Johannes Kepler (1571-1630), le Géo Trouvetout de l'Astronomie
Le 27 décembre 1571 à
Weil-der-Stadt, près de Stuttgart en Allemagne, le petit Johannes, déjà
impatient de découvrir le monde, quitte prématurément le ventre de sa mère. Malgré
un appétit scientifique "gargantuesque", Kepler sera quelqu’un de fragile. La
faute à la petite vérole qu’il attrape à l’âge de 3 ans ? Peut-être.
Toujours est-il que cette maladie lui déformera les mains, et affectera
gravement sa vue. A moins que cette fragilité ne soit liée à son enfance
instable…
Malgré des relations conflictuelles,
ce sont bien ses parents qui font découvrir au futur prodige la magie du ciel constellé
d’étoiles, à la nuit tombée. En 1577, sa mère l’emmène au sommet d’une colline
pour observer le passage d’une comète. Le 31 janvier 1580, son père l’invite à un
spectacle époustouflant : une éclipse de Lune (phénomène qu’il décrira plus
tard dans l’un de ses ouvrages sur l’optique).
Et puis, chez les Kepler, on est Protestants ! D'un point de vue de la religion, c'est une information qui a son importance car la présence divine est une source d’inspiration omniprésente dans l’œuvre du fiston, persuadé que Dieu a créé l’Univers selon un plan mathématique…
Un brillant élève
Kepler pourrait se vanter d’être le
père de la cosmologie moderne… C’est d’ailleurs lui qui a donné le coup de
grâce aux mouvements circulaires uniformes des astres ! Sa
« carrière » démarre à l’âge de 12 ans. Il travaille d’abord comme serveur
dans une auberge puis ouvrier agricole, mais c’est déjà un garçon très brillant…
Son professeur de mathématiques, Michael Maestlin (1550-1631) est une pointure en astronomie. L’esprit très ouvert, il n’hésite pas à évoquer le système héliocentrique de Copernic auprès de ses meilleurs élèves, même si son poste l’oblige à enseigner le concept de l’immobilité de la Terre ! La société étant encore fermement attachée au modèle géocentrique de Ptolémée… « C’est complètement farfelu d’aller imaginer que le Soleil puisse être au centre des mouvements des planètes ! » doit-on penser à l’époque.
Géocentrisme et héliocentrisme (Confluents des Savoirs)
L’astrologie, petite sœur de l’astronomie ?
Kepler s’oriente vers une carrière
ecclésiastique. Mais le destin a d’autres projets pour lui… Une opportunité se
présente en 1594 : l’Ecole Protestante de Graz a besoin d’un professeur de
mathématiques. Il obtient le poste. Parallèlement à cet emploi, il se consacre
à ses travaux de recherche.
Kepler est un touche-à-tout. L’astrologie est
un autre de ses dadas ! Il espère en faire une vraie science qui n’aurait pas à
rougir devant la physique ou les maths. Il la considère comme « une
fille dévergondée qui nourrit sa mère pauvre, l’astronomie ». A l’époque,
il n’y a pas encore de profonde fracture entre la Science et les sciences
occultes qui ne sont fondées sur aucune preuve scientifique. Kepler s’acharne donc
à lui trouver des bases solides. Pourtant ses convictions sont limitées…
Inutile d’aller voir un symbole là où il n’y en a pas ! Et il admet
parfaitement que le nom des constellations est arbitraire, et que la division
du Zodiaque a surtout un côté pratique. Il consacre tout de même deux grandes œuvres
à l’astrologie en 1601 De fundamentis astrologiae, et en 1620 Astrologicus.
Par un temps, ses talents d’astrologue sont très en vogue. Il réalise des Almanachs, et se lance dans les calendriers, horoscopes et autres prédictions dont certaines se réalisent. C’est ainsi qu’en 1595, il prédit un soulèvement de la population, une invasion turque et un hiver rude. Dans le mille ! Tout se réalise.
Ciel ! La tête dans les étoiles !
En 1596, aidé de Maestlin, il
publie son premier ouvrage Mysterium cosmographicum dans lequel il
affirme que le système de Ptolémée doit enfin céder sa place à la théorie
héliocentrique. Sa réflexion sur la structure de l’Univers le propulse au
sommet. Copernicien convaincu, il prévoit de lever certains mystères :
combien de planètes dans le système solaire, quelle est leur distance par
rapport au soleil et à quelles vitesses se déplacent-elles ? Débordant d’imagination,
il y expose autant de choses loufoques issues de ses croyances religieuses que
de réflexions exceptionnelles.
Ainsi, l’ouvrage développe la théorie des polyèdres réguliers, pourtant douteuse, qui allait lui ouvrir des portes et attirer l’attention sur lui. C’est d’ailleurs à cette époque qu’il commence à correspondre avec le mathématicien impérial à la cour de Prague, le danois Tycho Brahé, qu’il rencontre en février 1600 au château de Benate. Dans le même temps, ses idées coperniciennes et ses convictions religieuses dérangent, il doit fuir Graz. C’est pourquoi il accepte volontiers la proposition de Brahé et devient son assistant à Prague.
En effet, leur collaboration est fructueuse, mais de courte durée. Brahé meurt en 1601 et accepte de léguer l’intégralité de ses travaux à Kepler (plus de 15 ans de recherche !) qui lui succède dans la Chaire de mathématicien impérial jusqu’en 1612. Les observations astronomiques de Brahe sont stupéfiantes, précises à une minute d’arc près. Kepler, lui, est un piètre observateur du fait de sa forte myopie. Autre astronome, autre stratégie donc. Il privilégie le côté théorique, passant des heures sur des calculs complexes. Objectif ? Elucider chacun des paramètres de l’orbite de Mars. De là, il tire les deux premières lois des mouvements planétaires qu’il publie dans Astronomia nova en 1609 à Prague.
La théorie des polyèdres réguliers
Selon Kepler, Dieu n’a pas
bâtit l’Univers au hasard. Il a pris les cinq polyèdres réguliers convexes (cube,
tétraèdre, dodécaèdre, icosaèdre, octaèdre) connus en géométrie -tout
simplement parce qu’ils s’inscrivent chacun parfaitement dans une sphère- puis
les a emboîtés. Pour l’astronome, associer ces volumes au système solaire est
une idée qui tombe sous le sens ! Il s’appuie sur les concepts de la fin
du XVIe siècle selon lesquelles les orbites des six planètes connues à l’époque
(de Mercure à Saturne) sont des sphères plus ou moins matérielles. L’astronome
explique les distances relatives des planètes en inscrivant les divers
polyèdres les uns dans les autres, chaque sphère circonscrite à un polyèdre et
inscrite dans le suivant correspond à l’orbe d’une planète.
En avant Mars !
A la demande de ce dernier
qui avait constaté une excentricité dans la trajectoire de Mars, Kepler
se lance à corps perdu dans l’étude de l’orbite de la planète rouge. Il
travaillera sur le sujet pendant des années ! Le hasard fait parfois
bien les choses puisque Mars est, avec Mercure (plus difficile à observer), l’une
des planètes dont l’orbite a justement la plus forte excentricité.
Malgré les pressions extérieures et des connaissances fortement encrées en lui, ses calculs le conduisent tous dans la même direction : le doute... Kepler se rend à l’évidence. Il faut remettre en question le précepte des trajectoires circulaire des planètes. En effet, selon ses travaux et les résultats obtenus par Brahé, tout porte à croire que Mars aurait une trajectoire elliptique ! Une révolution de la cosmologie moderne est en marche...
Une
œuvre colossale
Ce savant chercheur a marqué la période de transition entre le Moyen Age et la Renaissance. Son œuvre est gigantesque ! Kepler est l’initiateur d’une nouvelle façon de travailler en sciences. Il laisse une place importante à l’observation, qui lui permet ou non de valider ses hypothèses. En somme, il est l’un des premiers à ne tirer des conclusions qu’après avoir tout vérifier !
Même si, il faut le reconnaître,
l’astrologie ne rentre pas dans ce cadre strict de la démarche
scientifique, le progrès est très net. Cette nouvelle méthodologie appliquée
aux sciences dures aura bien du mal à s’imposer au travers du temps, mais elle
finira par gagner ses lettres de noblesse. Il n’y a qu’à voir comment on
enseigne la science aujourd’hui !
Astronomia nova
Le succès n’est pas aussi
important qu’à la sortie de Mysterium cosmographicum. La société n’est
peut-être pas encore prête à accepter qu’il bouleverse de la sorte de grands principes
admis par tous. Imaginez, il ose écrire ceci : « si on place deux
pierres quelque part dans l’espace loin de tout autre corps, alors elles se
rapprochent comme des aimants, chacune parcourant une distance proportionnelle
à la masse de l’autre » !
Il aborde également sa découverte
de la trajectoire elliptique de l’orbite de Mars. Pourtant, le modèle
géocentrique prédomine toujours… Et à l’époque, la seule orbite admise pour une
planète est forcément circulaire : le cercle étant la forme parfaite, il semble
impossible que les astres suivent une autre trajectoire ! Alors
évidemment, Kepler a du pain sur la planche s’il veut faire évoluer les
mentalités.
Peut-être que par le
calcul… ? Essayant d’ajuster un cercle aux mesures des positions de Mars,
Kepler parvient presque à accepter la trajectoire circulaire mais deux
positions lui donnent du fil à retordre. Il finit par abandonner l’hypothèse
circulaire et avance celle d’ellipse. La première loi de Kepler -la loi des
orbites- était née : « Les orbites des
planètes sont des ellipses dont le Soleil occupe l’un des foyers ». Avec l’énoncé de sa seconde
loi -la loi des aires -
Kepler bouleverse encore une théorie, et se permet le luxe de renvoyer au
placard les mouvements uniformes : « dans
le mouvement d’une planète, le rayon vecteur balaie des aires égales en des
temps égaux » ! Et voilà comment il nous apprend que plus
une planète est proche du soleil, et plus son mouvement est rapide.
En 1604, il est informé de l’existence d’une supernova. Bien qu’il n’en soit pas le découvreur, elle portera son nom -Supernova de Kepler- en hommage à ses travaux sur le sujet qu’il compile dans l’ouvrage De Stella nova pede serpentarii.
L’optique
Ses études sur l’orbite de Mars le conduisent tout naturellement aux portes de l’optique. Certains phénomènes échappent au grand Kepler. Et il veut comprendre, coûte que coûte… D’autant qu’il entretient d’excellentes relations avec un certain Galilée : l’inventeur de la lunette astronomique. En 1604, il publie Astronomia pars Optica, une référence en matière d’optique moderne ! Là, il établit des principes fondamentaux : la nature de la lumière, la chambre obscure, les miroirs, les lentilles et la réfraction dont il tire la loi i = n x r valable sur de petits angles (la loi fondamentale sin i = n x sin r sera établie plus tard par Snell et Descartes). La vision l’intrigue autant que le rôle et l’utilité des humeurs de l’oeil… Il réfléchit sur la façon dont nos yeux peuvent percevoir les objets, l’environnement, etc. Il suggère que l’image de ce que nous voyons se forme sur la rétine (non pas le cristallin comme on le croyait à l’époque), et pense que le cerveau parvient parfaitement à remettre à l’endroit les images inversées que l’œil lui transmet… Jamais en manque de travail et d’inspiration, en 1611, à Augsbourg, il publie Dioptricae. Cette fois, il s’attaque au principe de la fameuse lunette astronomique de Galilée : l’ancêtre du télescope le fascine !
La troisième loi
En 1612, Kepler est nommé à Linz
en Autriche. C’est là qu’il découvre la troisième loi, publiée dans Harmonices
mundi en 1619 : une oeuvre originale dans le sens où Kepler y expose
sa conception de l’Univers soumis à des lois « harmoniques ». Pour
lui, il existe un lien entre l’astronomie et la musique, il attribue d’ailleurs
un thème musical à chaque planète. Qui a dit que recherche et poésie étaient
incompatibles !
Quant à sa troisième loi -la loi des périodes- elle témoigne du fait que les mouvements des différentes planètes ne sont pas indépendants les uns des autres puisque les dimensions des orbites sont directement liées aux durées de révolution, donc au temps nécessaire pour faire un tour autour du soleil : « les carrés des périodes de révolution sont proportionnels aux cubes des distances moyennes au soleil ». Par exemple, Jupiter étant 5,2 fois plus loin du Soleil que la Terre et qu’elle exécute sa rotation autour du Soleil en 11,86 ans (contre une année pour notre planète), on a la relation suivante : 5,23 = 11,86
La "bosse des maths"
Pour les calculs liés à
ses travaux d’astronomie, Kepler bénéficie de la découverte des logarithmes de
Napier en 1614. Il reprend d’ailleurs la table des logarithmes
décimaux de Briggs publiée en 1624 (qui pose log1=0 et log10=1), dont il
améliore l’utilisation dans Chilias logarithmorum.
Cette contribution aux tables logarithmiques lui servira pour mettre au point son catalogue d’étoiles en 1627, appelé tables rudolphines dans lesquelles il recense la position de 1005 étoiles ! Là, il réexprime dans le système héliocentrique de Copernic les données des observations de Tycho Brahé (géocentriques celles-ci).
Kepler quitte Linz pour Sagan, en Pologne et s’installe auprès du duc de Wallenstein, mais n’y trouve pas son compte… Eh oui, le savant s’ennuie ! Il meurt lors d’un voyage à Ratisbonne, le 15 novembre 1630. En 1634, la magie de l’écriture fait reparler de lui. Somnium, véritable roman de science-fiction qu’il avait achevé peu avant sa mort est publié. De quoi s’agit-il ? D’espace bien sûr ! L’histoire est celle d’un extraordinaire voyage de la Terre à la Lune : quelque chose de complètement fou et utopique. Et pourtant, souvenez-vous… Un 20 juillet 1969, Neil Armstrong posait le pied sur la Lune. Kepler avait donc vu juste pour sa dernière prédiction !
Caroline Lepage (article publié en 2006 dans le magazine Cosinus)
OrelSan "La Terre est ronde" (2011)
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