Histoire de l'astronomie

Autrefois, nos ancêtres voyaient dans le ciel nocturne un objet familier qui marquait les saisons et qui éveillait leur curiosité. Ils recherchaient dans le firmament des réponses aux épreuves qui s’abattaient sur eux, car ils devinaient que se cachait dans les astres une réalité qui leur échappait. Le soir venu, ils s’installaient au coin du feu et observaient les étoiles, ils y voyaient des figures célestes que l’on appelle aujourd’hui des constellations et ils s’interrogeaient parfois sur leur propre place dans ce panthéon.

Aujourd’hui, sur plus de sept milliards d’habitants qui peuplent la Terre, un peu plus de la moitié vit dans les zones urbaines. Dès la tombée de la nuit, les différents éclairages artificiels prennent le relais du soleil et nous enveloppent dans un halo de lumière qui nous coupe efficacement du ciel nocturne. Les habitants des villes et de leurs banlieues ne voient plus les étoiles qui scintillent au-dessus d’eux. Si vous habitez dans l’un de ces endroits, il y a des chances que vous n’ayez pas vu de constellation depuis bien longtemps.

La tête baissée et perdus dans la contemplation de nos écrans, nous avons perdu le contact avec le ciel et la curiosité de nos ancêtres. Ces derniers tentaient de percer les mystères de la voute céleste, peut-être maladroitement, mais en posant des questions. Nous allons essayer de reprendre goût aux étoiles et de voir à quelles questions nous pouvons répondre et quels mystères nous arrivons à percer.

Nous avons pendant longtemps cru que la Terre était le centre immobile de l’Univers et que le soleil, la Lune, les planètes et même les étoiles tournaient autour d’elle. En effet, si l’on observe la voute céleste, on voit les astres se lever à l’est puis traverser le ciel avant de se coucher à l’ouest. En l’absence de connaissances astronomiques modernes, il est naturel d’arriver à la conclusion que les cieux et tout ce qu’ils contiennent tournent autour de nous. Cet ainsi que le modèle géocentrique, la vision d’un Univers dont la Terre serait au centre, a plus ou moins prévalu jusqu’à la fin du XVIe siècle avant d’être remplacé par le modèle héliocentrique qui place le Soleil au centre. Ce qui est intéressant à noter c’est la résistance à laquelle ce changement de paradigme s’est heurté, même de la part des astronomes et des savants de l’époque. Pour comprendre pourquoi, voyons comment ce changement est intervenu.

Extrait de l'Almageste

Extrait de l'Almageste

Prévoir les mouvements des corps célestes ainsi que les éclipses de Soleil et de la Lune était important pour les marins, les astrologues, les prêtres des religions anciennes et en règle générale pour tous ceux qui avaient à se soucier du temps qui passe et des choses d’en haut. À l’antiquité, Ptolémée a établi les premières tables astronomiques dans son ouvrage Almageste (ou Composition mathématique) dont vous pouvez trouver la traduction française réalisée par l’abbé Nicolas Halma ici : Tome 1 et Tome 2. Il y décrit également la cosmologie telle qu’on la percevait à l’époque, c’est-à-dire un Univers avec en son centre une Terre ronde entourée de sphères qui portent les astres. Parmi ces astres figurent les planètes, la lune et le soleil. En représentant tous ces astres qui tournent autour de la Terre en décrivant des cercles parfaits, Ptolémée s’est inspiré des modèles imaginés avant lui et dans lesquels la perfection des cercles témoignait de celle du royaume des Dieux.  

Le problème de ce genre de modèle c’est qu’il ne correspond pas aux observations pour peu qu’elles soient précises. Lorsque l’on note la position des planètes par rapport aux étoiles, elles semblent ralentir, accélérer et même repartir en arrière. Pour rendre compte de ces écarts, Ptolémée a imaginé une parade en ajoutant une seconde orbite aux planètes. Il imaginait chaque planète décrivant une petite orbite, appelée épicycle, autour d’un point imaginaire décrivant lui-même une grande orbite autour de la Terre, appelée déférent. Sur la figure ci-dessus, le mouvement apparent de la planète tel que vu depuis la Terre est représenté par une ligne bleue. Ce système, ingénieux, mais complexe, était une tentative pour faire coller la théorie à l’observation. Le moins que l’on puisse dire c’est que cette représentation, même si elle fonctionne, est loin d’être élégante ou simple. Elle rend compte plus ou moins des résultats des observations, mais sans représenter la réalité pour autant.

Cette vision géocentrique a malgré tout prévalu jusqu’au début du XVIe siècle. Si l’héliocentrisme — l’idée d’un Univers dont c’est le Soleil et non plus la Terre qui est au centre — a bien fait débat, rien ne permettait à l’époque de penser que cette théorie était meilleure. Les astronomes n’avaient alors que peu de moyens d’observation en dehors de leurs yeux, la lunette astronomique n’arrivera que plus tard, et les outils mathématiques à leur disposition ne permettaient pas de trancher entre les deux hypothèses.

Le début de la révolution héliocentrique

C’est vers 1530 que l’astronome Nicolas Copernic publie son ouvrage Des Révolutions des Orbes Célestes dans lequel il affirme que la Terre n’est pas immobile, mais qu’à l’instar des autres planètes, elle tourne autour du soleil. L’une des motivations qui ont animé Copernic lorsqu’il a décidé de placer la Terre au milieu du système solaire en l’absence d’élément nouveau a été l’élégance de ce système par rapport aux modèles géocentriques. Le système de Ptolémée fonctionnait, mais il était complexe et Copernic avait le sentiment qu’une théorie élégante et simple était plus à même de décrire la véritable nature des choses. Dans son système solaire, les planètes décrivent des cercles simples autour du soleil, sans qu’il y ait besoin d’ajouter quoi que ce soit pour correspondre aux observations. Si les travaux de Copernic impressionnent à l’époque par leur richesse mathématique, ils peinent à convaincre. C’est que voyez-vous, en science, un changement de paradigme n’est pas toujours facile à accepter. C’était vrai hier et ça l’est aujourd’hui. C’est surtout vrai lorsque le nouveau regard que l’on se propose de porter sur le monde est en décalage avec notre intuition et nos observations directes, comme le fait de réfuter le fait que la Terre est immobile et qu’elle occupe le centre de l’Univers alors que l’on voit clairement le Soleil, la Lune et les autres astres se lever d’un côté de l’horizon et se coucher de l’autre.

Système solaire selon Tycho Brahe

Le système solaire selon Tycho Brahe.
Source Wikimedia Commons

Ainsi, arrivé après Copernic et ayant lu les œuvres de ce dernier, l’astronome et observateur talentueux Tycho Brahé fit évoluer notre compréhension de l’Univers en rejetant l’idée alors populaire selon laquelle les planètes et les étoiles seraient attachées à des sphères célestes invisibles. Cependant, il a lui-même du mal à adhérer à l’héliocentrisme, il se refuse à l’adopter et préfère un compromis peu élégant : pour lui, le Soleil tourne autour de la Terre qui redevient le centre immobile de l’Univers et les autres planètes tournent autour du Soleil. Son opposition au système héliocentrique provient de ses propres observations, mais aussi des croyances religieuses qui l’animent.

Un changement de paradigme

Le changement de paradigme va intervenir au début du XVIe siècle grâce à Johannes Kepler l’assistant de Tycho Brahe. Kepler est admiratif devant la qualité des observations de Brahe et il va s’en servir pour établir, laborieusement, son modèle du système solaire. S’il comprend que le Soleil en bien au centre, il est dans un premier temps bloqué par son propre refus d’admettre que les orbites des planètes ne sont pas parfaitement circulaires. L’idée selon laquelle les cieux représentent un endroit où règne la perfection est difficile à abandonner et les orbites circulaires de Copernic véhiculent cette perfection de manière satisfaisante. Malheureusement, le système solaire de Copernic ne fonctionne pas très bien et Kepler peine à le faire coïncider avec les mouvements de Mars relevés à l’aide des minutieuses observations de Tycho Brahe. Kepler va donc poursuivre ses travaux jusqu’à publier en 1609 son ouvrage intitulé Astronomie nouvelle dans lequel il présente enfin un système solaire dans lequel les planètes tournent autour du Soleil, non pas en décrivant des orbites parfaitement circulaires, mais des ellipses. Il va également formuler les trois lois sur les orbites qui sont toujours utilisées aujourd’hui et qui portent son nom.    

Le ciel vu de plus près 

Cette même année en Italie, le mathématicien Galilée fabrique sa fameuse lunette astronomique, qui est en fait une amélioration de la longue-vue inventée aux Pays-Bas et qu’il est parvenu à recréer et a améliorer. Ayant l’idée de s’en servir pour observer le ciel, il fit quelques découvertes qui ont elles aussi profondément remis en question la cosmologie de l’époque selon laquelle la Terre était un endroit de corruption alors que dans les cieux régnait la perfection. Galilée découvre en effet que la Lune n’est pas une sphère lisse parfaite comme on l’imaginait. Il y voit des cratères et des montagnes ce qui en fait un monde qui ressemble beaucoup au nôtre. Il remarque également que Jupiter possède quatre lunes et démontre ainsi que les corps célestes peuvent tourner autour d’autre corps, et pas seulement autour de la Terre comme on le croyait alors. Ces observations ont profondément secoué les esprits de l’époque, car il ne s’agissait pas cette fois-ci d’une théorie, mais d’observations reproductibles et dont pouvaient témoigner tous ceux à qui Galilée avait fait la démonstration de son invention. Galilée s’est naturellement rangé à la vision héliocentrique de Copernic, ce qui lui a valu un procès par l’Inquisition et une assignation à résidence pour le reste de sa vie. Il mourut en 1642 et, par une heureuse coïncidence, l’année qui a suivi est né Isaac Newton, un autre génie qui va fondamentalement bouleverser la science moderneUne des contributions majeures de Newton, et probablement celle pour laquelle il est le mieux connu du public, c’est sa loi universelle de la gravitation qu’il a formulée en se basant sur les trois lois de Kepler. Il a réussi à relier deux phénomènes pourtant en apparence totalement indépendants, à savoir le mouvement des planètes et la chute des objets sur Terre. Newton a eu l’intuition qu’il existait entre les objets une force d’attraction qui était proportionnelle à leur masse et à la distance qui les séparait. Il a fini par découvrir que la force qui faisait orbiter les planètes et leurs satellites et celle qui faisait tomber la fameuse pomme vers le sol étaient une seule et même force qui régissait les mouvements des objets dans l’espace. Sa loi de la gravitation est toujours utilisée de nos jours en astronomie et en astronautique. Les travaux de Newton ne se limitent cependant pas à la gravitation, il a fait des découvertes en optique et a inventé un nouveau télescope bien plus performant que la lunette de Galilée et dont le principe est encore largement utilisé par les astronomes amateurs et professionnels. L’achèvement de ses travaux figure dans son œuvre monumentale, « Principes mathématiques de la philosophie naturelle » publiée en 1687 et qui décrit les mathématiques dois du mouvement et de la gravitation. Avec ce livre, Newton pose également les fondements de la méthode scientifique moderne. Cependant, bien que Newton ait compris les mécanismes de la gravité et que cette compréhension a bouleversé jusqu’au cœur l’idée que l’on se faisait de l’Univers à cette époque, il n’en a jamais compris les causes. Il ne savait pas ce que cette force représentait ni d’où elle venait.

Einstein et la relativité générale

Il faudra attendre le début du XXe siècle et les travaux d’Albert Einstein sur la relativité générale publiés en 1915 pour que notre compréhension de la gravitation et de l’Univers évolue. Einstein a découvert que l’espace n’était pas un vide abstrait dans lequel la matière a été dispersée lors du big bang, mais qu’au contraire il s’agit d’un objet à part entière avec des propriétés, sur lequel la matière peut agir et qui peut agir en retour sur la matière. En effet, toute masse courbe la portion d’espace dans laquelle elle se trouve et elle subit la courbature de l’espace. Puisque l’espace qui nous entoure et dans lequel nous évoluons est un objet en trois dimensions, représenter sa courbature est impossible, il faut donc avoir recours à une analogie comme celle de la figure ci-dessous que vous avez peut-être déjà vue.

Analogie de l'espace-temps
Analogie de l'espace-temps
Mysid

Il est d’usage de représenter la courbature de l’espace par un objet massif en supprimant une dimension et en réduisant l’espace à une simple surface souple à deux dimensions sur laquelle on peut poser, par exemple, un globe terrestre. En faisant ça, on remarque que la surface bidimensionnelle se courbe dans une troisième dimension. C’est ainsi qu’un objet massif déforme la structure tridimensionnelle de l’espace. On imagine facilement qu’un objet qui passerait près de notre globe terrestre posé sur sa surface souple serait immanquablement attiré vers celle-ci. La gravitation représente l’effet de la déformation de la structure de l’espace sur ces mêmes objets.

Utiliser une surface plate et un globe terrestre pour parler de la gravité est une bonne analogie. Elle permet de se faire une idée de ce que les équations de la relativité générale d’Einstein nous disent, mais comme toutes les analogies qui simplifient les équations complexes celle-ci est entachée d’un certain nombre de défauts. Pour le moment, un seul nous intéresse. Alors que dans l’esprit d’Isaac Newton le temps était absolu, c’est-à-dire qu’il s’écoulait partout de la même manière, Einstein a mis en évidence que le temps et l’espace sont les dimensions d’un objet plus général : l’espace-temps. La présence d’une masse déforme l’espace comme nous l’avons vu plus haut, mais également le temps puisque le temps n’est rien d’autre que l’une des quatre dimensions de l’espace-temps. La dimension du temps est indissociable des trois dimensions d’espace qui nous sont familières. Le résultat c’est que si l’on compare deux horloges identiques, l’une située près d’un objet massif, sur la surface de la Terre par exemple, et l’autre dans l’espace, on constate qu’au bout d’un moment les deux horloges divergent. Bien qu’elles fonctionnent parfaitement et qu’elles battent le temps exactement au même rythme, celle située sur Terre va finir par marquer un retard par rapport à celle située dans l’espace et loin de toute masse. Le temps s’écoule exactement à la même vitesse dans les deux cas, mais la présence d’une masse, la Terre en l’occurrence, étire aussi bien les distances que le temps. Le résultat c’est que toute comparaison entre les deux horloges va révéler une différence. En démontrant cet effet, Einstein a démontré que le temps n’était pas universel comme Newton se l’imaginait, mais que chaque point dans l’espace-temps avait son propre référentiel. Bien que le temps s’y écoule de la même manière localement, il ne s’écoule pas forcément de la même manière entre deux points distants. Il est pourtant facile d’arriver à la même conclusion que Newton, car à l’instar de la rotation apparente du ciel et des astres qui semble indiquer que tout tourne autour de nous, rien à notre échelle ne nous permet d’imaginer que le temps et l’espace sont élastiques et que toute mesure de distance et de temps ne sera valable que localement. Einstein nous a fait changer de paradigme, en considérant les choses d’un point de vue différent il nous a fait mieux comprendre le résultat de nos observations passées. Avec la relativité générale, la véritable nature de l’Univers nous apparaît bien étrange, car les lois de la physique qui s’appliquent à l’infiniment grand et aux objets qui se déplacent à des vitesses proches de celle de la lumière sont totalement contre-intuitives à notre échelle.   

L'étrangeté du monde quantique

Dans la même période, le début du XXe siècle, naissait une autre révolution qui allait encore une fois de plus prendre notre intuition en défaut et nous ouvrir de nouvelles perspectives sur la réalité. Cette révolution se base sur de nombreuses observations faites dans le passé et sur les travaux de nombreuses personnes, dont Einstein. Elle ne concerne pas l’infiniment grand, mais l’infiniment petit. La mécanique quantique nous montre que les particules élémentaires qui composent toute la matière de l’Univers se comportent d’une manière extrêmement étrange et cette découverte donne lieu à des débats philosophiques encore aujourd’hui. L’existence de l’atome comme brique de base de la matière a été proposée la première fois à l’époque moderne au début du XVIIe siècle par le physicien anglais John Dalton. En 1897, un autre physicien anglais, J. J. Thomson découvrait l’électron, une particule subatomique chargée négativement et qui se trouve non loin du centre de l’atome. En 1911, le physicien néozélandais Ernest Rutherford découvrait le noyau atomique au centre de l’atome. Peu à peu, une image de l’atome a commencé à se dessiner, avec des électrons chargés négativement qui tournent autour d’un noyau composé de protons chargés positivement et de neutrons sans charge électrique.

Le modèle atomique
Le modèle atomique
AG Caesar

Cette description de l’atome est rassurante, car elle ressemble en miniature au système solaire avec ses planètes qui orbitent autour du Soleil. L’infiniment grand et l’infiniment petit obéissent donc aux mêmes lois et la physique est une douce continuité. On peut donc conclure cet article et passer à autre chose.

Pas vraiment. Un certain nombre de physiciens parmi lesquels Louis de Broglie, Werner Karl Heisenberg et Erwin Schrödinger vont mettre en évidence quelque chose de très troublant et qui va bouleverser cette vision de l’atome ainsi que notre regard sur la réalité. La première différence et première bizarrerie révélée par la mécanique quantique c’est que les électrons semblent ne pouvoir occuper qu’un certain nombre d’« orbites » autour du noyau. Ils ne peuvent jamais se trouver entre deux « orbites », et ce mot est volontairement entre guillemets, car il ne s’agit pas d’orbites, mais de niveaux d’énergie. Nous n’allons pas entrer dans le détail de la mécanique quantique, car c’est un sujet qui mériterait plusieurs articles, mais nous allons faire un bref résumé de ce que l’on sait actuellement du comportement de la matière à l’échelle subatomique. Tout d’abord, les particules élémentaires présentent une nature double, elles se comportent aussi bien comme des objets ponctuels que comme des ondes, en fonction de la situation. La réalité c’est que ces particules ne sont vraiment ni l’un, ni l’autre. Ce sont des objets qui ont un certain nombre de propriétés : une position, une vitesse, une charge électrique et ainsi de suite. Parmi ces propriétés, certaines ne peuvent jamais être connues en même temps et avec la même précision. Mieux on connaît la position d’une particule par exemple, moins on en sait sur sa vitesse et inversement. Ce n’est pas le cas d’une bille de billard dont la position et la vitesse peuvent être connues toutes les deux avec une extrême précision, mais dès que l’on descend dans l’infiniment petit, on se heure rapidement à un comportement de la matière très différent de ce dont on a l’habitude à notre échelle. Pire encore, une particule ne possède pas de position avant d’avoir été observée ! Avant l’observation, une particule est dans un état de superposition quantique, il y a un certain nombre de probabilités de la trouver à tel ou à tel endroit si on effectue une mesure, mais il est impossible de dire qu’elle est ici ou là. Et il y a pire. Prenons un photon, la particule qui sert de vecteur à la lumière et divisons-le en deux photons. Ces deux particules vont se retrouver dans ce qu’on appelle un état d’intrication quantique et vont en quelque sorte constituer un seul et même système. Mesurer une propriété sur l’un de ces photons va avoir une influence sur toute mesure de la même propriété réalisée sur l’autre photon. Si par exemple le spin d’un photon a une certaine valeur (le spin est une propriété quantique qui n’a pas d’analogie à des échelles plus grandes), une mesure du spin de l’autre photon révélera systématiquement une valeur différente. Cet effet est immédiat et indépendant de la distance qui sépare les deux particules quand bien même elles seraient situées aux extrémités opposées de l’Univers observable !  

Que savons nous ?

Voici à peu près où nous en sommes aujourd’hui dans notre compréhension de l’Univers. Nous avons d’un côté la relativité générale d’Einstein qui décrit avec précision l’espace-temps et le comportement de la matière soumise à la gravité. De l’autre côté, nous avons la physique quantique qui décrit avec une précision extraordinaire comment cette même matière se comporte dans le monde de l’infiniment petit. Le problème auquel nous sommes confrontés et sur lequel Einstein lui-même a buté c’est que ces deux ensembles de lois, qui ne cessent pourtant d’être démontrées par l’expérimentation et par l’observation et qui nous permettent de faire des prédictions tout à fait justes, sont totalement incompatibles entre elles. Et c’est un problème qui a des implications bien réelles, car il existe deux situations dans lesquelles la matière se trouve compressée en un point infiniment petit, littéralement infiniment petit, et où la relativité générale et la physique quantique cessent tout simplement d’avoir un quelconque sens. Il s’agit de ce que l’on appelle des singularités et on les trouve au centre des trous noirs ainsi qu’au tout début du big bang. Ces singularités et l’effondrement des deux piliers de la physique, la relativité générale et la mécanique quantique, qui expliquent par ailleurs tout ce qui se passe dans l’Univers, signifient que nous sommes confrontés, encore une fois de plus, au besoin de changer de point de vue et de considérer les choses sous un angle différent et d’être ouvert à un nouveau paradigme qui permettra de réunir la relativité générale et la physique quantique en une théorie du tout, véritable saint Graal de la physique, qui nous permettra de mieux comprendre la réalité et la place que nous y occupons.