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Société des enseignants
BULLETIN No 23 / Epistémologie

Les origines de l'astrophysique : de -585 à
1604

-585 est la date d'une éclipse connue sous le nom d'éclipse de Thalès. Cette attribution à Thalès de Milet par les anciens Grecs semble abusive. Les historiens modernes pensent que Thalès apprit des astronomes de Babylone la date de la prochaine éclipse.
1604 est la date d'apparition d'une supernova. Galilée fit quelques conférences consacrées à cette "nouvelle étoile" dont l'apparition intrigua d'autant plus les gens qu'un phénomène analogue, décrit par Ticho Brahé, s'était déroulé en 1572. A cette occasion Galilée défendit deux points de vue des plus hérétiques. Il y affirma d'une part qu'un problème astronomique ne peut être résolu que sur la base de mesures et non de considérations métaphysiques; et d'autre part, il se moqua de l'opinion selon laquelle il serait fondamental de connaître l'essence des étoiles.
Les historiens nous apprennent que les premières interrogations
sur la nature du monde apparaissent dans les cités ioniennes
vers 600 ans avant notre ère.
Jusque là, le monde est décrit par des mythes qui rendent compte des phénomènes. Par exemple, le vent est produit par le dieu du vent et les vagues par le dieu de la mer. Il n'y avait aucun sens à se demander si les vagues étaient dues au vent; pire, une telle interrogation aurait pu indisposer le dieu de la mer... Cela n'empêchait nullement les matelots phéniciens de naviguer; en -600 ils avaient déjà fait le tour de l'Afrique; ils maîtrisaient parfaitement les vagues et les vents sans s'interroger sur leur origine. Et leurs navires flottaient bien avant qu'Archimède se demande pourquoi !
Maîtrise technique et absence de curiosité scientifique semble être le propre de l'Antiquité. On retrouve ces deux composantes en astronomie. A cette époque, les Babyloniens observent le ciel depuis des millénaires. Ils possèdent des tables de nombres repérant les positions, par rapport aux étoiles, des astres mobiles connus à cette époque (le Soleil, la Lune, Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne) . La précision est telle qu'ils sont capables de prédire les éclipses. Mais apparemment ils ne se posent pas de questions sur la nature-même de ces astres qu'ils observent avec tant de minutie. Leur travail vise à lire dans le ciel les messages des dieux.
Même technique élaborée, même absence d'interrogation
scientifique en Egypte, en Inde ou en Chine : la science ne naîtra
pas dans ces grandes civilisations, mais dans un cadre moins grandiose,
celui des cités grecques d'Asie Mineure.
C'est un peu après 600 av. J.C. que l'on peut fixer l'apparition des premières questions sur la nature du monde, en fait, la naissance de l'astrophysique caractérisée par un épanouissement quasi immédiat : c'est ce qui a été appelé le "miracle" grec. Miraculeux ou pas, l'événement est grec et plus précisément ionien. Les cités ioniennes ont une organisation démocratique. Les décisions n'y sont pas prises dans le secret d'un palais mais sont discutées par une assemblée de citoyens, en public.
Habitués à discuter des "affaires", les Ioniens vont essayer de comprendre des "affaires " d'une autre ampleur. C'est vers -585 que Thalès pose pour la première fois la questiion :
Thalès n'est pas astronome, même si la date de -585 prise ici comme repère est celle d'une éclipse. La prédiction des éclipses, à l'époque, était l'apanage des Babyloniens, experts en position des astres. La question de Thalès n'est pas une question d'astronome, nous dirions aujourd'hui : c'est une question d'astrophysicien. Car la science qui s'interroge sur la nature des objets de l'Univers, c'est bien l'astrophysique. Quant à la façon dont Thalès était appelé à son époque, elle va de soi: il était philosophe.
Avant Thalès, chez les Grecs et les autres peuples, l'Univers est décrit par le raccordement du paysage familier avec des éléments mythiques : la Terre est plate et circulaire (c'est bien notre impression première) et la Méditerranée en occupe le centre. Autour de ce cercle s'écoule le fleuve Océan. La voûte céleste est solide, les astres la parcourent en revenant à leur point de départ, hors de vue, le long du fleuve Océan. Sous le sol se trouvent les Enfers et plus bas encore, le Tartare, prison des Géants.
Et sur quoi repose tout ça ? La question ne se pose pas jusqu'à ce que Thalès pose la question plus générale du matériau de l'Univers. Et il propose une réponse plutôt curieuse. L'Univers est fait d'eau. Dans cette eau se trouve une bulle d'air ("l'air peut naître par évaporation" disait-il) et au fond de cette bulle flotte une galette de terre ("la terre peut naître de l'eau par sédimentation" ajoutait-il).
Ce modèle qui nous semble bien naïf du point de vue de la chimie et de la physique comporte tout de même des aspects importants : il décrit un Univers infini et une Terre bien délimitée, avec un dessus et un dessous. L'essentiel n'est pas que la réponse soit bonne, mais que la question soit posée. Elle va déclencher des progrès d'une rapidité surprenante.
Vingt ans après Thalès, son élève Anaximandre apporte une modification de taille à ce modèle : il enlève l'eau ! Sa Terre est cylindrique, sa hauteur étant le tiers de son diamètre. Ce n'est plus une galette, c'est un bloc. Le monde connu, autour de la Méditerranée, occupe une des faces planes du cylindre. Anaximandre n'exclut pas que des hommes habitent l'autre face plane, les pieds tournés vers les nôtres, ce qui leur vaudrait le nom d'Antipodes. Cette Terre en forme de cylindre ne repose sur rien. Si elle ne tombe pas, c'est que la voûte céleste n'est pas un hémisphère mais une sphère complète dont la Terre occupe le centre. Celle-ci n'a donc pas de raison de tomber.
Il serait abusif de voir dans cette absence de "raison de tomber" l'embryon d'une idée de gravitation. Ce qui sortira de là, avec Aristote, c'est l'idée que tout objet a sa place, place qu'il rejoint dès que l'on ne l'en empêche pas.
Autour de cette Terre isolée, Anaximandre imagine des roues gigantesques, creuses, dont les parois sombres sont percées de trous laissant voir le feu qu'elles contiennent. Le Soleil est le trou dans la paroi de la roue du Soleil, la Lune est le trou dans la paroi de la roue de la Lune et celui-ci s'ouvre plus ou moins d'un jour à l'autre. Ces roues n'ont pas toutes la même taille : le Soleil est beaucoup plus éloigné que la Lune. De plus, le Soleil, le "trou Soleil", est aussi gros que la Terre.
On dit qu'Anaximandre aurait construit une maquette de son système du monde. Si bizarres qu'elles puissent paraître, ces roues marquent un progrès considérable. Grâce à elles, le mouvement des astres se poursuit régulièrement autour de la Terre et ce mouvement est circulaire et uniforme.
Univers sphérique, mouvements circulaires... la Terre ne va pas rester longtemps cylindrique. Mais ce n'est pas en Ionie que la science va poursuivre sa croissance. En -546 l'Ionie est envahie par les Perses. Les Ioniens qui le peuvent se réfugient en Grande Grèce. En -530 la ville de Crotone voit débarquer Pythagore de Samos.
Thalès et Anaximandre étaient aussi géomètres. Le théorème de Thalès est l'un des premiers de la géométrie grecque; plusieurs de ses théorèmes seront repris par Euclide. Pythagore, lui, privilégie les nombres. Son théorème est une généralisation des procédés d'arpentage des Egyptiens qui savaient qu'un triangle de côtés 3, 4 et 5 est rectangle et utilisaient des cordes nouées à intervalles réguliers pour construire un angle droit.
Pythagore a passé de nombreuses années en Egypte et à Babylone avant de rentrer à Samos et de devoir s'exiler à Crotone. D'Orient il ramène sa préoccupation constante pour les nombres et des règles de vie particulières. L'Ecole qu'il fonde à Crotone ressemble à une secte. On n'y publie rien. Les travaux sont réservés aux initiés.
C'est grâce aux dissidents qui quittent l'Ecole que l'on a quelques idées sur les travaux qui y sont menés, par exemple, la définition de la gamme, dite de Pythagore, obtenue par une formalisation numérique des sons produits par une corde tendue.
Pour ces dissidents, dont Parménide (né en -544, mort en -450 environ), la Terre est sphérique. Il est plausible qu'il s'agisse là d'un apport de Pythagore fondé sur ses idées de la perfection : immobile au centre d'un Univers sphérique où toutes les directions se valent, pourquoi pas une Terre sphérique ? Une fois émise, cette idée est immédiatement corroborée par des observations antérieures. On réalise que l'on a vu, durant des siècles, la coque des bateaux disparaître avant leur mât. Ainsi, la théorie spéculative, guidée par un souci de perfection, explique une observation qui, avec un peu de trigonométrie, aurait pu induire l'idée d'une Terre sphérique. Mais la trigonométrie sans appareils d'optique performants n'aurait pas servi à grand-chose.
Voici donc la Terre sphérique et Parménide, qui a quitté l'Ecole de Pythagore au 5ème siècle, nous apprend encore que le Soleil et la Lune sont des sphères. On l'apprend par un long poème dont nous possédons la moitié, en plus des commentaires d'historiens postérieurs qui, eux, l'avaient lu en entier. Il en ressort une image vraiment moderne : le Soleil est une boule de feu et la Lune est une boule pierreuse qui ne brille que du côté où le Soleil l'éclaire. Ce n'est pas seulement l'explication des phases de la Lune, mais, intellectuellement, beaucoup plus : la lumière vient du Soleil, et, là où elle n'arrive pas, il fait noir, sur la Terre comme sur la Lune.
Jusque là, l'obscurité était matérielle : une sorte de brume sombre qui montait du sol le soir, et la lumière était une brume claire présente un peu avant le lever du Soleil. Avec Parménide, la lumière a non seulement une source mais elle se déplace. Ce pas important Parménide l'a franchi grâce à la Lune. Son côté brillant est toujours tourné vers le Soleil, le reste de la Lune est sombre. Il en sort à la fois l'idée que la Lune est pierreuse et une image nouvelle de la lumière. Cette conception révolutionnaire de la lumière, la physique la doit à l'astrophysique. Or, l'astrophysique n'en a plus pour longtemps à se développer. Elle va être interdite, sous peine de mort, par la loi athénienne.
Cité arriérée au début du VIème siècle avant notre ère, Athènes se retrouve cent ans plus tard au premier rang des cités grecques. L'Ionie est perse, la Sicile est harcelée par Carthage et l'Italie voit les Romains commencer leurs ravages. Les Athéniens ont finalement arrêté les Perses à Marathon en -490, "grâce aux dieux", comme le soulignent les prêtres au lendemain de cette victoire.
Cette ambiance de patriotisme religieux ne faiblit pas à Athènes où arrive, en -450, un Ionien, Anaxagore. Anaxagore semble ignorer les travaux des Pythagoriciens. Pour lui, la Terre est plate mais il affirme que la Lune est pierreuse et donne aussi une explication correcte des éclipses de Soleil. L'enthousiasme de la jeunesse athénienne pour son enseignement ne tarde pas à inquiéter les autorités : des pierres dans le ciel, domaine des dieux ?
Anaxagore est condamné à mort pour impiété et les Athéniens adoptent une loi vouant au même sort "quiconque donnera un enseignement sur les choses du ciel". Socrate a alors vingt ans et il approuve cette loi sur l'impiété, même lorsqu'elle le condamnera cinquante ans plus tard à boire la ciguë. Et si sa mort révolte son jeune disciple Platon, celui-ci semble s'insurger contre le fait de condamner les idées de Socrate plutôt que contre la loi elle-même.
Ce qui se met en place à Athènes avec Socrate puis avec Platon et son école, c'est l'organisation du raisonnement suivant des règles logiques qui vont désormais gouverner la pensée occidentale. Intimément liée à cette mise en ordre de la façon de penser, la séparation du Ciel et de la Terre va connaître la même longévité.
Platon, après quelques années passées en Sicile chez les Pythagoriciens de son époque qui poursuivent la "mise en nombres" de l'Univers, revient à Athènes avec un modèle du monde en sphères concentriques. Son ami Eudoxe réalise un modèle de 27 sphères concentriques, modèle qui rend compte des mouvements des astres. Les astronomes consacrent dès lors leur temps à améliorer ce modèle qui préserve la coupure entre le Ciel et la Terre.
Vers -340, un dissident, Héraclide, propose deux idées immédiatement rejetées : la Terre tournerait en un jour sur elle-même, Vénus et Mercure tourneraient autour du Soleil. Au même moment Aristote ajoute 28 sphères au modèle d'Eudoxe. L'Univers est ainsi décrit par 55 sphères disposées concentriquement autour d'une Terre immobile. Parallèlement, Aristote va installer la physique dans une construction logique d'une facture telle qu'il faudra près de 2000 ans pour l'ébrécher.
Dans le "Traité" d'Aristote, la physique vient après les mathématiques et avant la théologie, dans une progression de l'abstrait au concret. Si nous nous étonnons de voir la théologie à la pointe du concret, c'est que nous n'avons pas été formés à la logique d'Aristote.
Aristote commence par enseigner l'art de raisonner, de déduire par des raisonnements sans contradictions les conséquences des postulats de départ. Ainsi formés à la logique, ses étudiants abordent les mathématiques et se trouvent en état de donner un contenu à ces raisonnements.
Sa physique fait l'objet de huit livres. Les quatre premiers sont consacrés aux principes, les quatre derniers aux mouvements, et, dans ce cas, il ne s'agit pas uniquement de mécanique, mais de transformations. La congélation de l'eau, par exemple, est un "mouvement par altération". Tout repose sur les principes, le premier étant que la nature elle-même n'est pas simplement objet, mais aussi sujet agissant vers une fin. On y trouve des notions comme l'étendue, le vide, le temps, l'infini.
La difficulté pour un scientifique formé à la géométrie de Descartes est de comprendre ce qu'Aristote appelle, par exemple, l'étendue. Cette étendue n'est pas un espace comme celui que nous rapportons à des axes. Chaque objet y a son "lieu". Les lieux naturels, haut et bas par exemple, ne sont pas uniquement des entités géométriques: l'un logera le feu, l'autre la terre. Un lieu de l'étendue a des propriétés "locales", ce qui rend aberrante la notion de vide, nécessairement privé de propriétés. On ne pourrait y définir des lieux différents et le mouvement y serait donc impossible. Chez Aristote, "la nature a horreur du vide".
A la mort d'Aristote, en -322, le monde grec a bien changé. Alexandre est mort une année plus tôt et ses généraux se partagent son empire qui s'étend de la Méditerranée à l'Inde, avec l'Egypte et Babylone. Le plus habile de ses généraux, Ptolémée, se réserve l'Egypte. Il y installe sa capitale à Alexandrie et en fait le centre scientifique du monde. Il y réunit l'essentiel des savants dans les deux institutions que sont "le Musée" et "la Bibliothèque". C'est dans le Musée qu'Euclide rédige ses "Eléments", dans la première moitié du IIIème siècle avant J.C.
Bien que le Musée soit d'origine aristotélicienne, les domaines où les chercheurs s'illustrent le plus sont les mathématiques, les mesures astronomiques, la géographie, en fait, ceux où Aristote est le plus discret, ceux qui concernent les mesures. Erathostène mesure la Terre, Aristarque puis Hipparque mesurent la Lune et la distance Terre-Lune. Ils s'attaquent même, sans succès, à mesurer la distance Terre-Soleil. Les résultats de ces mesures sont immédiatement traduits sur le plan pratique. Dès qu'Erathostène (né vers -284, mort vers -192) a mesuré le rayon terrestre, il peut dresser une carte des régions connues, de l'Espagne à l'Inde, avec les latitudes correctes.
La physique reste un peu à l'écart de cet élan vers la mesure. Il y a bien Straton, le précepteur du fils du premier Ptolémée, qui retourne à Athènes pour y diriger, jusqu'en -269, le Lycée d'Aristote. Pour lui, il n'y a pas de lieux naturels au sens d'Aristote et il refuse toute finalité aux phénomènes naturels. On en est presque aux fondements d'une phyique expérimentale et quantitative...
Mais vite les idées de Straton disparaissent des cours de physique qui, ainsi, retrouvent leur pureté aristotélicienne. Plus de cinquante ans après Straton, Archimède va connaître le même sort: gloire et longévité à ses inventions techniques (la catapulte, la vis sans fin) et à ses travaux en mathématique (le nombre pi) et oubli de ses contributions extrêmement importantes en physique, dont le principe auquel son nom a été donné (un corps plongé dans un liquide subit une force ascendante égale au poids du liquide déplacé). La science ne retrouvera le principe d'Archimède que 1800 ans plus tard et durant ces 1800 ans, les corps flotteront, selon Aristote, à cause de leur forme...
En -212 Archimède est abattu, à l'âge de 75 ans, par un soldat Romain lors du sac de Syracuse. Plus tard, César brûlera la Bibliothèque d'Alexandrie. Dès lors, la nuit romaine s'étendra sur la Méditerranée.
Pourtant les ingénieurs d'Alexandrie continuent leurs inventions : fontaines à jet d'eau, tourniquet à vapeur. Le plus connu de ces ingénieurs, Héron, ouvre à la physique sa seule voie de développement : l'optique géométrique. C'est la dernière lueur de la physique grecque.
A la nuit romaine succède la nuit chrétienne . Elle va durer quinze siècles en Europe, jusqu'à ce que la physique renaisse avec Galilée. Et cette fois, elle ne partira pas de zéro. Elle disposera de deux bases différentes, à la fois fondation et obstacle à surmonter : la tradition scientifique grecque transmise par les Arabes, et les inventions multiples des ingénieurs du Moyen-Age.
Maîtres d'Alexandrie, les Arabes entretiennent l'acquis des savants grecs et, dans plusieurs domaines, vont beaucoup plus loin, notamment en astronomie, en médecine et en mathématiques. Ils inventent l'astrolabe, instrument de navigation, introduisent les chiffres arabes, qui simplifient les calculs numériques, transmettent les découvertes de l'Extrême Orient, dont le zéro venu de l'Inde, la boussole et le papier venus de Chine.
C'est par l'Espagne, Venise et Gênes que l'Europe prend conscience des découvertes et connaissances arabes ainsi que des textes grecs. L'Eglise s'oppose d'abord à ces idées païennes, mais elle ne tarde pas, avec Thomas d'Aquin (1225-1274), à s'apercevoir qu'Aristote n'est pas si dangereux pour elle, bien au contraire. Et c'est sur une base aristotélicienne que se créent les premières universités : Bologne, Montpellier, Paris, Oxford... Alors que dans beaucoup de domaines la découverte des textes grecs donne le signal de la Renaissance, en physique elle protège et renforce le sommeil millénaire de la curiosité scientifique.
La technique, elle, n'a pas dormi. Aux ingénieurs grecs ont succédé les ingénieurs musulmans et chrétiens : canaux, écluses, moulins, instruments de levage, outils de construction n'ont cessé de s'améliorer, depuis Héron d'Alexandrie jusqu'à Salomon de Caus. Ce dernier publie en 1615 un livre intitulé "Les raisons des forces mouvantes, avec diverses machines tant utiles que plaisantes". Un peu plus tôt, le Napolitain Giambattista della Porta publie des travaux de botanique médicale, un traité d'optique géométrique, une étude sur les aimants et une autre sur l'expansion de la vapeur d'eau.
Les aimants font l'objet, en 1269, d'une étude de Pierre de
Maricourt qui plaide pour une physique expérimentale, ceci, en
pleine orthodoxie aristotélicienne. Maricourt est moins connu
que son élève anglais Roger Bacon, partisan d'une intervention
systématique des mathématiques dans les sciences de la
nature et d'un plaidoyer en faveur d'une physique expérimentale.
Ses travaux, alors qu'il réside à Paris, sont interdits
de publication et il écope de quinze ans de prison.
Le plaidoyer de Roger Bacon, considéré comme fondateur
de la science expérimentale, connut un sort identique à
d'autres tentatives de renouveau scientifique, il s'amortit. L'historien
des sciences Jean-Pierre Maury s'exprime ainsi au sujet de Roger Bacon
: "Il ne sert à rien de secouer la casserole, il faut la
renverser. Et celui qui va le faire, c'est Galilée".
|(c) Eric Jeannet, 2000. Texte présenté lors des Rencontres poétiques internationales en Suisse Romande à Neuchâtel en mai 2000.|