mathématique de l’Univers, le conduit à proposer un ordre nécessaire et unique, qui n’a pas varié et qui ne variera pas.

 

Pour exprimer cet ordre, il faut introduire une unité de mesure pour établir, à partir de cette unité, les relations quantitatives scientifiques.

 

Et c'est là la rupture avec Copernic et Képler, qui étaient restés ancrés dans la vision pythagoricienne et platonicienne (harmonie des sphères, polyèdres platoniciens, relation entre astronomie et musique). Galilée voit dans les mathématiques des relations quantitatives et non plus qualitatives.

 

C'est la méthode de la science moderne : la mesure comme instrument fondamental. Cette mesure élimine peu à peu toute finalité métaphysique. Oubli de la magie, dans le sens des correspondances, et du mystère des Nombres dont les grands représentants ont été de Cues, Ficin, de la Mirandole, Giordano Bruno. Ainsi est réalisée la réduction de la Nature à une totale objectivité qu’il est possible de mesurer, ce qui a été le dessein de Galilée.

 

Galilée ouvre ainsi la voie à l'époque moderne. Newton naît en 1643, un an après la mort de Galilée.