Mécanique

Le début de cette histoire remonte à l'Antiquité, à l'époque où les astrologues grecs et mésopotamiens devaient prédire la destinée de leurs dirigeants. Les Mésopotamiens se sont limités à faire des observations astronomiques très précises sans jamais véritablement tenter d'expliquer ou de prédire les phénomènes. Les Grecs ont quant à eux élaboré des systèmes à partir de ces observations. Ils tentèrent par la même occasion d'expliquer le cycle des saisons, le cycle lunaire et celui des marées.

La sphéricité de la Terre est un fait connu depuis les années 400 avant Jésus-Christ. Les astronomes grecs en conclurent que tout l'Univers était sphérique et centré sur la Terre. Le premier modèle géocentrique, c'est-à-dire centré sur la Terre, est proposé par Aristote (384-322 av. J.-C.). À cette époque, on croyait que les corps célestes étaient des sphères parfaites, lisses; le ciel étant le royaume des dieux, les corps célestes ne pouvaient donc se mouvoir que le long d'orbites parfaites. Les Grecs posèrent donc que les astres errants (les planètes [« planetos » signifiant en grec « vagabond »] étaient mobiles par rapport à la sphère des étoiles qui elles étaient fixes) se déplaçaient selon un mouvement circulaire uniforme et que la sphère céleste englobait l'ensemble du système solaire. Le système de Ptolémée reprenait celui d’Aristote : Le soleil, la lune, et les cinq planètes connus (Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne) tournaient autour de la Terre fixe selon des orbites circulaires. Cette représentation du système solaire a été reprise par L’Eglise Chrétienne ensuite.

L'héliocentrisme ne fut réellement mis sur la table qu'en 1543 avec la publication de l'ouvrage Révolutions de sphères célestes de l'astronome polonais Nicolas Copernic (1473-1543) quelque temps à peine avant sa mort. D'après Copernic, il était plus logique que le Soleil soit placé au centre de l'Univers parce qu'il est gros et lumineux. Copernic ne possédait alors aucune preuve directe que toutes les planètes, y compris la Terre, étaient bien en orbite autour du Soleil, mais sa théorie permettait d'expliquer correctement le mouvement des planètes.

La publication de l'ouvrage de Copernic ne se fit pas sans controverse. À cette époque, l'enseignement de l'Église reposait sur le modèle géocentrique. La Terre était unique et se devait d'occuper une place privilégiée dans l'Univers. L'Église se sentant alors menacée par le protestantisme n'acceptait pas que quiconque la contredise. C'est pourquoi les défendeurs du modèle de Copernic se firent discrets.

Les premières preuves en faveur de l'héliocentrisme furent présentées par l'astronome italien Galileo Galilei (1564-1642), plus couramment appelé Galilée. Il fit, en 1609, d'étonnantes découvertes grâce à sa lunette composée de lentilles convergente et divergente, appareil utilisé pour la première fois pour mener des observations astronomiques. Galilée observa trois faits en contradiction avec le modèle de Ptolémée. Il observa tout d'abord le mouvement des quatre plus gros satellites de Jupiter, démontrant ainsi que la Terre n'était pas le seul centre de mouvement dans l'Univers. Ces lunes joviennes sont désormais connues sous le nom de satellites galiléens, puisqu’il les a découverts le premier. Ensuite, il observa le cycle complet des phases de Vénus et réalisa que cette planète se trouvait en orbite autour du Soleil et non de la Terre. Enfin, Galilée observa l'évolution des taches solaires et s'opposa donc à la croyance selon laquelle astres étaient parfaits et immuables; et il observa les montagnes de la Lune qui indiquaient qu'elle était un corps de même nature que la Terre. D'après ces observations, la Terre n'était plus spéciale et unique.

Galilée subit immédiatement les foudres de l'Inquisition et fut contraint de ne plus défendre le modèle de Copernic en 1616. Galilée eut beau tenter de démontrer que la théorie héliocentrique n'entrait pas en contradiction avec la Bible et d'affirmer son allégeance à l'Église en forçant ses deux filles à devenir religieuses, l'interdiction de discuter de la mécanique du système solaire ne fut pas levée.

La physique de cette époque n'a pas été marquée seulement par Galilée, mais aussi par les travaux de Tycho Brahé (1546-1601) et de Johannes Kepler (1571-1630). Tycho Brahé mena pendant 20 ans de nombreuses observations à l'œil nu d'une précision inégalée depuis l'invention du télescope.

C'est en se basant sur les nombreuses données amassées par Brahé que Kepler put énoncer ses trois lois du mouvement planétaire. En mettant à profit ses talents de mathématicien et ceux d'observateur de Brahé, Kepler mit au point un modèle du système solaire d'une extrême précision. Il montra que les orbites des planètes autour du Soleil étaient elliptiques et trouva une relation mathématique liant la distance d’une planète au Soleil et la durée que mettait la planète à tourner autour du Soleil.

Isaac Newton (1643 – 1727), jeune prodige anglais, étudia les lois de Kepler et plus généralement les lois de tous les mouvements. Lors d’une épidémie à Londres, il quitta la capitale anglaise pour revenir chez ses parents à la campagne. Il montra expérimentalement que la lumière blanche est composée d’un spectre de lumières colorées. C’est également à cette époque qu’aurait eu lieu l’épisode (vraisemblablement légendaire) de la pomme qui tomba de l’arbre sur sa tête, lui révélant les lois de la gravitation universelle.  En 1687, il publie donc son œuvre majeure : Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica :

Dans son travail Newton établit les trois lois universelles du mouvement qui sont restées inchangées et encore enseignées actuellement. Il se servait du mot poids, en latin gravitas, pour parler des effets de ce que nous appelons maintenant la gravité et il définit les lois de la gravitation universelle : Les corps s’attirent avec une force proportionnelle au produit de leur masse et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.

Il exprime cette loi de manière simplifiée par l'expression mathématique suivante :

Où  F est la force de gravitation entre les deux corps de masse m et m’ séparés par la distance d et G une constante de proportionnalité ou la constante gravitationnelle.

Selon lui la gravitation n'est pas seulement une force exercée par le Soleil sur les planètes, selon la loi de la gravitation de Newton, tous les objets du cosmos s'attirent mutuellement. Ainsi le poids des corps qui tombent vers le sol est l’effet de la gravitation de la terre sur les corps qui l’entourent. Le poids est de même nature que la force gravitationnelle qui agit entre la Terre et le Soleil. C’est également cette force de gravitation qui explique l’orbite elliptique des astres (comme la Lune autour de la Terre, ou la Terre autour du soleil, ou encore les 4 satellites galiléens autour de Jupiter).

La simplicité et l'efficacité de cette théorie aura une très forte influence sur les autres sciences au XVIIIe siècle et elle permit de retrouver par démonstration les formules découvertes par Képler. On pouvait ainsi prédire la trajectoire des planètes. Les lois de Newton permirent de trouver la planète Neptune grâce au calcul.

C’est aussi grâce aux lois de Newton sur la gravitation et sur le mouvement que les trajectoires des vols spatiaux purent être anticipées car le calcul : Le vol spatial prend son essor à la fin de la Seconde Guerre mondiale grâce aux avancées allemandes dans le domaine des fusées et il donne lieu à plusieurs événements retentissants durant la seconde moitié du XXe siècle. L'histoire du vol spatial est marquée, à ses débuts, par une forte concurrence entre les États-Unis et l'URSS, pour des motifs de prestige national liés à la guerre froide :

Spoutnik 1 le premier satellite artificiel (URSS) le 4 octobre 1957 ;

Spoutnik 2, qui emporta la première chienne de l'espace Laïka, le 3 novembre 1957 ;

Vostok 1, fut lancée le 12 avril 1961 depuis le site de Baïkonour. Elle emportait le russe Youri Gagarine, qui devint le premier homme dans l'espace ;

Le 20 juillet 1969 lors de la mission Apollo 11, l’américain Neil Armstrong marcha sur la Lune ;

 Les sondes américaines Voyager 1 et 2 lancées en 1977 qui explorèrent les planètes géantes du système solaire et qui ont atteint la limite du système solaire en 2013.

A la fin de la guerre froide au début des années 1990, de grands projets internationaux virent le jour :

La création de la station spatiale internationale ISS en 1998;

L’exploration de Mars par des robots parcourant sa surface durant les années 2000;

La découverte de lacs,  rivières et mers de méthane sur Titan, lune de Saturne par la sonde Huyghens en 2005 ;

L’atterrissage du robot Philae sur la comète Tchoury en 2014.

L'image ci-contre permet de visualiser ISS en réalité augmenté.

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