La théorie de la Relativité

Le cadre historique

Newton, le premier scientifique (III)

Galilée mourut en 1642, l'année même où naquit Newton, le jour de Noël. Tout à la fois rationnel et irrationnel, touchant tant à la science qu'aux pseudo-sciences, face à Newton nous sommes en présence d'un personnage contradictoire, du moins si nous l'analysons dans un cadre scientifique contemporain. D'après les textes qu'il nous légua, il mena toute sa vie des recherches en mathématiques, en mécanique céleste, en optique, mais également en alchimie et en théologie. 

Connaissant trop bien l'air de son temps, il prit cependant soin de ne rien divulguer qui puisse le faire passer pour un hérétique durant sa vie. Ses seuls ennuis seront dus à son acharnement à revendiquer la paternité de ses découvertes. Situation bien naturelle mais qui l'opposera au célèbre Robert Hooke, Secrétaire de la Royal Society des années durant, à Leibniz et Descartes.

Ainsi que nous le verrons dans la partie historique, pour Newton, tout commença pendant l'été de 1665, alors que la peste bubonique régna à Londres et à Cambridge, l'obligeant à se retirer en province, non loin du village de Woolsthorpe. Un grand incendie se produisit l'année suivante dans la capitale, si bien que le jeune Newton passa près de 18 mois en vacances forcées. Il écrivit dans sa biographie[22], qu'à cette époque "âgé d'à peine 24 ans, mes capacités d'invention étaient au maximum et je m’intéressais plus aux Mathématiques et à la Philosophie que je ne l’ai jamais fait depuis". 

Il profita de ce congé pour résoudre une série de problèmes mécaniques de la vie courante. Il fit des découvertes essentielles en mathématiques, découvrit certaines propriétés de la lumière et s'occupa beaucoup de philosophie et d'alchimie. En fait son génie créateur ne connaîtra plus de répit.

En 1667 il retourna au Trinity College de Cambridge et obtint son titre de "maître es arts". Deux ans plus tard, soutenu par son professeur Isaac Barrow il obtint la chaire Lucasienne de Mathématiques de l'Université de Cambridge qui, rappelons-le, est aujourd’hui occupée par Stephen Hawking depuis 1979, ce qui indique le niveau d'érudition de Newton.

Un peu plus tard il chercha une méthode pour supprimer l'aberration chromatique des lunettes astronomiques. Au bout d'un an de recherche et d'expérimentation, n'y parvenant pas réellement, en 1671 il inventa le célèbre télescope à miroir qui portera désormais son nom. Il en fabriqua plusieurs exemplaires qui, bien qu'offrant un diamètre utile de 37 mm seulement, lui permirent d'observer la Lune, Jupiter, Vénus et les étoiles.

Durant les 15 années qui suivirent Newton fit un grand nombre d'expériences scientifiques, au point de délaisser totalement sa vie sociale et familiale. Le jeune savant voulait non seulement trouver une explication simple et complète des phénomènes naturels, mais il était persuadé que la présence divine se manifestait partout et toujours. Son objectif était de répondre au comment des choses, cherchant dans le cadre formel des équations, les lois qui gouvernent la Nature. Après seulement, il pourrait rechercher le sens de ses Lois, qu’elles appartiennent ou non au monde de la physique.

En 1686, Newton achève la composition de son oeuvre Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, un recueil de ses principaux travaux. Il se compose de trois livres que précèdent deux courtes sections tout aussi passionnantes. Pour décrire les conséquences des lois du mouvement Newton choisit d'utiliser des mathématiques de base plutôt que le calcul infinitésimal qu'il avait inventé bien plus tôt afin que les lecteurs le comprennent à partir des seules mathématiques qu'ils connaissaient. Malgré cette prudence, aucun éditeur ne compris la portée de son oeuvre et c'est l'astronome Edmund Halley qui lui avancera l'argent pour la publier. Les "Principia" sont le point d'encrage de la physique moderne. Newton rejette définitivement la séparation du monde sublunaire du monde supralunaire et considère que tous les objets de l'univers sont de même nature.

Premier scientifique moderne, comprenant qu'il ne peut pas présenter sa Loi de l'attraction universelle sans introduire quelques notions de base, dans les premières pages de la première section, Newton pose la définition des termes qu'il sera amener à utiliser ultérieurement, quantité de matière, quantité de mouvement, durée, force, etc. Dans les paragraphes qui suivent, il décrit ses expériences et développe les démonstrations de ses nouvelles théories. 

A peine âgé de 25 ans, Newton considérait déjà que l'accélération de la pesanteur était un principe fondamental. De nos jours, nous dirions qu'il existe un "principe d'équivalence" entre la masse d'un corps, l'inertie qui répond à une force qui s'y applique et sa masse gravitationnelle, liée au champ de force.

Newton voulut démontrer son principe en reprenant l'expérience du pendule réalisée en 1584 par Galilée. Si la masse des objets n'influence pas leur accélération, le mouvement du pendule, qu'il soit constitué de bois ou de plomb, doit uniquement dépendre de la longueur du fil qui le soutient (et de la valeur de l'accélération de la pesanteur au lieu où se fait l'expérience)[23]. 

Newton établit que pour une longueur de fil identique, le pendule en bois et celui composé de plomb restaient synchrones. La période T du pendule n'était pas fonction de la quantité de matière qu'il contenait. De manière générale, les oscillations du pendule sont fonction de la racine carrée du rayon de la planète :

Il y avait bien une égalité (à 1 pour 1000 près) entre la masse inertielle d'un corps et la masse gravitationnelle qui répondait à l'action de la pesanteur. Cette amusante observation fut bien souvent répétée. Des expériences plus sophistiquées furent réalisées au XIX^e siècle, dont la plus précise fut celle du baron Roland von Eötvös avec une balance de torsion munie de deux masses différentes. Il s'agit des expériences dites "de zéro".

Newton expose ensuite la loi de l'inertie tel que Descartes l'avait énoncée, qui se définit aujourd'hui par ces mots : "Tout corps reste à l'état de repos ou de mouvement uniforme tant qu'une force n'agit pas sur lui ".

Cette notion est fondamentale. Newton découvre que tous les corps contiennent une certaine quantité de matière. Du fait de cette masse, l'inertie représente leur résistance à se mettre en mouvement ou à changer de direction. De nos jours, tout le monde a ressenti les effets de l'inertie, que ce soit en heurtant le tableau de bord d'une voiture lorsqu'elle freine brusquement ou assis à la place du passager dans un tournant pris à vive allure. Soumis de prime abord à aucune force, notre corps semble libre, au repos, il est animé d'un mouvement inertiel. Mais en réalité les effets de l'inertie n'attendent qu'un changement de vitesse pour se manifester.

Prochain chapitre

La griffe du lion