2.4 : La naissance de l'astronomie moderne
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objectifs d'apprentissage
À la fin de la section, vous serez en mesure de :
- Expliquer comment Copernic a développé le modèle héliocentrique du système solaire
- Expliquer le modèle copernicien du mouvement planétaire et décrire les preuves ou les arguments en faveur de celui-ci
- Décrivez les découvertes de Galilée concernant l'étude du mouvement et des forces
- Expliquez comment les découvertes de Galilée ont fait pencher la balance des preuves en faveur du modèle copernicien
L'astronomie n'a pas fait de progrès majeurs dans l'Europe médiévale déchirée par les conflits. La naissance et l'expansion de l'islam après le VIIe siècle ont entraîné l'épanouissement des cultures arabes et juives qui ont préservé, traduit et enrichi de nombreuses idées astronomiques des Grecs. La plupart des noms des étoiles les plus brillantes, par exemple, sont aujourd'hui tirés de l'arabe, tout comme des termes astronomiques tels que « zénith ».
Alors que la culture européenne commençait à émerger de sa longue et sombre époque, le commerce avec les pays arabes a permis de redécouvrir des textes anciens tels que Almagest et de susciter un regain d'intérêt pour les questions astronomiques. Cette période de renaissance (en français, « renaissance ») de l'astronomie a été incarnée dans l'œuvre de Copernic (Figure\(\PageIndex{1}\)).
Copernic
L'un des événements les plus importants de la Renaissance a été le déplacement de la Terre du centre de l'univers, une révolution intellectuelle initiée par un religieux polonais au XVIe siècle. Nicolas Copernic est né à Torun, une ville marchande au bord de la Vistule. Sa formation était en droit et en médecine, mais ses principaux intérêts étaient l'astronomie et les mathématiques. Sa grande contribution à la science a été une réévaluation critique des théories existantes du mouvement planétaire et le développement d'un nouveau modèle du système solaire centré sur le Soleil, ou héliocentrique. Copernic a conclu que la Terre est une planète et que toutes les planètes tournent autour du Soleil. Seule la Lune tourne autour de la Terre (Figure\(\PageIndex{2}\)).
Copernic a décrit ses idées en détail dans son livre De Revolutionary Ibus Orbium Coelestium (Sur la révolution des orbes célestes), publié en 1543, l'année de sa mort. À cette époque, l'ancien système ptolémaïque avait besoin d'ajustements importants pour prédire correctement la position des planètes. Copernic voulait développer une théorie améliorée à partir de laquelle calculer les positions planétaires, mais ce faisant, il n'était pas exempt de tous les préjugés traditionnels.
Il a commencé par plusieurs hypothèses courantes à son époque, comme l'idée que les mouvements des corps célestes doivent être composés de combinaisons de mouvements circulaires uniformes. Mais il n'a pas supposé (comme la plupart des gens) que la Terre devait se trouver au centre de l'univers, et il a présenté une défense du système héliocentrique élégante et convaincante. Ses idées, bien qu'elles n'aient été largement acceptées que plus d'un siècle après sa mort, ont fait l'objet de nombreuses discussions parmi les chercheurs et, en fin de compte, ont eu une profonde influence sur le cours de l'histoire du monde.
L'une des objections soulevées à l'encontre de la théorie héliocentrique était que si la Terre se déplaçait, nous sentirions ou ressentirions tous ce mouvement. Des objets solides seraient arrachés de la surface, une balle lâchée d'une grande hauteur ne heurterait pas le sol directement en dessous, et ainsi de suite. Mais une personne qui déménage n'est pas nécessairement consciente de ce mouvement. Nous avons tous vu un train, un bus ou un navire adjacent sembler bouger, pour découvrir que c'est nous qui nous déplaçons.
Copernic a soutenu que le mouvement apparent du Soleil autour de la Terre au cours d'une année pouvait également être représenté par un mouvement de la Terre autour du Soleil. Il a également estimé que la rotation apparente de la sphère céleste pouvait s'expliquer en supposant que la Terre tourne alors que la sphère céleste est stationnaire. À l'objection selon laquelle si la Terre tournait autour d'un axe, elle volerait en morceaux, Copernic a répondu que si un tel mouvement déchirait la Terre, le mouvement encore plus rapide de la sphère céleste beaucoup plus grande requis par l'hypothèse géocentrique serait encore plus dévastateur.
Le modèle héliocentrique
L'idée la plus importante du De Revolutionius de Copernic est que la Terre est l'une des six planètes (alors connues) qui tournent autour du Soleil. À l'aide de ce concept, il a pu obtenir une image générale correcte du système solaire. Il a placé les planètes, en commençant par le Soleil, dans le bon ordre : Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter et Saturne. De plus, il a déduit que plus une planète est proche du Soleil, plus sa vitesse orbitale est élevée. Grâce à sa théorie, il a pu expliquer les mouvements rétrogrades complexes des planètes sans épicycles et établir une échelle à peu près correcte pour le système solaire.
Copernic n'a pas pu prouver que la Terre tourne autour du Soleil. En fait, avec quelques ajustements, l'ancien système ptolémaïque aurait pu également prendre en compte les mouvements des planètes dans le ciel. Mais Copernic a souligné que la cosmologie ptolémaïque était maladroite et n'avait pas la beauté et la symétrie de son successeur.
À l'époque de Copernic, en fait, peu de personnes pensaient qu'il existait des moyens de prouver si le système héliocentrique ou l'ancien système géocentrique était correct. Une longue tradition philosophique, remontant aux Grecs et défendue par l'Église catholique, soutenait que la pensée humaine pure combinée à la révélation divine représentait le chemin de la vérité. La nature, telle que révélée par nos sens, était suspecte. Par exemple, Aristote avait estimé que les objets plus lourds (dont la qualité les rendait plus lourds) devaient tomber sur Terre plus rapidement que les objets plus légers. C'est absolument faux, comme le montre toute expérience simple faisant tomber deux balles de poids différents. Cependant, à l'époque de Copernic, les expériences n'avaient pas beaucoup de poids (excusez l'expression) ; le raisonnement d'Aristote était plus convaincant.
Dans cet environnement, il n'y avait guère de motivation à effectuer des observations ou des expériences pour distinguer les théories cosmologiques concurrentes (ou quoi que ce soit d'autre). Il ne faut donc pas s'étonner que l'idée héliocentrique ait été débattue pendant plus d'un demi-siècle sans qu'aucun test n'ait été effectué pour déterminer sa validité. (En fait, dans les colonies d'Amérique du Nord, l'ancien système géocentrique était encore enseigné à l'université Harvard dans les premières années qui ont suivi sa fondation en 1636.)
Comparez cela à la situation actuelle, où les scientifiques se précipitent pour tester chaque nouvelle hypothèse et n'acceptent aucune idée tant que les résultats ne sont pas connus. Par exemple, lorsque deux chercheurs de l'université de l'Utah ont annoncé en 1989 qu'ils avaient découvert un moyen de réaliser la fusion nucléaire (le processus qui alimente les étoiles) à température ambiante, d'autres scientifiques de plus de 25 laboratoires aux États-Unis ont tenté de reproduire la « fusion à froid » dans quelques laboratoires semaines, sans succès, comme il s'est avéré. La théorie de la fusion froide a rapidement pris feu.
Comment regarderait-on le modèle de Copernic aujourd'hui ? Lorsqu'une nouvelle hypothèse ou théorie est proposée en science, il faut d'abord vérifier sa cohérence avec ce qui est déjà connu. L'idée héliocentrique de Copernic passe ce test, car elle permet de calculer les positions des planètes au moins aussi bien que la théorie géocentrique. L'étape suivante consiste à déterminer les prédictions de la nouvelle hypothèse qui diffèrent de celles des idées concurrentes. Dans le cas de Copernic, un exemple est la prédiction selon laquelle, si Vénus fait le tour du Soleil, la planète devrait passer par toute la gamme de phases, tout comme la Lune, alors que si elle fait le tour de la Terre, elle ne devrait pas le faire (Figure\(\PageIndex{3}\)). De plus, nous ne devrions pas être en mesure de voir la phase complète de Vénus depuis la Terre, car le Soleil se trouverait alors entre Vénus et la Terre. Mais à cette époque, avant le télescope, personne n'imaginait tester ces prédictions.
Cette animation montre les phases de Vénus. Vous pouvez également voir sa distance par rapport à la Terre lorsqu'elle tourne autour du Soleil.
Galilée et les débuts de la science moderne
Bon nombre des concepts scientifiques modernes d'observation, d'expérimentation et de vérification d'hypothèses par des mesures quantitatives minutieuses ont été mis au point par un homme qui a vécu près d'un siècle après Copernic. Galileo Galilei (Figure\(\PageIndex{4}\)), contemporain de Shakespeare, est né à Pise. Comme Copernic, il a commencé à suivre une formation en vue d'une carrière médicale, mais il s'est peu intéressé à la matière et s'est ensuite tourné vers les mathématiques. Il a occupé des postes de professeur à l'université de Pise et à l'université de Padoue, avant de devenir mathématicien du grand-duc de Toscane à Florence.
Les plus grandes contributions de Galilée ont été dans le domaine de la mécanique, de l'étude du mouvement et de l'action des forces sur les corps. Tout le monde savait alors, comme c'est le cas aujourd'hui, que si quelque chose est au repos, il a tendance à le rester et nécessite une certaine influence extérieure pour le mettre en mouvement. Le repos était donc généralement considéré comme l'état naturel de la matière. Galilée a toutefois montré que le repos n'est pas plus naturel que le mouvement.
Si un objet est glissé le long d'un sol horizontal rugueux, il s'immobilise rapidement car la friction entre celui-ci et le sol agit comme une force de ralentissement. Cependant, si le sol et l'objet sont tous deux très polis, l'objet, à la même vitesse initiale, glissera plus loin avant de s'arrêter. Sur une couche de glace lisse, il glissera encore plus loin. Galilée a estimé que si tous les effets de résistance pouvaient être supprimés, l'objet continuerait indéfiniment dans un état de mouvement constant. Il a fait valoir qu'une force est nécessaire non seulement pour faire bouger un objet depuis son arrêt, mais aussi pour ralentir, arrêter, accélérer ou modifier la direction d'un objet en mouvement. Vous l'apprécierez si vous avez déjà essayé d'arrêter une voiture qui roule en vous appuyant contre elle, ou un bateau en mouvement en tirant sur une ligne.
Galilée a également étudié la façon dont les objets accélèrent, c'est-à-dire modifient leur vitesse ou leur direction de mouvement. Galilée a observé des objets qui tombaient librement ou qui roulaient sur une rampe. Il a découvert que ces objets accélèrent de manière uniforme, c'est-à-dire qu'à intervalles de temps égaux, ils gagnent des incréments de vitesse égaux. Galilée a formulé ces lois récemment découvertes en termes mathématiques précis qui ont permis aux futurs expérimentateurs de prédire à quelle distance et à quelle vitesse les objets se déplaceraient sur des durées variables.
Confirmation
En théorie, si Galilée a raison, une plume et un marteau, tombés en même temps d'une hauteur, devraient atterrir au même moment. Sur Terre, cette expérience n'est pas possible car la résistance de l'air et les mouvements de l'air font battre la plume, au lieu de tomber directement vers le bas, accélérée uniquement par la force de gravité. Depuis des générations, les professeurs de physique affirment que l'endroit idéal pour tenter cette expérience est un endroit où il n'y a pas d'air, comme la Lune. En 1971, l'astronaute d'Apollo 15 David Scott s'est emparé d'un marteau et d'une plume sur la Lune et l'a essayé, pour le plus grand plaisir des passionnés de physique du monde entier. La NASA fournit la vidéo du marteau et de la plume ainsi qu'une brève explication
Figure vidéo\(\PageIndex{1}\) : Marteau contre plume sur la lune Crédit d'image : Apollo 15 Crew, NASA
Dans les années 1590, Galilée a adopté l'hypothèse copernicienne d'un système solaire héliocentrique. Dans l'Italie catholique romaine, cette philosophie n'était pas populaire, car les autorités de l'Église défendaient toujours les idées d'Aristote et de Ptolémée, et elles avaient de puissantes raisons politiques et économiques d'insister sur le fait que la Terre était le centre de la création. Galilée a non seulement contesté cette façon de penser, mais il a également eu l'audace d'écrire en italien plutôt qu'en latin érudit, et de donner des conférences publiques sur ces sujets. Pour lui, il n'y avait aucune contradiction entre l'autorité de l'Église en matière de religion et de moralité et l'autorité de la nature (révélée par des expériences) en matière de science. C'est principalement à cause de Galilée et de ses opinions « dangereuses » qu'en 1616, l'Église a publié un décret d'interdiction déclarant que la doctrine copernicienne était « fausse et absurde » et ne devait être ni retenue ni défendue.
Observations astronomiques de Galilée
Il n'est pas certain qui a d'abord eu l'idée de combiner deux pièces de verre ou plus pour produire un instrument qui agrandisserait les images d'objets éloignés, les faisant apparaître plus près. Les premières « lunettes espion » (aujourd'hui appelées télescopes) qui ont beaucoup attiré l'attention ont été fabriquées en 1608 par le fabricant de lunettes néerlandais Hans Lippershey (1570—1619). Galilée a entendu parler de la découverte et, sans jamais avoir vu de télescope assemblé, a construit l'un des siens avec un grossissement à trois puissances (3×), qui a fait apparaître des objets éloignés trois fois plus proches et plus grands (Figure\(\PageIndex{5}\)).
Le 25 août 1609, Galilée a présenté un télescope d'un grossissement de 9x aux représentants du gouvernement de la cité-État de Venise. Par un grossissement de 9x, nous entendons que les dimensions linéaires des objets visualisés apparaissaient neuf fois plus grandes ou que les objets apparaissaient neuf fois plus proches qu'ils ne l'étaient réellement. Un dispositif permettant de voir des objets éloignés présentait des avantages militaires évidents. Pour son invention, le salaire de Galilée a presque doublé et il a obtenu un mandat à vie en tant que professeur. (Ses collègues universitaires étaient indignés, notamment parce que l'invention n'était même pas originale.)
D'autres avaient utilisé le télescope avant Galilée pour observer des choses sur Terre. Mais dans un éclair qui a changé l'histoire de l'astronomie, Galilée s'est rendu compte qu'il pouvait orienter la puissance du télescope vers le ciel. Avant d'utiliser son télescope pour des observations astronomiques, Galilée a dû concevoir une monture stable et améliorer l'optique. Il a augmenté le grossissement à 30x. Galilée avait également besoin de faire confiance au télescope.
À cette époque, les yeux humains étaient considérés comme l'arbitre final de la vérité sur la taille, la forme et la couleur. Les lentilles, les miroirs et les prismes étaient connus pour déformer les images éloignées en les agrandissant, en les réduisant ou en les inversant, ou en diffusant la lumière dans un spectre (arc-en-ciel de couleurs). Galilée a entrepris des expériences répétées pour se convaincre que ce qu'il a vu à travers le télescope était identique à ce qu'il a vu de près. Ce n'est qu'alors qu'il a pu commencer à croire que les phénomènes miraculeux révélés par le télescope dans les cieux étaient réels.
Commençant ses travaux astronomiques à la fin de 1609, Galilée a découvert que de nombreuses étoiles trop faibles pour être vues à l'œil nu devenaient visibles avec son télescope. Il a notamment découvert que certains flous nébuleux se transformaient en de nombreuses étoiles et que la Voie lactée, la bande de blancheur qui traverse le ciel nocturne, était également composée d'une multitude d'étoiles individuelles.
En examinant les planètes, Galilée a découvert quatre lunes tournant autour de Jupiter dans des délais allant d'un peu moins de 2 jours à environ 17 jours. Cette découverte a été particulièrement importante car elle a montré que tout ne doit pas nécessairement tourner autour de la Terre. De plus, cela a démontré qu'il pouvait y avoir des centres de mouvement eux-mêmes en mouvement. Les défenseurs de la vision géocentrique avaient fait valoir que si la Terre était en mouvement, la Lune serait abandonnée parce qu'elle pourrait difficilement suivre le rythme d'une planète qui se déplace rapidement. Pourtant, voici les lunes de Jupiter qui faisaient exactement cela. (Pour souligner cette découverte et honorer son travail, la NASA a baptisé Galilée un vaisseau spatial qui a exploré le système Jupiter.)
Avec son télescope, Galilée a pu tester la théorie copernicienne mentionnée plus haut, en se basant sur les phases de Vénus. En quelques mois, il avait découvert que Vénus traverse des phases similaires à celles de la Lune, ce qui montre qu'elle doit tourner autour du Soleil, de sorte que nous puissions voir différentes parties de son côté diurne à différents moments (Figure\(\PageIndex{3}\)). Ces observations n'ont pas pu être conciliées avec le modèle de Ptolémée, dans lequel Vénus tournait autour de la Terre. Dans le modèle de Ptolémée, Vénus pouvait également montrer des phases, mais il s'agissait des mauvaises phases dans le mauvais ordre d'après ce que Galilée a observé.
Galilée a également observé la Lune et a vu des cratères, des chaînes de montagnes, des vallées et des zones plates et sombres qu'il pensait être de l'eau. Ces découvertes ont montré que la Lune n'était peut-être pas si différente de la Terre, ce qui suggère que la Terre pourrait également appartenir au domaine des corps célestes.
Pour plus d'informations sur la vie et l'œuvre de Galilée, consultez le projet Galileo de l'université Rice.
Après les travaux de Galilée, il est devenu de plus en plus difficile de nier la vision copernicienne, et la Terre a été lentement détrônée de sa position centrale dans l'univers et a reçu la place qui lui revenait en tant que l'une des planètes fréquentant le Soleil. Mais au début, Galileo s'est heurté à une forte opposition. L'Église catholique romaine, encore sous le choc de la Réforme protestante, cherchait à affirmer son autorité et a choisi de prendre l'exemple de Galilée. Il a dû comparaître devant l'Inquisition pour répondre à des accusations selon lesquelles son travail était hérétique, et il a finalement été condamné à résidence surveillée. Ses livres figuraient sur la liste des interdits de l'Église jusqu'en 1836, bien que dans les pays où l'Église catholique avait moins d'influence, ils aient été largement lus et discutés. Ce n'est qu'en 1992 que l'Église catholique a reconnu publiquement qu'elle avait commis une erreur en censurant les idées de Galilée.
Les nouvelles idées de Copernic et Galilée ont révolutionné notre conception du cosmos. Il est finalement devenu évident que l'univers est vaste et que le rôle de la Terre y est relativement peu important. L'idée que la Terre se déplace autour du Soleil comme les autres planètes laissait entrevoir la possibilité qu'elles soient elles-mêmes des mondes, voire qu'elles entretiennent la vie. De même que la Terre a été rétrogradée de sa position au centre de l'univers, l'humanité l'a été également. L'univers, malgré ce que nous souhaitons, ne tourne pas autour de nous.
La plupart d'entre nous tiennent ces choses pour acquises aujourd'hui, mais il y a quatre siècles, ces concepts étaient effrayants et hérétiques pour certains, extrêmement stimulants pour d'autres. Les pionniers de la Renaissance ont ouvert le monde européen sur la voie de la science et de la technologie que nous suivons encore aujourd'hui. Pour eux, la nature était rationnelle et, en fin de compte, connaissable, et les expériences et les observations permettaient de révéler ses secrets.
OBSERVATION DES PLANÈTES
À tout moment de la nuit et en toute saison, vous pouvez apercevoir une ou plusieurs planètes brillantes dans le ciel. Les cinq planètes connues des Anciens, Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne, sont plus proéminentes que toutes les étoiles les plus brillantes, et elles peuvent être observées même depuis les zones urbaines si vous savez où et quand regarder. Une façon de distinguer les planètes des étoiles brillantes est que les planètes scintillent moins.
Vénus, qui reste proche du Soleil de notre point de vue, apparaît soit comme une « étoile du soir » à l'ouest après le coucher du soleil, soit comme une « étoile du matin » à l'est avant le lever du soleil. C'est l'objet le plus brillant du ciel après le Soleil et la Lune. Elle surpasse de loin n'importe quelle vraie étoile et, dans les circonstances les plus favorables, elle peut même projeter une ombre visible. De jeunes recrues militaires ont tenté d'abattre Vénus alors qu'un vaisseau ennemi ou un OVNI approchait.
Mars, avec sa couleur rouge caractéristique, peut être presque aussi brillante que Vénus lorsqu'elle est proche de la Terre, mais elle reste normalement beaucoup moins visible. Jupiter est le plus souvent la deuxième planète la plus brillante, avec une brillance à peu près égale à celle des étoiles les plus brillantes. Saturne est plus sombre et sa luminosité varie considérablement, selon que ses grands anneaux sont visibles presque sur les bords (faible) ou plus largement ouverts (lumineux).
Mercure est assez brillant, mais peu de gens le remarquent parce qu'il ne s'éloigne jamais très loin du Soleil (il ne se trouve jamais à plus de 28° dans le ciel) et est toujours visible dans le ciel étoilé du crépuscule.
Comme leur nom l'indique, les planètes « errent » sur fond d'étoiles « fixes ». Bien que leurs mouvements apparents soient complexes, ils reflètent un ordre sous-jacent sur lequel repose le modèle héliocentrique du système solaire, tel que décrit dans ce chapitre. Les positions des planètes sont souvent répertoriées dans les journaux (parfois sur la page météo), et des cartes claires et des guides indiquant leur position peuvent être trouvés chaque mois dans des magazines tels que Sky & Telescope et Astronomy (disponibles dans la plupart des bibliothèques et en ligne). Il existe également un certain nombre de programmes informatiques et d'applications pour téléphones et tablettes qui vous permettent d'afficher la position des planètes n'importe quelle nuit.
Résumé
Nicolas Copernic a introduit la cosmologie héliocentrique dans l'Europe de la Renaissance dans son livre De Revolutionary Ibus. Bien qu'il ait conservé l'idée aristotélicienne d'un mouvement circulaire uniforme, Copernic a suggéré que la Terre est une planète et que toutes les planètes tournent autour du Soleil, détrônant la Terre de sa position au centre de l'univers. Galilée est le père de la physique expérimentale moderne et de l'astronomie télescopique. Il a étudié l'accélération des objets en mouvement et, en 1610, a commencé des observations télescopiques, découvrant la nature de la Voie lactée, les caractéristiques à grande échelle de la Lune, les phases de Vénus et les quatre lunes de Jupiter. Bien qu'il ait été accusé d'hérésie pour son soutien à la cosmologie héliocentrique, Galilée est crédité d'observations et d'écrits brillants qui ont convaincu la plupart de ses contemporains scientifiques de la réalité de la théorie copernicienne.
Lexique
- accélérer
- pour changer de vitesse ; pour accélérer, ralentir ou changer de direction.
- héliocentrique
- centré sur le Soleil
- Texte de Hammer and Fellow de la NASA