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Johannes Kepler (1571-1630) était un astronome et mathématicien allemand, surtout connu pour avoir créé, avec ses trois lois du mouvement des planètes, le modèle d'astronomie planétaire le plus précis à l'époque. Kepler fut le premier à présenter une théorie cohérente selon laquelle les planètes se déplacent autour du Soleil sur des orbites elliptiques, que la vitesse de chaque planète varie et que le Soleil est responsable de cette variation.
Jeunesse
Johannes Kepler vit le jour le 27 décembre 1571 à Weil der Stadt, dans le Bade-Wurtemberg, en Allemagne. Son père, Heinrich Kepler, était soldat et sa mère Katharina Guldenmann, fille d'un maire local. Malgré son milieu modeste, Johannes put étudier à l'université de Tübingen en Allemagne. Plus tard, Kepler déclara que sa passion pour l'astronomie avait commencé à l'âge de six ans, lorsque sa mère l'avait emmené sur une colline pour observer une comète dans le ciel. Michael Maestlin (1550-1631), un astronome qui adhérait aux principes exposés par Nicolas Copernic (1473-1543), l'astronome polonais qui proposa que la Terre et les autres planètes tournaient autour du Soleil et non l'inverse, fut un professeur influent à Tübingen. Kepler lui aussi accepta la théorie de Copernic, bien qu'il ait eu l'ambition de devenir prêtre, l'opinion chrétienne de l'époque étant que la Terre était le centre de l'univers.
Kepler était un luthérien non orthodoxe, mais l'essentiel de sa carrière se déroula à la cour de princes catholiques, désireux d'accroître leur prestige en employant des hommes de science. Kepler devait donc être prudent quant à ses théories scientifiques qui remettaient en cause la vision catholique du monde. En 1594, Kepler fut nommé professeur officiel d'astronomie et de mathématiques à l'université de Graz, en Autriche, mais il consacra la majeure partie de son temps à ses propres recherches. En 1597, Kepler publia son Mysterium Cosmographicum (Le mystère cosmographique). Kepler y soutint les vues de Copernic et exposa sa "théorie de la relation entre l'espacement des planètes et les rapports géométriques des solides réguliers (les solides réguliers sont ceux dont les faces et les angles sont égaux et parallèles: le tétraèdre, le cube, l'octaèdre, le dodécaèdre et l'icosaèdre)" (Burns, p. 158). Les solides réguliers sont également appelés solides platoniques.
Les théories astronomiques de Kepler
Kepler épousa une riche veuve, Barbara Müller, en 1597. Le couple quitta Graz en 1598 pour Prague, Kepler ayant été invité dans la capitale de Bohême par le Danois Tycho Brahe (1546-1601), mathématicien et astronome à la cour de Rodolphe II, empereur du Saint-Empire romain germanique (r. de 1576 à 1612). Kepler succéda à Tycho Brahe en 1601 et hérita de ses observations approfondies et précises du mouvement des planètes. Rodolphe II fut donc un important mécène de la science. En 1627, Kepler dédia à l'empereur ses Tables Rudolphines, un recueil de tables stellaires permettant à un astronome de connaître la position passée, présente et future de n'importe quelle planète. Les Tables étaient également une aide précieuse pour les navigateurs, car elles contenaient des suppléments très utiles tels qu'une carte du monde et une liste complète des constellations.
Kepler entreprit de cartographier avec précision les orbites des planètes, en commençant par la plus difficile: Mars. Kepler était convaincu que l'univers était bien ordonné parce qu'il suivait les plans de Dieu. Ces plans pouvaient être lus par l'humanité, pensait Kepler, parce qu'ils étaient rationnels et fondés sur la logique des mathématiques et de la géométrie. Kepler croyait beaucoup à l'harmonie cosmique, qu'il prenait d'ailleurs au pied de la lettre, estimant qu'il existait une corrélation directe entre la Sainte Trinité du christianisme et les étoiles, le Soleil et ce que nous appelons aujourd'hui l'espace. Ce mélange de science et de vision divine n'était pas nouveau. Depuis l'Antiquité jusqu'au XVIIe siècle (et même au-delà), il était courant que les astronomes soient également astrologues, et Kepler n'était pas différent (bien qu'il ait été la dernière figure importante de l'astronomie à pratiquer l'astrologie). Kepler "était obsédé par la précision numérique" (Burns, 160). Pour Kepler, il ne faisait aucun doute que Dieu était le mathématicien par excellence. Mais ce n'est pas parce que l'univers était et peut être expliqué mécaniquement que, pour Kepler (et d'autres), il n'y avait pas de cause divine, comme il l'explique ici dans ses propres mots:
Mon but est de montrer que la machine céleste n'est pas comme une créature divine, mais comme une horloge (celui qui croit que l'horloge est animée attribue la gloire de l'artificier à l'œuvre), dans la mesure où presque toute la diversité des mouvements est causée par une force simple, magnétique et corporelle, de même que tous les mouvements d'une horloge sont causés par un poids très simple. Je montrerai aussi comment ce compte physique doit être rattaché aux mathématiques et à la géométrie.
(Wootton, 485)
Kepler était convaincu que c'était le Soleil qui gouvernait les orbites des planètes, en envoyant d'une manière ou d'une autre une force qui contrôlait précisément ces orbites observables. En 1600, après avoir pris connaissance des théories présentées dans On the Magnet de William Gilbert, Kepler pensait que ce pouvoir mystérieux que le Soleil exerçait sur les autres corps célestes pouvait s'apparenter au magnétisme (mais il ne dit pas qu'il s'agissait de magnétisme). La véritable réponse, nous le savons aujourd'hui, est la gravité, mais Kepler (qui savait que le Soleil tournait) était de toute façon plus préoccupé par le problème pratique et mathématiquement mesurable de la prédiction des orbites des planètes, dont la force pourrait être étudiée par lui-même ou par d'autres plus tard. Une autre idée clé de Kepler, qui le différencie de presque tous ceux qui l'avaient précédé, était que les orbites ne sont pas parfaitement circulaires, mais elliptiques. Cette idée allait à l'encontre de la théorie de la perfection du Créateur, mais Kepler put affirmer que c'était la constance répétée des orbites, qui se répétaient à l'infini, qui constituait la perfection, et non leur direction dans l'espace.
Les lois de Kepler sur le mouvement des planètes
Kepler exposa ses théories radicalement nouvelles dans deux ouvrages: Astronomia Nova (La nouvelle astronomie, 1609) et De Harmonices Mundi (L'harmonie du monde, 1619). Dans ces deux ouvrages, Kepler expose ce qu'il considère comme trois principes fondamentaux ou régularités statistiques (il n'utilise pas le mot "lois") qui régissent le mouvement des planètes et qui sont connus sous le nom de "lois de Kepler sur le mouvement des planètes" (résumées ici par W. E. Burns) :
- Les planètes se déplacent autour du Soleil en formant des ellipses, avec le Soleil à l'un des foyers.
- Une ligne tracée entre une planète et le Soleil balayera toujours la même zone en un temps identique. Par conséquent, les planètes accélèrent lorsqu'elles s'approchent du Soleil et décélèrent lorsqu'elles s'en éloignent.
- Les carrés des temps mis par les planètes pour faire le tour du Soleil sont proportionnels aux cubes de leurs distances moyennes au Soleil. (160)
Le choix par Kepler du mot "harmonie" pour le titre de son livre n'est pas un hasard, comme le résument ici les historiens Fermi et Bernardini :
Kepler était profondément mystique... Il pensait que les relations entre les vitesses maximales et minimales de chaque planète étaient en harmonie au sens musical du terme et exprimées par des intervalles musicaux. Ainsi, disait-il, les planètes jouaient une musique que seuls les anges pouvaient entendre.
(61)
Peu de gens furent convaincus par les idées de Kepler au départ, même l'autre grand astronome contemporain Galilée (les deux hommes ne se rencontrèrent jamais mais correspondirent par lettre) était sceptique, mais le modèle de Kepler, selon lequel les planètes décrivent des orbites elliptiques autour du Soleil en raison d'une certaine force exercée par l'étoile, s'est avéré correct.
Le mysticisme de Kepler l'aida peut-être à chercher des causes et des explications, mais il le conduisit parfois sur la mauvaise voie. Il était par exemple convaincu que le chiffre six avait une signification particulière parce qu'il y avait à l'époque six planètes observables. Kepler élabora une théorie sur l'imbrication à l'intérieur d'eux-mêmes des cinq solides de Platon, qui étaient eux-mêmes particuliers car ils étaient les seuls à avoir exactement la même face sur tous les côtés. Pour Kepler, cela expliquait pourquoi il ne pouvait y avoir de septième planète (aujourd'hui, bien sûr, nous savons qu'il y a plus de six planètes dans notre système solaire). À la recherche d'une sorte de motivation divine, Kepler expliqua également pourquoi les orbites des planètes étaient elliptiques et non parfaitement sphériques, les différences signifiant que chaque orbite créait une "note" différente dans son concept d'harmonie musicale planétaire.
Autres écrits
Outre l'astronomie, Kepler s'attaqua à de nombreux autres problèmes scientifiques, tels que le fonctionnement de l'œil humain. Il présenta sa théorie de la focalisation de la lumière par le cristallin sur la rétine dans son ouvrage Supplément à Witelo (1604). Kepler écrivit également plusieurs textes sur l'astrologie et un volume sur la nouvelle étoile découverte en 1604 qui porte désormais son nom. Kepler créa une théorie populaire et durable selon laquelle les étoiles sont causées par la combustion des déchets célestes. En 1611, il rédigea un traité, Dioptrique, sur la meilleure optique pour une lunette astronomique. L'appareil avait été inventé quelques années plus tôt et perfectionné par Galilée, mais l'innovation de Kepler, qui consistait à utiliser deux lentilles convexes, fut déterminante pour l'histoire ultérieure du télescope et de la révolution scientifique. Kepler compila une étude sur le volume des tonneaux de vin (utile pour ses calculs sur les orbites elliptiques), étudia le mystère des flocons de neige (le premier travail de cristallographie), réfléchit à la meilleure façon d'économiser de l'espace en empilant des boulets de canon (la conjecture de Kepler) et écrivit même une œuvre de fiction, Le Songe ou l'Astronomie lunaire, qui parle d'un voyage sur la Lune, mais qui était restée inachevée à sa mort.
Mort et héritage
En 1612, Kepler quitta Prague pour Linz en Autriche, où il travailla comme mathématicien et enseignant. Il fabriqua également des calendriers destinés à la vente, et ce travail lui permit de se rendre compte que la chronologie traditionnelle av. J.-C./ap. J.-C. basée sur la naissance de Jésus-Christ était décalée de quatre ans. À cette époque, Kepler dut aussi défendre sa mère contre des accusations de sorcellerie. Il connut également des difficultés financières car il ne fut pas payé par Rodolphe II pour ses services. En 1628 ou 1629, Kepler entra au service d'Albrecht von Wallenstein (1583-1634), important commandant militaire et homme d'État du Saint Empire romain germanique. La tâche principale de Kepler consistait à créer des horoscopes. Johannes Kepler mourut d'une fièvre à Ratisbonne alors qu'il rentrait à Prague le 15 novembre 1630. Il fut enterré dans le cimetière protestant de Saint-Pierre à Ratisbonne.
Le système précis d'astronomie planétaire de Kepler fut essentiel pour les penseurs ultérieurs, notamment Isaac Newton (1642-1727). Newton expliqua l'origine des observations minutieuses de Kepler sur les mouvements planétaires - la gravité - dans ses Principes mathématiques de la philosophie naturelle, publiés en 1687. Les idées de Kepler sur un univers harmonieux n'eurent peut-être pas beaucoup d'influence sur les scientifiques ultérieurs qui étudièrent le cosmos sous la forme d'une série de mécanismes neutres et irréfléchis, mais un autre héritage durable fut l'utilisation par Kepler du terme "satellite", qu'il appliqua pour la première fois aux quatre lunes de Jupiter découvertes par Galilée.
