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LE 20 juin 2017

L’évolution de la représentation de l’Univers au cours des âges

Conférence par Jacques GUARINOS, docteur en Astronomie : qui nous raconte comment l’Homme a fait évoluer sa représentation de l’Univers, depuis la naissance de la science en Asie Mineure jusqu’à la cosmologie moderne…

Une conférence passionnante

C’est à l’Institut d’Optique que nous nous sommes retrouvés Vendredi 10 mars. Accueillis par Monsieur Thierry Lépine, nous avons d’abord découvert les facettes de cet Institut. Antenne de l’Institut d’Optique de Palaiseau-Orsay, présente depuis 2003 sur le site du Pôle Optique Rhône Alpes qui a pour mission de fédérer les projets de recherche et développement et apporter une assistance technique aux PME/PMI dans des domaines d’excellence (optique microphotonique, instrumentation, vision, contrôle, éclairage, spatial, imagerie, laser, télécommunications, biotechnologie, nano-microtechnologie). L’Institut propose trois parcours aux étudiants : deux parcours classiques : Optique Image et Vision et Optique pour l’énergie et l’éclairage, et une troisième filière Innovation-Entrepreneuriat. Pour l’enseignement, l’Institut dispose d’un matériel de qualité dont nous avons eu un aperçu dans le laboratoire que nous avons visité et d’un observatoire astronomique semi-professionnel. La formation pratique est importante ; certaines formations sont compatibles avec l’apprentissage.

Dans un deuxième temps, Monsieur Guarino, Docteur en Astronomie nous a fait voyager au fil des âges à la découverte de l’évolution des représentations de l’univers ;

C’est au Vie siècle avant J-C que l’astronomie moderne est née. Le philosophe Anaximandre, ami de Thalès, passe pour avoir le premier imaginé la Terre sphérique et tenté d’expliquer le mouvement des astres.
Pour Platon, la Terre, est une sphère au centre de l’Univers, entourée d’une sphère d’eau, d’une sphère d’air, d’une sphère de feu dans la partie supérieure de laquelle se trouvent les étoiles .Toutes ces sphères tournent d’une manière uniforme autour d’un axe. Les planètes évoluent dans une région intermédiaire.

La conception géocentrique de l’Univers

Dans le géocentrisme d’Aristote (350 avant J-C) la Terre est ronde. L’Univers se divise en deux parties : le monde sublunaire situé sous l’orbite de la Lune, en mouvement et instable, composé de quatre éléments : la terre, l’eau, l’air et le feu, et le monde supralunaire immuable, stable fait d’éther : Au centre, la Terre ; puis viennent la Lune, le Soleil, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne ; enfin des étoiles fixes sur des sphères concentriques centrées sur la Terre et qui tournent autour de celle-ci. Les objets qui s’y trouvent sont immuables, sphériques et animés de mouvements circulaires et uniformes. La dernière sphère est celle des étoiles fixes. Aristote explique la rétrogradation de certaines planètes en imaginant un système de 55 sphères !

Ptolémée au IIe siècle après J-C, marque le sommet de la science astronomique de l’Antiquité. Il effectue un travail d’observations, de calculs et de compilations des résultats antérieurs. Dans son ouvrage « L’Almageste » qui aura une influence considérable sur l’astronomie des siècles suivants, il développe son système astronomique : selon lui, un astre au lieu d’être fixé sur un grand cercle centré sur la Terre est fixé sur un petit cercle tournant sur lui-même, le centre de ce petit cercle se déplaçant sur le grand cercle centré sur la Terre. Il arrive ainsi assez précisément pour l’époque à reproduire le mouvement des planètes.
Cette conception géocentrique parce qu’elle s’accorde assez bien avec la vision chrétienne du Monde qui place la Terre et l’Homme au centre de l’Univers stérilise durablement la curiosité des astronomes médiévaux. L’astronomie n’évolue pas mais la sphéricité de la Terre est prouvée.
Cette conception a duré jusqu’à la fin du XVIe siécle, à la Renaissance, moment où la précision croissante des mesures va permettre de la remplacer progressivement par une autre conception de l’Univers.

Conception héliocentrique de l’Univers

Aristarque de Samos vers 310 avant J-C avait déjà fait l’hypothèse de la Terre tournant sur elle-même et se déplaçant sur un cercle centré sur le Soleil. L’originalité de sa conception avait été rejetée par les astronomes de l’époque. Il faut attendre le XVIe siècle pour que Nicolas Copernic (1473-1543 ) convaincu que le système de Ptolémée est faux, propose le système héliocentrique comme une hypothèse. Le principe majeur de sa théorie est que la Terre tourne autour de son axe en un jour et autour du Soleil en un an ; les planètes tournent autour du Soleil et la terre oscille comme une toupie lorsqu’elle tourne. Sa théorie permet également de classer les planètes suivant leur période de révolution et explique le mouvement rétrograde apparent de Mars, Jupiter et Vénus. Le concept d’une Terre en mouvement lorsqu’elle tourne est difficile à accepter pour l’époque, les calculs de Copernic sur les positions des planètes ne sont ni simples, ni détaillés ce qui fait qu’une partie seulement de sa théorie est adoptée

Tycho Brahé (1546-1601) un peu plus tard réfute le système héliocentrique de Copernic et le modèle de Ptolémée ; il propose un système hybride qui ne contrarie pas les convictions religieuses de l’époque : la Terre au centre de l’Univers, le Soleil et la Lune tournent autour d’elle. A noter que ce système sera adopté plus tard par les Jésuites, le système de Copernic étant déclaré contraire à la Bible en 1616. En outre, ses observations au sujet de l’apparition d’une Nova en 1572 et du passage d’une comète en 1577 remettent en cause l’immuabilité de la sphère des étoiles et le mouvement circulaire des planètes.

Thomas Digges, astronome anglais, (1546-1595) défend le modèle copernicien de l’Univers encore peu connu et contesté Il pense en contradiction avec l’Eglise que les étoiles remplissent l’espace à l’infini.

Giordano Bruno (1548-1600) , lui, sera brûlé comme hérétique . Ce dominicain visionnaire exceptionnel, avait découvert par la réflexion, sans pouvoir en faire l’expérience que notre planète se situe dans un univers infini dans lequel existent des centaines de milliers de soleils. Dix ans après sa mort, Galilée et sa lunette astronomique confirment sa découverte.

Galilée (1564-1642) en 1604 observe à son tour une nova. L’apparition d’une nouvelle étoile et sa disparition soudaine entrent en contradiction avec la théorie aristotélicienne de l’inaltérabilité des cieux. En 1609 il améliore la lunette existante en lunette astronomique qui lui permet d’observer les corps célestes ; les lentilles qu’il conçoit permettent pour la première fois d’observer la Lune, les taches solaires, les planètes et leurs satellites. En 1610 il découvre les satellites de Jupiter qui avec Jupiter sont pour lui un modèle du système solaire démontrant ainsi que tous les corps célestes ne tournent pas autour de la Terre .

Képler (1571-1630) s’intéresse particulièrement au mouvement de Mars qui lui permet de formuler trois lois : l’orbite décrite par une planète est elliptique, sa vitesse est fonction de sa distance au Soleil , il ya une relation entre la période et la distance.

Isaac Newton à l’origine d’une de plus grandes révolutions scientifiques publie en 1687 la Loi de la Gravitation Universelle qui détermine la structure de l’Univers : tous les corps possédant une masse exercent entre eux une force de gravitation. La gravitation se manifeste par l’attraction terrestre, la gravité, responsable de plusieurs manifestations naturelles : les marées, l’orbite des planètes autour du Soleil, la sphéricité de la plupart des corps célestes A noter que la loi de Newton n’est pas capable de s’adapter aux trous noirs ni à la déviation de la lumière par la gravitation. Mais en démontrant que les mouvements des corps célestes ne peuvent être constants, il a ouvert la voie à la mécanique relativiste et à l’élaboration du principe de la relativité.

Une nouvelle révolution scientifique arrive avec le plus célèbre scientifique du XXe siècle : Albert Einstein (1879-1955) qui va rendre plus précise la théorie de la gravité de Newton. Ses deux théories, celle de la relativité restreinte qui date de 1905 et celle de la Relativité Générale publiée dix ans plus tard bouleversent notre image du Monde.

Il y remet en cause le caractère absolu de l’Espace et du Temps qui ne sont pas des constantes de la Nature comme on l’a cru depuis des millénaires. L’Espace peut se contracter, le Temps peut se dérouler plus lentement

Il établit que tous les corps en mouvement sont touchés par la dilatation du temps,

La masse d’un corps peut grandir : plus un corps se déplace rapidement plus sa masse augmente. La masse est de l’énergie sous une forme particulière, cette énergie pouvant être calculée mathématiquement en multipliant la masse par le carré de la vitesse de la lumière : E=mc2.

Cette théorie a révolutionné notre compréhension de l’Univers :. A l’échelle astronomique elle explique comment le Soleil peut émettre son énergie pendant des milliards d’années. 
- Elle est un outil indispensable pour sonder le monde des trous noirs et de la cosmologie.
- Elle a expliqué l’origine de certains phénomènes physiques : l’électromagnétisme, la couleur de l’or.
- Elle a donné naissance à des applications technologiques courantes : les écrans télé à tube cathodique à présent dépassés par les écrans plats ; le GPS (Global Positioning System) est l’application la plus connue : il utilise une constellation de 32 satellites équipés d’horloges atomiques qui tournent autour de la terre à 20200 km d’altitude et à une vitesse de 14000 km/h pour calculer des centaines de millions de positions au sol. Mais : pour que la navigation ne soit pas faussée il faut synchroniser les horloges atomiques au sol et en altitude en tenant compte de deux effets inverses 1) la gravité en altitude 17 fois moindre qu’au sol 2) le temps qui ne s’écoule pas à la même vitesse en altitude et au sol car la force de la gravité n’y est pas la même. La masse de la Terre ralentissant l’écoulement du temps, l’horloge atomique à bord d’un satellite est très légèrement plus rapide que l’horloge au sol ; le temps n’étant pas dilaté que par la masse des objets mais aussi par leur vitesse, pour une horloge en mouvement le temps ralentit légèrement.

Albert Einstein avait conçu l’existence de la Relativité gravitationnelle de manière presque totalement spéculative. C’est Arthur Eddington qui, le premier, en obtient la preuve : en 1919 les clichés qu’il prend lors d’un éclipse totale de Soleil montrent que la lumière d’une étoile à proximité du Soleil est déviée par l’action de la gravitation exercée par la masse de ce dernier. Il vérifie ainsi que la force d’attraction gravitationnelle d’un corps céleste dévie la lumière de la même manière que la matière courbe la trajectoire d’autres corps matériels. Il est aussi le premier à découvrir la relation masse-luminosité des étoiles et à suggérer que la source d’énergie des étoiles provient de la fusion nucléaire de l’hydrogène en hélium.

Quant à Edwin Powel Hubble (1889-1953), il a permis d’améliorer la compréhension de la nature de l’Univers en démontrant l’existence d’autres galaxies en dehors de notre Voie Lactée. Grâce à la spectroscopie, en 1929 il a établi la relation entre la distance des galaxies et leur vitesse d’éloignement, il a montré que celles-ci s’éloignent les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance. La loi qu’il formule est à l’origine du concept de l’expansion de l’Univers ; le cosmos est né à la suite d’un Big Bang et s’est développé dans un espace-temps courbé. C’était déjà la thèse soutenue par Georges Lemaître en 1927.

Pour terminer ce voyage en compagnie des astronomes et astrophysiciens qui ont travaillé à la compréhension de l’Univers, laissons la parole à Albert Einstein :

"Nous sommes convaincus, disait-il, qu’un mètre est un mètre et qu’une seconde reste une seconde… Les apparences sont trompeuses et notre vision du Monde que nous pensons être réelle n’est qu’une illusion."

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