Chimie / Mathématiques / Physique

Qui est Isaac Newton, celui qui a découvert la célèbre formule de la gravitation grâce à une simple pomme?

Qui était Isaac Newton, cet homme qui a découvert la formule de la gravitation grâce à une simple pomme? Ce nom te dit probablement quelque chose. Mais qui était-il exactement ? Quelle est son histoire ? Qu’a-t-il découvert ? Après avoir fait la connaissance de Louis Pasteur, je te propose de découvrir Isaac Newton et sa célèbre théorie de la gravitation.

Le début de vie d’Isaac Newton

L’enfance d’Isaac

Isaac Newton est né le jour de Noël, en 1642, dans un petit village d’Angleterre[1]. Mais sa vie commença bien mal ! En effet, son papa mourut trois mois avant sa naissance. En plus, Isaac est né prématuré, ce qui veut dire qu’il est sorti du ventre de sa maman trop tôt ! Il était tellement petit que tout le monde croyait qu’il allait mourir, lui aussi. Mais Isaac survécu !

Lorsqu’Isaac eu 3 ans, sa maman retrouva un amoureux. Pas de chance pour Isaac : cet amoureux ne voulait pas de lui ! Isaac fut donc envoyé chez ses grands-parents qui furent chargés de son éducation.

Isaac fut marqué à vie par cet événement et garda beaucoup de rancœur envers tous ceux qui essayèrent par la suite de lui prendre quelque chose qu’il estimait être à lui. Il réagissait parfois de manière démesurée et violente.

Isaac fait ses premiers pas à l’école

Isaac retrouva sa maman quelques années plus tard quand son deuxième mari mourut. Mais encore une fois, il n’eut pas beaucoup l’occasion de profiter d’elle puisqu’il fut envoyé à l’école loin d’elle lorsqu’il avait 12 ans. Il dormait alors chez un apothicaire (c’est un peu le même métier que pharmacien).

Isaac n’aimait pas du tout l’école. Il préférait bricoler : il aimer fabriquer des cadrans solaires, ou des moulins…D’après la légende, Isaac aurait décidé de se mettre à travailler après avoir été embêté à la sortie de l’école par un autre élève. Il voulait être plus intelligent que cet élève qui l’avait embêté. Il s’était donc mis en tête de travailler et il devint, et resta jusqu’à la fin de sa vie, un vrai bourreau de travail !

A l’âge de 16 ans, sa maman lui demanda de revenir à la ferme familiale pour apprendre le métier de fermier. Mais Isaac n’avait aucune envie de devenir fermier ! Il préférait les sciences ! Il lisait d’ailleurs tous les livres scientifiques qu’il pouvait trouver dans la bibliothèque de l’apothicaire chez qui il logeait !

Heureusement pour lui, plusieurs personnes de son entourage (un oncle, un professeur, un ami de sa maman…) comprirent qu’il n’était pas fait pour le métier de fermier et demandèrent à sa maman de le laisser poursuivre ses études. Ce qu’elle fit. Isaac était très doué de ses doigts et très intelligent. A cause de ça, ses relations avec les autres élèves étaient souvent difficiles. Ce fut le cas toute sa vie avec les personnes avec qui il travaillait.

Après l’école, Newton entra à l’université de Cambridge, en Angleterre.

Isaac Newton se lance dans les études et la recherche

Arrivée à l’université, Newton est loin de la gravitation!

En 1961, Isaac Newton arriva à Cambridge pour entrer à l’université appelé Trinity College. C’est une excellente université, qui a une réputation internationale. Pour la petite anecdote, c’est là qu’ont été tournées certaines scènes des films Harry Potter !

Trinity College, Cambridge (photo de John Mason, Flickr)

Isaac était un peu comme Harry Potter : il n’avait pas d‘argent en entrant à l’université. Il dut donc travailler pour payer ses études. Il devait par exemple apporter le bois pour se chauffer ou vider les pots de chambre (les WC n’étaient pas aussi développés qu’aujourd’hui et si on voulait aller aux WC la nuit, on faisait pipi ou caca dans un pot qu’il fallait vider le matin !)

Retour à la ferme familiale, comme un avant-goût de la théorie de la gravitation

Quatre ans après son arrivée, alors qu’Isaac vient tout juste d’obtenir sa licence, une épidémie de peste sévit en Angleterre et l’université fut obligée de fermer ses portes. Isaac retourna donc chez sa maman, où il resta 2 ans. Là-bas, il réfléchit beaucoup, étudia et posa les bases pour plusieurs de ses grandes découvertes qu’il fit au cours de sa carrière.

C’est également pendant cette période d’arrêt de ses études que se dessinent les 3 principaux axes de ses recherches : le mouvement, l’optique et les mathématiques.

Isaac retourne à l’université

Après ces deux années en dehors de l’université, Isaac retourna à Cambridge pour reprendre le cours de ses études. Ce qui l’intéressait, c’était de pouvoir étudier toute sa vie ! Il passa donc beaucoup de temps en cours ou à faire ses propres recherches. Il reçut même de l’argent pour pouvoir continuer à étudier !

Platon est mon ami, Aristote est mon ami, mais ma meilleure amie est la vérité. 

Isaac Newton, en quête de la vérité physique

En 1669, il devint professeur de mathématique à la place…de son professeur de mathématique ! Il resta à ce poste pendant 26 ans.

Rapidement après, Isaac intégra la Royal Society de Londres. Il avait alors seulement 29 ans. Il devint président de la Royal Society en 1703 et le resta jusqu’à la fin de sa vie.

Blason de la Royal Society

La théorie de la gravitation ne signa pas la fin de sa carrière

En 1696, il quitta son poste de professeur de mathématique pour devenir directeur de la maison de la Monnaie. C’était un poste très important dans le pays et il fit tout pour contrer ceux qui fabriquaient des fausses pièces ou billets. Il est même probable qu’il fit des choses qui étaient alors interdites, comme la torture, pour obtenir des aveux chez les suspects.

Par la suite, Isaac Newton fut anoblit par la reine. Il adopta un blason un peu spécial : deux tibias humains qui se croisent sur un fond noir. Blason qui ressemble un peu à un drapeau de pirate !

A la fin de sa vie, Isaac délaissa les sciences au profit de la théologie (l’étude de la religion). Au final, il écrivit beaucoup plus de textes sur la religion que sur les sciences mais ceux-ci ne sont pas passés à la postérité. Isaac avait des idées très arrêtées sur la religion et aurait pu être considéré comme un hérétique s’il avait parlé publiquement de ses convictions. Il était donc très discret sur ces questions mais nous savons qu’il refusa l’ordination et le dernier sacrement sur son lit de mort, deux cérémonies très importantes aux yeux des religieux à cette époque.

La gravité explique le mouvement des planètes, mais elle ne peut expliquer ce qui les mit en mouvement. Dieu gouverne toutes choses et sait tout ce qui est ou tout ce qui peut être.

Isaac Newton était très croyant

Isaac Newton mourut à l’âge de 84 ans, en 1727. Il fut inhumé aux côtés des rois d’Angleterre après de magnifiques funérailles.

Tombeau d’Isaac Newton, Abbaye de Westminster (Photo de Lise G., Flickr)

Isaac, une personnalité difficile à cerner

Isaac Newton garda des séquelles de son enfance difficile. Il avait une personnalité complexe, difficile à cerner. Ses relations avec ses contemporains étaient souvent houleuses. Il publiait rarement ses découvertes, et quand il le faisait, c’était bien souvent de nombreuses années après avoir fini ses travaux. Ses discussions furent d’ailleurs particulièrement difficiles avec Robert Hooke, un autre scientifique, membre de la Royal Society.

Je peux prévoir le mouvement des corps pesants, mais pas la folie des gens.

Isaac Newton, après avoir perdu beaucoup d’argent en bourse.

Isaac eut également des crises d’hystérie lorsque ses adversaires scientifiques étaient trop critiques sur son travail. Il fit aussi des dépressions, ou crises de folie, selon les sources, due aux décès de personnes chères à son cœur comme sa maman et ses amis, aux controverses que ses travaux subissaient, l’épuisement de son inventivité ou encore la perte de tout son travail dans l’incendie de ses appartements.

La théorie de la gravitation n’est pas la seule réalisation de Newton

En m’intéressant à Isaac Newton, je me suis rendu compte que je connaissais bien peu de chose sur lui. Beaucoup de personnes associent Newton avec la pomme qui tombe de l’arbre. Mais pourtant il a fait bien plus que cela. Ses travaux sont très pointus et touchent le fondement de la physique et des mathématiques. Ses théories sont parfois complexes, obscures à quelqu’un qui ne connait pas le domaine. Je vais néanmoins essayer de te faire toucher le génie de cet homme.

Newton et l’optique

Isaac Newton permis une grande avancée dans le domaine de l’optique (c’est-à-dire ce qui concerne la lumière mais aussi la vision)[2].

Etude sur la lumière blanche

En 1666, alors qu’Isaac Newton était dans la ferme familiale pour fuir l’épidémie de peste, il commença à travailler sur la lumière. A cette époque, la lumière était considérée comme une onde (comme les vagues à la surface de l’eau). Il était également accepté que la lumière blanche était formée de…lumière blanche ! Pourtant, au début des années 1670, Isaac Newton démontre qu’une lumière nous apparait blanche lorsqu’elle est composée de lumières bleu, verte, rouge, orange et jaune.

C’est la somme de ces lumières qui crée la lumière blanche dans laquelle nous baignons, celle du soleil. Isaac Newton fut capable de démontrer cela en utilisant un prisme. En effet, un prisme est capable de séparer les différentes lumières selon leur couleur. Si une lumière blanche vient taper dans un prisme, il en ressort un arc-en-ciel[3].

La lumière blanche est composée des lumières de l’arc-en-ciel.

La lumière est faite de particule

Par la suite, Isaac Newton a prouvé que la lumière n’est pas qu’une simple onde mais qu’elle est transportée par ce qu’il appelle des corpuscules. Comme si une nuée de lucioles se suivaient les unes à la suite des autres pour former la lumière. On nomme aujourd’hui ces corpuscules des photons.

Ce n’est pas pour autant que la théorie qui considère la lumière comme une onde est fausse ! On sait aujourd’hui que la lumière se comporte parfois comme une onde, parfois comme un corpuscule. La nature est pleine de mystères ! Mais n’hésite pas à me dire en commentaire si tu veux en savoir plus sur la lumière !

Isaac écrivit un livre intitulé Opticks[4] pour présenter ces deux résultats essentiels. Il publia ce livre près de 30 ans après son écriture, à la demande et avec les finances d’un certain Mr Halley, astronome de grande renommée dont une comète porte le nom encore aujourd’hui.

Le télescope de Newton

Isaac Newton s’intéressa à l’astronomie afin de répondre à une question que lui avait posée Edmond Halley au sujet de la trajectoire des planètes. Cette réflexion amènera d’ailleurs Newton à développer sa théorie sur la gravitation. Mais pour pouvoir observer les astres dans le ciel, il mit au point un nouveau type de télescope en remplaçant les lentilles utilisées à cette époque par des miroirs.

En effet, les premiers télescope (mis au point par Galilée durant le siècle précédent, je t’invite à télécharger mon livret d’activités Des hommes, des femmes, des sciences si tu veux en savoir plus à ce sujet), offraient une piètre qualité d’image et un faible grossissement.

Premier télescope dit « de Newton », utilisant des miroirs au lieu de lentilles.

L’utilisation des miroirs permis d’augmenter considérablement ces deux points. Pour la petite histoire, ce sont ses travaux avec les prismes qui lui ont donné l’idée de ne pas utiliser des lentilles dans le cas de ce télescope. En effet, les lentilles, comme le prisme, décomposent la lumière blanche en ses différents composants. Ce qui n’est pas le cas avec un miroir qui renvoie de la lumière blanche quand il en reçoit.

C’est d’ailleurs grâce à la mise au point de ce télescope, qu’il va devenir membre de la Royal Society suite à la présentation qu’il en fera en 1672.

Newton et la mécanique

Newton énonce la loi sur la gravitation

Dès 1665, lorsqu’Isaac quitta Cambridge pour fuir la peste, il se questionna sur le phénomène qu’il appellera plus tard gravitation. Qu’est-ce que c’est que ce truc ? Il s’agit d’une force, invisible qui attire deux objets, quels qu’ils soient, l’un vers l’autre. C’est cette gravitation qui fait que tu ne voles pas dans le ciel mais que tu as les deux pieds sur Terre. C’est la même gravitation qui provoque la marée basse et la marée haute. Et c’est encore elle qui fait tourner la lune autour de la Terre ou la Terre autour du Soleil.

L’idée de cette théorie lui serait venue en voyant une pomme tomber d’un arbre. Il aurait alors émis l’hypothèse que la Terre attirait la Lune comme elle attire une pomme. Cette anecdote est probablement une légende mais elle a le mérite de marquer les esprits !

Dans les années 1680, l’astronome Edmond Halley est venu le questionner sur la trajectoire des planètes. A cette occasion, Isaac lui explique que, selon son hypothèse de gravitation, la trajectoire des planètes forme une ellipse. Edmond Halley est convaincu et pousse Isaac à publier, en 1687, son œuvre principale intitulée « Philosophiæ naturalis principia mathematica »[5] que l’on peut traduire par « Principes Mathématiques de la Philosophie Naturelle ». Isaac y présente sa théorie sur la gravitation ainsi que les 3 lois essentielles à l’étude des mouvements.

Les 3 lois de Newton soutiennent la gravitation

Quelles sont ces 3 lois ? La première de ces lois présente le principe d’inertie. C’est ce qui fait que la boule de bowling continue à avancer alors que tu ne la tiens plus ou encore pourquoi une voiture a besoin d’un certain temps pour s’arrêter, même si tu écrases la pédale de frein.

La deuxième loi explique la relation qu’il y a entre la masse d’un objet et son accélération. C’est la loi dite de la proportionnalité des forces et des accélérations. Un nom un peu barbare, je te l’accorde ! Pourtant, elle est simple à comprendre !

Souviens-toi la dernière fois que tu as fait de la luge. Lorsqu’il n’y avait personne dans la luge, celle-ci descendait doucement la pente. Si tu t’y installais, elle allait déjà un peu plus vite. Si c’est quelqu’un de plus lourd que toi qui s’asseyait dans la luge alors là, celle-ci fonçait dans la descente !

Enfin, la troisième loi de Newton décrit la relation entre 2 objets qui se poussent l’un, l’autre avec une même force.  On parle de l’égalité de l’action et de la réaction. Tout cela est sans aucun doute compliqué…mais sache que ces 3 lois, supervisées par la loi sur la gravitation sont tout simplement le fondement de la physique moderne.

La renommée d’Isaac Newton est alors internationale et beaucoup de personnes admirent ses travaux.

Newton, la gravitation et la controverse

La théorie de la gravitation, bien que permettant d’expliquer de nombreux phénomènes observés dans la nature, fut rejetée par des personnes dites cartésiennes. Ces dernières croyaient que tout devait être parfaitement expliqués, compréhensibles, visibles. Elles étaient à l’opposé de la religion, de la magie ou de toute forme de spiritualité. Elles voyaient dans la gravitation (une force invisible) la main de Dieu. Isaac lui-même disait que, selon sa théorie, les astres, attirés mutuellement ne devraient former qu’un gros tas au milieu de l’Univers et qu’il comptait sur Dieu pour maintenir les astres dans le ciel. On sait aujourd’hui que c’est parce que la Lune (ou les autres astres) est en mouvement qu’elle ne tombe pas sur la Terre.

En parallèle de la gravitation, Newton étudia les mathématiques

Les mathématiques furent un autre domaine dans lequel Isaac Newton excella. Il inventa ce qu’on appelle le calcul infinitésimal[6]. Là, on touche à la limite de mes connaissances ! J’ai beau lire et relire des articles à ce sujet, j’ai encore du mal à cerner à quoi sert le calcul infinitésimal ! On étudie cela au lycée. Il s’agit des intégrales, des dérivés, du calcul différentiel. Sache que, là aussi, ce sont des éléments qui sont essentiels aux mathématiques très poussés et, par ricochet, je suppose qu’il y en a dans notre vie quotidienne.

Mais là tout de suite, je ne saurais pas te donner un exemple d’application. Alors si tu t’y connais n’hésite pas à me laisser un commentaire pour m’en dire un peu plus sur l’utilité de ce truc ! Hé oui ! Je n’ai pas la science infuse et c’est toujours agréable d’apprendre de nouvelles choses !

Pendant près de 20 ans, cette découverte fut au cœur d’une controverse entre Isaac Newton et Leibniz. Chacun d’eux revendiquant l’invention des calculs infinitésimaux. Les historiens des sciences sont d’accord pour dire qu’Isaac les a bien découvert en premier mais que, comme pour les autres domaines étudiés, il n’a rien publié avant longtemps, laissant le temps à Leibniz de les découvrir à son tour et de publier.

Newton a également étudié la chimie

La chimie ne fut pas en reste et Isaac lui consacra au moins 30 ans de sa vie. A la fin des années 1660, il se mit à étudier l’alchimie, cette science qui vise à transformer en or des métaux. L’explosion de son laboratoire mis fin à ses recherches dans ce domaine.

En parallèle de ces travaux, il avait travaillé sur l’optique et ses résultats avaient soulevé un vent de contestations. Vexé et épuisé de devoir se justifier, Isaac ne publia jamais ses travaux dans le domaine de l’alchimie. De plus, cette science avait, à cette époque une réputation ambigüe qui oscillait entre les soupçons d’être le fruit de charlatans et le domaine des grands penseurs parce qu’elle offrait une vision d’ensemble cohérente pour la totalité des phénomènes naturels.

Isaac Newton fut également un grand alchimiste

La théorie de la gravitation et Newton passèrent à la postérité

Les théories d’Isaac Newton, en particulier celle sur la gravitation, sont sorties très lentement de l’Angleterre. Mais elles ont eu un impact profond sur le long terme. Ce n’est pas pour rien qu’on les apprend toujours au lycée !

Philosophiae Naturalis Principia Mathematica[5] et Opticks[4], font partis des publications scientifiques avec le plus de retombées encore aujourd’hui. En France, Voltaire ainsi que l’encyclopédie de Diderot et d’Alembert permirent la diffusion des idées d’Isaac Newton. Maupertuis fut le premier scientifique français qui reconnut le travail d’Isaac et le présenta à l’Académie des sciences.

En 1759, plus de 30 ans après la mort d’Isaac Newton, la comète nommée Halley repassa dans le ciel, comme l’avait prévu Isaac Newton par ses calculs. Cet événement lui assura son succès post mortem.

Dis-moi, savais-tu qu’Isaac Newton n’avait pas travaillé uniquement sur la gravitation?

Bibliographie

  • [1]         R. S. Westfall, The Life of Isaac Newton. Cambridge University Press, 1994.
  • [2]         I. Newton, The Optical Papers of Isaac Newton: Volume 1, The Optical Lectures 1670-1672. Cambridge University Press, 1984.
  • [3]         I. Newton, « A letter of Mr. Isaac Newton, Professor of the Mathematicks in the University of Cambridge; containing his new theory about light and colors: sent by the author to the publisher from Cambridge, Febr. 6. 1671/72; in order to be communicated to the R. Society », Philos. Trans. R. Soc. Lond., vol. 6, no 80, p. 3075‑3087, févr. 1672, doi: 10.1098/rstl.1671.0072.
  • [4]         S. I. Newton, Opticks. Prabhat Prakashan, 2021.
  • [5]         S. I. Newton, Principes mathématiques de la philosophie naturelle. Desaint & Saillant, 1756.
  • [6]         I. Newton, La méthode des fluxions et les suites infinies… [traduit par Buffon]. Debure, 1740.
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