Isaac Newton (1642-1727)

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Isaac Newton (1642-1727) est un physicien, philosophe, astronome, et mathématicien anglais, considéré comme l’un des plus grands scientifiques de tous les temps. Newton a formulé des lois sur la gravitation universelle et sur les corps en mouvement. Ces lois fondamentales expliquent de quelle façon les objets se déplacent sur terre comme dans les airs. Il a fondé l’optique moderne, étudié le comportement de la lumière, et a construit le premier télescope à miroirs.

Ses travaux en mathématiques l’ont conduit à l’invention d’une branche des mathématiques nommée calculus (calcul différentiel et intégral, également développé par le mathématicien allemand Gottfried Wilhelm Leibniz). Newton a exposé ses idées dans plusieurs publications et deux d’entre elles, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Principes mathématiques de la philosophie naturelle, en 1687) et Opticks (traité d’optique, en 1704) sont considérées parmi les plus grands travaux scientifiques jamais réalisés. Les contributions révolutionnaires d’Isaac Newton ont permis d’expliquer une grande partie du monde qui nous entoure en termes mathématiques, et ont permis de se rendre compte que la science était également en mesure d’expliquer un grand nombre d’autres phénomènes.

Newton était capable de formuler des théories mathématiques pour expliquer des faits connus. Il utilisait ses théories mathématiques pour prédire le comportement d’objets dans diverses situations, puis comparait ses prédictions avec ce qu’il avait observé dans les expériences qu’il avait menées. Newton utilisait ensuite ces résultats afin de vérifier, et modifier si besoin, ses théories. Il a réussi à faire de l’explication de propriétés physiques un moyen de prédiction !

Newton a commencé avec les lois sur le mouvement et a poursuivi avec la gravitation qu’il avait observée dans la nature. Il a par la suite utilisé ces lois pour transformer la physique en un système mathématique général constitué de règles et de lois. Ses expériences ont permis de comprendre le phénomène de la lumière et des couleurs, et sont à la base des développements modernes sur la théorie de la lumière. De plus, son invention du calculus a donné à la science l’un de ses plus puissants outils.

Enfance et études

Isaac Newton est né à Woolsthorpe dans le Lincolnshire en Angleterre. Son père est mort avant sa naissance. À trois ans, sa mère s’est remariée, et sa grand-mère maternelle a pris en charge son éducation. Il a commencé l’école dans les villes voisines, puis à dix ans il a été envoyé dans un lycée près de Grantham.

Durant ses études, il vécut chez un pharmacien nommé Clark, qui lui transmit son intérêt pour la chimie. Le jeune Newton semble avoir été un garçon calme doué de ses mains. Il fabriquait des cadrans solaires, des éoliennes, des appareils de transport mécanique, ou encore des cerfs-volants avec des lanternes attachées à leur queue. Cependant, il était très inattentif en classe (c’est lui-même qui le dit plus tard dans sa vie).

En 1656, à la mort de son second mari, la mère d’Isaac Newton retourna à Woolsthorpe et retira son fils de l’école avec l’espoir d’en faire un fermier. Newton ne démontra aucun talent de fermier, mais, selon la légende, on le trouva un jour sous une haie plongé dans des réflexions au lieu de faire le marché de Grantham.

Heureusement, l’ancien professeur d’Isaac Newton à Grantham ayant remarqué les facultés intellectuelles du jeune garçon réussit à persuader la mère de Newton de lui permettre de le préparer à entrer à l’université de Cambridge. En juin 1661, le Trinity College de Cambridge accepta de faire entrer Newton en tant que subsizar (un étudiant qui au lieu de payer des droits d’inscription accomplissait des tâches domestiques pour le compte de l’établissement).
Les matières qu’il étudia furent l’arithmétique, la géométrie, la trigonométrie, et, plus tard, l’astronomie et l’optique. Une grande partie de son inspiration semble avoir été insufflée par Isaac Barrow, un mathématicien et théologien de renom, alors professeur de mathématiques au collège. Barrow reconnut le génie en Newton et fit tout ce qu’il put pour le cultiver. Newton obtint son diplôme en janvier 1665.

Isaac Newton
Portrait d’Isaac Newton âgé de 46 ans par Godfrey Kneller (1689).

Premières idées scientifiques

Lorsqu’une épidémie de peste bubonique eut lieu en 1665, l’université de Cambridge ferma temporairement ses portes, et Newton retourna à Woolsthorpe. Il y resta presque deux ans.
Ce fut une période intellectuellement riche pour Newton. Il profita de cette période pour travailler sur des sujets scientifiques qui lui tenaient à cœur, et qu’il allait explorer pour le reste de son existence : mouvement, optique, et mathématiques. On raconte qu’un jour, pour étudier les effets d’optique, le jeune newton s’enfonça une brindille de bois dans l’œil, pour observer les effets de la déformation rétinienne !

D’après Newton, c’est à cette période qu’il fit des progrès majeurs dans ce qu’il appela « La méthode des fluxions » (que nous appelons aujourd’hui calculus ou calcul différentiel et intégral).

La légende de la pomme

Il fit également ses premières découvertes sur la gravitation, inspiré (selon la légende) par l’observation de la chute d’une pomme dans un verger. Selon une conversation rapportée par Newton dans ses vieux jours, il déclara qu’il tentait alors de déterminer quelle force était à l’origine du maintien de la Lune dans son orbite autour de la Terre.

La chute d’une pomme l’amena à penser que la force d’attraction gravitationnelle agissant sur la pomme devait être la même que celle qui agissait sur la Lune. Newton croyait que cette force, bien qu’affaiblie par la distance, maintenait la Lune sur son orbite.
Newton conçut une équation pour vérifier ses idées sur la gravitation. Cette équation s’appelle la loi en carré inverse, et elle indique que la force de gravité dépend du carré inverse de la distance entre deux objets. Newton pensait que cette loi pouvait également s’appliquer au Soleil et aux planètes. Il n’alla pas plus loin dans l’étude du problème de la pomme qui tombe, car il lui semblait trop complexe de calculer l’attraction engendrée par la Terre entière sur un si petit objet proche de sa surface. Il réintroduisit ces premières pensées des années plus tard dans son travail majeur, les Principia.

Travaux sur la lumière

Newton commença également à s’interroger sur la nature de la lumière. La lumière blanche, selon la vision de son époque, était uniforme, homogène. Les premières expériences de Newton avec un prisme remirent cette idée de lumière blanche en question.
En faisant passer un rayon de soleil à travers un prisme, il observa que le rayon de soleil se transformait en une bande de lumière colorée, appelée spectre. Alors que d’autres avaient sans doute mené des expériences similaires, Newton démontra que les différences de couleurs étaient causées par les divers degrés d’une propriété qu’il appela réfrangibilité. La réfrangibilité définit la possibilité aux rayons lumineux de se réfracter, ou se tordre sous l’effet d’une certaine matière.
Par exemple, lorsqu’un rayon de lumière violet passe à travers un élément réfractant tel que du verre, il va se tordre de façon plus prononcée qu’un rayon de lumière rouge.

Newton conclut au travers de ses expérimentations que la lumière du soleil constitue une combinaison de toutes les couleurs du spectre et que cette lumière se disperse lorsqu’elle passe à travers le prisme, car les couleurs qui la composent ont chacune une réfrangibilité différente. Cette propriété découverte par Newton dépend directement des longueurs d’onde émises par les composantes de la lumière du soleil. Un réfracteur tel qu’un prisme tord chaque longueur d’onde de lumière dans des proportions différentes.

Le télescope réflecteur

En octobre 1667, peu après son retour à Cambridge, Isaac Newton fut élu membre du Trinity College, puis nommé Master of Arts. Durant cette période, il consacra la plupart de son temps à effectuer des travaux sur l’optique. Ses expériences avec le prisme lui permirent de comprendre que la résolution d’un télescope est moins limitée par la difficulté de concevoir des lentilles parfaites que par les différences de réfraction entre les différents rayons de couleurs.

Réflexion & réfraction

Newton observa que les lentilles réfractent ou tordent les rayons lumineux de manière légèrement différente selon leur couleur. Il entreprit alors de construire un télescope réflecteur, c’est-à-dire un télescope qui utilise des miroirs plutôt que des lentilles. Les miroirs réfléchissent toutes les couleurs à puissance égale.
Le mathématicien écossais James Grégory avait eu l’idée d’un télescope réflecteur en 1663, mais Isaac Newton fut le premier à en construire un. Il fabriqua un réflecteur avec un miroir de 3.3 cm en 1668.
Ce télescope avait un facteur de grossissement d’environ 40, et différait légèrement de celui imaginé par J. Gregory. Trois ans plus tard, la Royal Society, association officielle des savants et mathématiciens, invita Newton à lui prêter son télescope pour étude. Il envoya un télescope identique à l’original, et la société reconnut la suprématie de Newton en publiant une fiche technique de l’instrument.

Télescope de Newton, Londres, Royal Society.
Télescope de Newton, Londres, Royal Society.
Les deux premiers télescopes construits par Isaac Newton n'ont pas survécu. Cependant, on pense que des parties d'un troisième instrument qu'il a construit au cours de l'hiver 1671-1672 ont été réutilisées dans un télescope présenté en 1766 à la Royal Society, où il se trouve encore aujourd'hui.
Auteur de l'image inconnu.

La méthode des fluxions

En 1669, Isaac Newton donna à Isaac Barrow, son professeur de mathématiques de Trinity, un important manuscrit, généralement connu sous son appellation latine, De Analysi. Ce document contenait un grand nombre de conclusions tirées par Newton au sujet du calcul intégral et différentiel (ce que Newton appelait sa « méthode des fluxions »).

Un grand scientifique

Bien que ce manuscrit ne fut pas immédiatement publié, Barrow en fit connaître les résultats à un grand nombre de savants mathématiciens d’Angleterre et d’Europe. Ce document fit de Newton l’un des plus grands mathématiciens de son époque, ainsi que le fondateur du calcul intégral et différentiel (avec Leibniz).

Le calcul intégral et différentiel ouvre des concepts tels que le taux de changement de quantité, l’inclinaison des courbes sur un point donné, le calcul de valeurs minimales et maximales dans les fonctions, et le calcul de superficies comportant des courbes.
Lorsque Barrow prit sa retraite en 1669, il suggéra au collège que Newton devrait être son successeur. Newton devint le nouveau professeur de mathématiques et choisit l’optique comme premier sujet de ses cours.

Les premières publications

Début 1672, Newton fut élu membre de la Royal Society. Peu de temps après, Newton soumit un document détaillant sa découverte au sujet de la nature de la lumière blanche.

Les premières critiques

Très impressionnée par son compte-rendu, la Society publia le document. Cependant, cette publication attira les foudres d’un grand nombre de scientifiques européens, qui contredisaient les idées de Newton. La plupart de ces critiques furent plus tard démontées. La plus grande controverse à l’égard du travail de Newton concernait ses travaux sur la théorie de la gravitation et provenait de l’inventeur anglais Robert Hooke. Hooke déclara que Newton lui avait volé ses lois fondamentales sur la gravitation. Au début, Newton répondit à ces critiques avec calme et retenue, mais au fur et à mesure, son irritation à ce sujet se montrait grandissante.  Au fur et à mesure qu’elles continuaient, l’irritation de Newton augmenta, sa sensibilité s’en trouva atteinte et il finit par ne plus publier ses travaux pendant des années.

Principia Mathematica

Vers 1679, Newton se remit à étudier le phénomène des orbites planétaires. L’idée d’une attraction planétaire basée sur le carré inverse de la distance entre le Soleil et les planètes (qu’il avait calculé beaucoup plus tôt, à Woolsthorpe) fut à l’origine d’un grand débat au sein de la communauté scientifique.

Cette loi sur l’attraction fait suite, pour le cas simple d’une orbite circulaire, à la troisième loi de l’astronome allemand Johannes Kepler, qui considère que le temps de révolution d’une planète autour du Soleil dépend de la taille de l’orbite de la planète. La loi sur l’attraction prend également en compte l’accélération centripète d’un corps en mouvement autour d’un cercle, établie par l’astronome danois Christiaan Huygens en 1673. Le problème pour déterminer l’orbite à partir d’une loi sur la force avait déconcerté tout le monde avant Newton, qui trouva la solution vers 1680.

Rencontre avec Edmond Halley

En août 1684, l’astronome anglais Edmond Halley se rendit à Cambridge pour discuter avec Newton du problème des orbites. Lors d’une conversation avec Halley sur la forme d’une orbite dans la loi du carré inverse de l’attraction, Newton suggéra que cela pouvait être une ellipse. Incapable de trouver le calcul qui l’avait amené à cette affirmation, Newton promit de l’envoyer à Halley, ce qu’il fit quelques mois plus tard.

Lors d’une seconde visite, Halley reçut ce qu’il appela « un curieux traité de motu » (de motu signifie « en mouvement »), qui à la demande de Halley fut enregistré à la Royal Society en février 1685.
Ce document sur les lois du mouvement forma la base du premier livre intitulé Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Les savants et scientifiques considèrent ce livre comme une œuvre majeure, et sa rédaction en l’espace de 18 mois fut un exploit intellectuel sans précédent à l’époque. Halley joua un rôle considérable dans le développement de Principia. Il usa de tact et de diplomatie concernant les différends qui opposaient Newton et Hooke, qui pensait que Newton lui avait volé des idées.
Newton décida avec colère de supprimer la troisième section de son travail, mais Halley le persuada de le publier. Halley prit en charge la gestion de la publication du travail de Newton.

Edmond Halley
Portrait d'Edmond Halley peint par Thomas Murray en 1687
Image Wikipédia

Le chef-d'oeuvre

Les Principia sortirent finalement durant l’été 1687. La communauté scientifique considéra ce travail comme un chef-d’œuvre, bien que Newton l’ait volontairement rendu compliqué pour « éviter les critiques des petits matheux ». L’idée magistrale de la gravitation étendue à tout le système solaire captiva la communauté scientifique. Ce travail utilisait un seul des principes pour expliquer divers phénomènes comme le mouvement des marées, les irrégularités du mouvement lunaire, et les légères variations dans le changement des saisons.

Le Travail d’Isaac Newton

Les travaux d’intérêt public de Newton apportèrent du changement dans son rythme de vie, l’obligeant à se rendre fréquemment à Londres, où il fit la connaissance de célèbres écrivains et intellectuels, dont le philosophe John Locke.

Querelles & dépression

Peu après 1690, probablement à cause de l’effort intellectuel accompli pour rédiger les Principia, Newton connut une période de dépression. Les opinions diffèrent entre les biographes de Newton quant à la permanence de cette dépression.
Dans les années suivant sa maladie, Newton rassembla son énergie pour attaquer l’épineux problème du mouvement de la lune. Ce travail fut à l’origine d’une correspondance avec John Flamsteed, premier astronome d’Angleterre, dont les observations lunaires étaient nécessaires pour Newton. Cependant, de l’incompréhension et des querelles mirent rapidement fin à leur relation. En 1698, Newton entreprit de continuer son travail sur la Lune, et reprit la collaboration avec Flamsteed, mais les difficultés recommencèrent et Newton accusa Flamsteed de ne pas partager ses observations. Les deux scientifiques ne se réconcilièrent jamais. Flamsteed mourut en 1719.

Politique

En 1696, les amis de Newton au gouvernement le nommèrent Directeur de la Monnaie (Warden of the Mint). Cette situation l’obligea à vivre à Londres, où il résida jusqu’à sa mort. Newton fut chargé de la réforme complète de la monnaie. Afin de combattre la contrefaçon, il introduisit des standards de poids et de composition. Newton accomplit sa tâche avec une grande réussite jusqu’en novembre 1699, tâche qui demandait de grandes compétences techniques et administratives.

Le génie

En 1701, Newton renouvela son adhésion à Cambridge, et en 1703 il fut élu président de la Royal Society. En 1704, un an après la mort de son rival Hooke, il publia son deuxième grand traité, Opticks (traité sur l’optique), qui contenait ses théories sur la lumière et les couleurs, ainsi que ses découvertes en mathématiques. L’une des choses les plus intéressantes de cet ouvrage, c’est une série de spéculations en tous genres ajoutées dans la seconde édition de 1717, sous la forme de « requêtes », ou questions, qui témoignent de son incroyable génie. Un grand nombre de ces questions préfiguraient les développements de la physique moderne, l’ingénierie, et les sciences naturelles.

En 1705, la Reine Anne le fit Chevalier. À cette époque, Newton était la figure dominante de la science anglaise et européenne. Durant les deux dernières décennies de sa vie, il rédigea les seconde et troisième éditions des Principia (1713, 1726) et publia les deuxième et troisième éditions de son traité d’optique (1717, 1721).

La controverse qui opposa Newton à Leibniz

Durant les deux décennies avant sa mort, Newton fut empêtré dans une longue et violente controverse avec Leibniz au sujet du calcul intégral et différentiel. Cette controverse rendit les relations scientifiques difficiles entre les communautés de Grande-Bretagne et d’Europe. Cela eut également pour effet de ralentir les progrès des mathématiques en Angleterre. La plupart des savants sont d’accord sur le fait que Newton fut le premier à inventer le calcul différentiel et intégral, bien que Leibniz ait été le premier à avoir publié ses travaux. Par la suite, les mathématiciens ont adopté les symboles de Leibniz, qui aujourd’hui encore sont utilisés.

L’impact de Newton sur la science

La place d’Isaac Newton dans l’histoire des sciences repose sur son application des mathématiques à l’étude de la nature et son explication d’un grand nombre de phénomènes naturels avec un principe général: la loi de la gravitation.

Il a utilisé les fondements de la dynamique, ou les lois de la nature gouvernant le mouvement et ses effets sur les corps comme la base d’une image mécanique de l’univers. Ses travaux sur l’utilisation du calcul intégral sont allés si loin en comparaison de découvertes précédentes que les savants et scientifiques voient Newton comme le pionnier de cette branche des mathématiques.

Le travail de Newton a grandement influencé le développement des sciences physiques. Durant les deux siècles suivant la publication des Principia, les scientifiques et philosophes trouvèrent un grand nombre de champs d’application des méthodes et analyses de Newton. Si bien que les scientifiques n’ont pas exprimé le besoin de réviser les conclusions de Newton jusqu’au début du XXe siècle.

Dans les systèmes impliquant des vitesses inférieures à celle de la lumière, les principes que Newton formula il y a presque 300 ans restent toujours valables.

En plus de son travail scientifique, Newton nous a laissé un nombre considérable d’écrits sur la théologie, la chronologie, l’alchimie et la chimie. En 1725 Newton est parti de Londres pour se rendre à Kensington (alors un village en dehors de Londres) pour des raisons de santé.

Il y meurt le 20 mars 1727. Il fut enterré dans l’abbaye de Westminster, le premier scientifique à recevoir cet honneur.

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Animation d'étudiant illustrant la légende de la pomme

Comments

Chafei, dim 16/02/2020 - 13:39
Très intéressant je vous en suis très reconnaissant Merci infiniment
Rachel, jeu 11/06/2020 - 18:00
Très bien expliqué ! Merci ça m'a beaucoup aidé :D
Alain, mer 23/09/2020 - 12:53
J'aimerai connaître vos sources concernant le télescope de Newton, vous mentionnez : Il fabriqua un réflecteur avec un miroir de 3.3 cm en 1668.
Ce télescope avait un facteur de grossissement d’environ 40, et différait légèrement de celui imaginé par J. Gregory.
3.3 cm c'est le rayon d'après un document Gallica, mais je n'ai point trouvé sur le facteur de grossissement (d'environ 40). Pourriez-vous m'en dire plus.
Merci
Alain
Bonjour Alain,

Malheureusement je ne me souviens plus de la source exacte, mais il se peut qu'elle provienne du livre The History of the Telescope de Henry C. King.
Alain, mer 23/09/2020 - 20:55
Bonsoir Jérôme,
Merci pour votre réponse rapide, je voulais souligner que votre site est très agréable, je vais peu à peu le parcourir pour mes recherches personnelles.
Je ne peux que vous encourager à continuer à l'enrichir.
Bien à vous.
Alain.
Manon, dim 10/01/2021 - 22:58
Bonjour,
Je trouve très intéressant votre article. Bravo !
Je me demande si on peu dire que Newton est l'inventeur du télescope de façon générale ? Devrais-je plutôt dire qu'il est l'inventeur du télescope à miroir concave ? Merci de m'éclairer.
Bonjour :)

Plusieurs personnes sont à l'origine de l'invention des télescopes : Galilée en 1609 avec sa lunette, James Gregory en 1663. Mais il est vrai que Newton à créé le télescope à miroirs concaves, que l'on appelle d'ailleurs le "Télescope de Newton" pour désigner ce type d'instrument!
Manon, mer 20/01/2021 - 17:15
Selon vous, en quoi le télescope était utile dans les années de sa création ?
La curiosité humaine étant sans limite, tout scientifique a besoin d'explorer et d'apprendre toujours plus !
Isaac , mer 11/10/2023 - 02:06
Merci beaucoup ça m’a réellement aidé
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