Que l'on se place dans un atome ou aux confins d'une galaxie très lointaine, le mouvement des particules, objets ou corps célestes sera toujours présent. Que l'on se place dans l'infiniment petit ou l'infiniment grand, les objets ou systèmes physiques sont quasiment toujours animés d'une vitesse c'est à dire en mouvement. Mais pourquoi ? Qu'est-ce qui engendre ce mouvement ? Un objet peut il être au repos absolu c'est à dire tout à fait immobile ? Depuis l'antiquité jusqu'à nos jours de nombreux physiciens se sont penchés sur ces questions et tentent toujours de répondre à certaines. Car, que l'on se place dans un atome ou dans l'univers, nos perceptions seront toujours beaucoup trop limitées pour élucider certains mystères de la nature. Ce n'est qu'au fil des siècles, à travers des discussions, des erreurs, grâce à la persévérance de certains savants, l'imagination débordante et le génie de certains autres, que certains points ont pu être éclairés et nous renseigner un peu plus chaque jour sur la compréhension du monde qui nous entoure.

L'antiquité et le miracle grec

En science, on appelle vision du monde, la cosmologie physique c’est à dire l’étude du monde et de l’univers grâce à des lois physiques, à ne pas confondre avec cosmologie religieuse qui tient compte des textes sacrés.

Dès l’Antiquité, les premiers scientifiques apparaissent, notamment en Grèce. Ce sont des philosophes, ou penseurs, qui s’interrogent sur la nature qui les entoure. Certains de ces philosophes, comme Aristote (IVème siècle av JC), pensent que le monde ou l’univers, représente une immense sphère, la forme parfaite, dont le centre est la terre. Ce système décrit par Aristote est appelé géocentrique car il place ainsi la terre au centre de l’univers (géo signifie terre en grec).

La terre au centre de l’univers : le modèle géocentrique

Quelques siècles plus tard, au IIème siècle, Ptolémée (IIème siècle av JC) reprend les idées du système géocentrique et le perfectionne en décrivant le mouvement des planètes dans un ouvrage intitulé l’Almageste.

Il se trouve que l’histoire n’a voulu retenir que les idées de certains philosophes « privilégiés » pour diverses raisons. Aristote représente par exemple un penseur dont la plupart des idées erronées, notamment scientifiques, n’ont été remises en question qu’à la Renaissance. Il faut savoir tout d’abord qu'Aristote était le maitre d’Alexandre le Grand, ce qui lui conférait un statut particulier et une grande respectabilité au fil des siècles suivants. De plus, la plupart des écrits historiques que nous possédons proviennent essentiellement des copies, traduites en latin des moines du Moyen Age qui recopiaient essentiellement des textes en accord avec les textes sacrés ; or, il se trouve que les pensées d’Aristote dans l’Antiquité rejoignaient assez bien les écrits bibliques, comme par exemple le système géocentrique qui place l’homme au centre de l’univers et qui décrit la surface de l’univers  comme une surface parfaite et harmonieuse, ce qui fait penser au paradis décrit par la bible.

Ce n’est qu’au début de la Renaissance, deuxième véritable révolution dans l’histoire de la science après l’Antiquité, que la cosmologie d’Aristote et de Ptolémée est remise en question et qu'on verra apparaître les bases de la physique moderne.

La renaissance et la naissance de la physique

Il aura fallu attendre plusieurs siècles après l’Antiquité, traverser les famines, les guerres, les maladies et les croyances mystiques du Moyen Age pour voir fleurir, à partir du XVème siècle, l’art et les sciences rationnelles de la Renaissance en Europe. Il faut préciser que pendant cette période creuse que travers l’Europe occidentale, l’Europe orientale, elle, voit ses savoirs et techniques se développer, notamment par les Arabes qui occupent la plupart du bassin méditerranéen et qui étudient et traduisent l’héritage des savants et philosophes grecs, ainsi que de nombreux savoirs issus des civilisations indiennes et perses. L’essor et la véritable naissance de la physique, notamment de deux branches, l’optique et la mécanique, dans l’Europe à la Renaissance, sont dus à deux faits nouveaux, apportés grâce aux civilisations byzantine et arabe : tout d’abord l’utilisation de techniques et d’instruments expérimentaux beaucoup plus élaborés qu’à l’Antiquité va permettre de nombreuses observations qui vont pouvoir éclairer et guider le scientifique dans sa démarche. Celui-ci va aussi pouvoir élaborer des lois qui traduisent ses observations et ses déductions. Pour cela, le scientifique a maintenant à sa disposition un outil extrêmement puissant : les mathématiques qu’il va utiliser pour mettre en équation les phénomènes naturels qu’il observe.

Le système héliocentrique

Aux prémices de la Renaissance, Nicolas Copernic (1473-1543), un chanoine polonais très érudit intéressé par les mathématiques et influencé par les astronomes arabes, va proposer un nouveau modèle stipulant que ce n’est pas la terre mais le soleil qui se trouve immobile au centre de l’Univers. Cette nouvelle vision de l’univers nommée alors système héliocentrique (helios, le soleil en grec) ou modèle de Copernic, créé alors un véritable bouleversement qu’on appelle « Révolution Copernicienne ». Il est à noter qu’un philosophe grec de l’Antiquité, Aristarque de Samos ( IIIème siècle av JC), avait eu l’intuition et l’idée d’un tel système mais il n’avait à l’époque, aucun moyen ni aucune technique de le découvrir.

Les savants de l’époque se divisent alors : la plupart sont hostiles à ce nouveau système, d’autres, comme notamment l’astronome Johannes Kepler (1571-1630), Leonard de Vinci (1452-1519) et Galilée par la suite, adhèrent complètement à cette nouvelle vision du monde céleste.

« Le mouvement est comme rien » Galilée

Galileo Galilei ou Galilée (1564-1642) est un savant Italien qui a contribué d’une manière exceptionnelle à la science, notamment en optique et en mécanique.

Au début du XVIIième siècle Galilée fait de nombreuses découvertes en mécanique. Il étudie notamment le phénomène d’attraction d’un corps par la terre (chute libre d’un objet ou mouvement parabolique d’un projectile). Il montre, selon une expérience qu’il aurait effectuée du sommet de la tour de Pise, que le temps mis par un objet pour tomber sur la terre ne dépend pas de sa masse. Autrement dit, une bille de fer et une bille de carton, lâchées en même temps à la même altitude, arriverons au sol en même temps (à condition de ne pas prendre en compte les frottements de l’air!). Pour être tout à fait précis, la loi de Galilée stipule que tous les objets tombent à la même vitesse mais l'interaction de ceux-ci avec l'air va alors les ralentir plus ou moins.

Galilée montre avec cette loi la subtilité essentielle qu'il existe entre observation et interprétation. On observe sur Terre que différents objets ne tombent pas à la même vitesse suivant leur masse. Et donc nous sommes alors amenés à interpréter que la vitesse d'un objet dépend de sa masse. Ce qui est totalement faux et Galilée a été le premier à le dire : c'est l'interaction avec l'air qui est en cause dans le ralentissement plus ou moins fort des objets qui tombent. Autrement dit, sur la Lune, on doit observer qu'une plume tombe aussi vite qu'un morceau de plomb de cinq kilogrammes.

Un peu plus tard, celui-ci met au point un instrument d’optique révolutionnaire : la lunette astronomique. Grâce à celle-ci, Galilée scrute le ciel, les étoiles, les planètes et leurs satellites. Grâce à ses observations, Galilée est maintenant persuadé que le modèle héliocentrique proposé par Copernic quelques dizaines d’année plus tôt est le bon. De plus, Galilée stipule les principes de la relativité du mouvement : dans un endroit (un référentiel) qui avance à vitesse constante (mouvement uniforme) nous ressentons les choses comme si nous étions immobiles. Par exemple, sur un bateau qui avance (par mer plate), nous ne pouvons pas nous rendre compte que l’on avance si l’on se trouve dans une cabine sans hublot. Ce qui l’amène à stipuler que la terre sur laquelle nous nous trouvons est en mouvement, mais que nous ne pouvons nous en rendre compte. Pour Galilée, l’immobilité absolue n’existe pas, tous les objets ou planètes sont en mouvement les uns par rapport aux autres « le mouvement est comme rien ». Il publie de nombreux livres dans lesquels il expose ses théories essentiellement basées sur ses résultats, ses découvertes sur certaines planètes (phases de Vénus, anneaux de Jupiter), sur des satellites (terme introduit par Johannes Kepler qui signifie « garde du corps » en latin) et sur le soleil et la voie lactée. Il montre plusieurs choses : la Lune, supposé être un astre parfait, possède des montagnes, des cratères et possède une surface loin d'être lisse comme on l'imaginait alors, ce qui en fait un astre "non parfait". De plus, les différentes phases de Vénus prouve que celle-ci doit tourner autour du Soleil, alors pourquoi pas la Terre? Jupiter possède aussi des satellites en mouvement. Autrement dit, les astres observés sont loin d'être des sphères parfaites et sont constamment en mouvement  Devant la pertinence de ses observations et conclusions, Galilée commence à connaître un succès considérable dans la communauté scientifique mais fait peur à l'Eglise catholique. 

« Et pourtant elle tourne »

Pour la première fois, l’Eglise de l’époque voit ses idées menacées à cause des découvertes importantes de Galilée. En effet, pour la communauté religieuse il est inconcevable que la terre soit en mouvement et surtout ne soit pas le centre de l’Univers. Le 21 Juin 1633, l’Eglise inquisitrice impose à Galilée, sous peine de tortures, d’abjurer ses théories selon lesquelles la terre n’est pas le centre du monde et tourne autour du soleil. Celui-ci accepte, abjure ses convictions devant le Saint Office contre son gré. Galilée aurait alors prononcé une phrase célèbre « Et pourtant, elle tourne! ». A la suite de ce procès, certains scientifiques prennent peur et craignent que leurs idées ne leur coûtent le bûcher. C’est le cas de René Descartes (1596-1650), célèbre savant et philosophe français, qui attendra prudemment une trentaine d’année avant de publier son livre « Traité du monde et de la lumière » en 1664.

Johannes Kepler et le mouvement des Planètes

Au moment des découvertes de Galilée, un savant allemand Johannes Kepler (1571-1630) prend la place de Tycho Brahé (1546-1601) en temps que mathématicien officiel de l'Empereur germanique Rodolphe II. Tycho Brahé avait étudié le mouvement des planètes autour du Soleil et avait répertorié ses observations dans des carnets. Celui-ci avait tenté alors de reconstituer et de comprende le mouvement des planètes et du soleil en partant du principe fondamental que la Terre est le centre de l'Univers et que le Soleil et les autres planètes doivent tourner autour. A sa mort, Kepler, en le remplaçant, étudie ses carnets d'observation, discute par lettres interposées avec Galilée et utilise la lunette astronomique de celui-ci (ou une copie) et scrute le ciel. En partant du principe opposé à Tycho Brahé, à savoir que c'est le Soleil qui est le centre de l'Univers, mais en se servant en grande partie de ses observations, il confirme que les planètes tournent autour du Soleil et non autour de la Terre. Autrement dit, Tycho Brahé, son prédécesseur, avait fait grâce à son observatoire, de remarquables observations extrêmement précises mais n'avait jamais trouvé de solution, tout simplement car il restait persuadé que la Terre était forcément au centre de tout et restait immobile! La solution était devant ses yeux mais une croyance tenace l'empêchait de voir l'immanquable.

A ce moment précis, Kepler en est au même point que Galilée. Cependant, celui-ci jouit d'une total confiance de la part de l'empereur germanique, souverain suprême d'un empire dont l'Eglise est protestante et assez tolérante. Galilée, lui, n'a pas de marges de manoeuvre, il est poursuivi et persécuté par l'Eglise catholique de l'Empire romain et a dorénavant les mains liées. Il ne peut plus publier. Kepler, lui, le peut. La grande révolution scientifique qui va bouleverser l'ordre établi, ne repose maintenant que sur Kepler qui publie alors ses résultats et les divulgue dans l'Europe. Mais celui-ci va plus loin. Il découvre que les mouvements des planètes respectent trois lois mathématiques bien précises. Ces trois lois sont empiriques car elles découlent uniquement des observations directes, n'ont pas de relations entre elles et ne peuvent être expliquées. Cependant, elles sont précises, et grâce à elles, Kepler peut prévoir sans être voyant. Il peut prévoir où se situera n'importe quelle planète le mois suivant, et cela, grâce aux mathématiques. Une de ces lois stipule notamment que les planètes ne tournent pas autour du Soleil selon des cercles mais selon des ellipses. Les trois lois de Kepler sont les premières lois qui décrivent le mouvement des astres dans le ciel. Elles influenceront aussi par la suite, un des plus grands génies scientifiques de tous les temps.  

Newton, première lumière du XVIIIème siècle

L’univers traduit en mathématique

L’année de mort de Galilée est aussi l’année de naissance d’un autre génie : Isaac Newton (1643-1727).

L’importance d’Isaac Newton, scientifique anglais, tient au fait que celui-ci a considérablement fait avancer des domaines tels les mathématiques, l’optique et surtout la mécanique (l’étude du mouvement des corps) qu’il va unifier et traduire sous forme de lois mathématiques universelles, ce qui va bouleverser la pensée scientifique et philosophique du monde entier en ce début de siècle, qu’on appellera "le siècle des lumières."

Outre ses avancées et découvertes en optique et en mathématiques, Newton s’intéresse en cette fin de XVIIème siècle au mouvement et à l'attraction des corps. A cette époque, deux phénomènes qui semblent complètement différents intéressent Newton. Ceux-ci ont été mis en évidence et étudiés par deux scientifiques : Le mouvement des planètes autour du soleil, phénomène étudié par Johannes Kepler, et la chute des corps, phénomène étudié par Galilée. Le génie de Newton va alors avoir pour intuition que ces deux phénomènes peuvent être décrits exactement de la même manière c’est à dire avec la même théorie. Autrement dit, ces deux phénomènes représentent en réalité un seul et unique phénomène : le fait que deux objets possédant une masse s’attirent mutuellement. La légende dira que Newton, confortablement installé sous un pommier, aura cette idée géniale au moment où cette fameuse pomme lui tombera sur la tête. Pour Newton, les planètes restent à tourner autour du soleil car elles subissent une force de la part de celui-ci, tout comme une pomme subirait une force de la part de la terre entraînant sa chute. Le savant anglais va même plus loin car il étend le phénomène à tous les objets possédant une masse et le traduit en principe mathématique. La loi de l’attraction universelle, ou gravitation universelle, est née.

Newton associe à cette loi trois autres principes appelés les trois lois du mouvement : principe d’inertie, principe fondamental de la dynamique, principe des actions réciproques. Ces trois principes associés à la loi de la gravitation universelle permettent d’expliquer le mouvement des objets visibles (objets terrestre, planètes, étoiles, etc) ; de plus, grâce à ceux-ci, Newton retrouve les prédictions de Galilée sur la chute libre et les formules tirées des observations de Kepler (formules empiriques). Mieux encore, les théories de Newton permettent de savoir précisément, en connaissant la position et la force s’exerçant sur un objet (une planète par exemple) à un instant précis, où se trouvera cet objet à un instant ultérieur. On peut donc déterminer la trajectoire d’un objet, sa position et sa vitesse dans un instant futur. La physique déterministe est née. C’est une révolution car dès lors, pour le scientifique de ce siècle en plein bouleversement, la nature peut être entièrement expliquée et les phénomènes naturels peuvent être prédits grâce aux mathématiques !

La fin du XIXème siècle, avec l’avènement de la thermodynamique et, au début du XXème, siècle de la physique quantique, montrera que la nature ne se met pas aussi facilement en équation, n’est pas aussi facilement prédictible, explicable et maitrisable, ce qui fait toute sa beauté et tout son mystère.

Les lois de Newton sont toujours valables et inchangées depuis le XVIIIème siècle ce qui fait leurs forces. En effet, elles sont toujours étudiées par les lycéens, étudiants et appliquées dans les recherches physiques. Cependant, ce modèle, insuffisant pour expliquer certains phénomènes observés en astrophysique, va être englobé et complété par un nouveau modèle qui verra le jour au début du XXème siècle grâce à celui qui est peut être le plus grand génie de tous les temps : Albert Einstein. 

Un nouveau modèle : la relativité générale

La physique essaie de décrire la nature grâce à ce qu’on appelle des modèles physiques qui essaient de refléter au maximum la réalité du monde. Ces modèles physiques ou théories physiques mettent en jeu des lois mathématiques. Grâce à ces lois, nous pouvons expliquer des phénomènes, les reproduire en laboratoire ou plus encore, les prédire. La théorie de la gravitation de Newton, basée sur des principes physiques et des lois mathématiques précises, est un modèle qui est censé expliquer le mouvement des corps.

Mais attention, tous ces modèles possèdent des domaines d’application. C’est à dire qu’on ne peut pas les appliquer n’importe où et à n’importe quel système ou objet étudié. En effet, ces modèles et théories ne sont que des approches de la réalité, on ne pourra jamais expliquer la nature avec une précision infinie. Par exemple, pour des objets très petits, comme les atomes ou électrons, nous ne pouvons pas appliquer le même modèle ou la même théorie que pour des objets beaucoup plus grands que nous pouvons voir.

Au début du siècle, en 1905, un scientifique allemand, Albert Einstein (1879-1955), propose une théorie révolutionnaire appelée la relativité restreinte qui stipule que la notion de durée ou de temps dépend de l’endroit où l’on se place dans l’étude des objets allant à une vitesse proche de la lumière. Suite à cette théorie validée par l’expérience, Einstein se rend compte qu’elle est incompatible avec la théorie de Newton expliquant le mouvement des corps car dans le modèle de Newton, le temps perçu est absolu c’est à dire qu’il ne dépend pas de l’endroit où se place un observateur. Einstein va alors élaborer un nouveau modèle expliquant la mécanique et le mouvement des corps. Ce nouveau modèle s’appellera la relativité générale.

Contrairement au modèle de Newton, cette théorie stipule que l’espace dans lequel nous nous trouvons est lié au temps. Einstein appelle ce nouvel espace, l’espace-temps. 

Dans ce nouveau modèle, la gravitation n’est plus liée à un système de forces mais à la déformation, à la courbure de l’espace temps. De plus, Einstein montre notamment que, contrairement au modèle de Newton, la lumière peut être déviée par un objet très massique comme une planète ou un trou noir par exemple.

En 1919, la théorie de la relativité générale est validée par certaine expériences et observations. En effet, certains phénomènes qui restaient inexplicables ou qui n’étaient pas prédits par les calculs de la gravitation de Newton sont expliqués, prédits par la théorie de la relativité générale puis seront vérifiés par la suite. C’est le cas de la déviation des étoiles apparentes par le soleil, la période de précession du périhélie de mercure autour du soleil, etc. 

Cependant, même si la relativité générale d’Einstein et la gravitation de Newton apparaissent comme des modèles complètement différents, ces deux théories donnent des résultats similaires la plupart du temps, comme par exemple, le mouvement des objets sur la terre. La relativité est valable sur un domaine plus large, c’est à dire qu’elle arrive à expliquer en plus le comportement d’objets allant à une vitesse proche de la lumière ainsi que des systèmes très massiques (étoiles, trous noirs) ou très grands comme l’univers global (théorie du big bang), comportements où le modèle de Newton reste insuffisant.

Vers une superthéorie unique ?

Aujourd’hui, la gravitation de Newton n’est pas abandonnée et est englobé dans le modèle d’Einstein, c’est à dire que l’on continue à l’utiliser sauf quand elle n’est plus valable.

Mais le modèle de la relativité générale n’explique pas tout. En effet, l'étude du comportement des petites particules telles le électrons, noyaux, atomes a été l'enjeu du XXième siècle. Pour de tels microscopiques objets, une nouvelle physique a été élaborée : la mécanique quantique ou physique quantique. Cette nouvelle physique nous décrit un univers microscopique dans lequel des particules possèdent un comportement totalement fascinant qui n’a rien à voir avec le comportement des objets que nous voyons et avec lesquels nous vivons tous les jours. Cette physique, étonnante mais efficace, compliquée mais rigoureuse, est en plein développement et propose de plus en plus d’applications extraordinaire. Cette physique est compatible avec trois des quatre interactions qui régissent la nature : l'interaction électromagnétique, l'interaction forte et l'interaction faible. Le tout forme un modèle appelé le modèle standard. Ce modèle, applicable au monde microscopique n'est pas compatible aujourd'hui avec le modèle de la gravitation de la relativité générale. La relativité générale n'explique donc pas la cohésion de la matière ni le comportement des particules microscopiques.

Malheureusement, le modèle de la relativité générale et celui de la physique quantique restent incompatibles aujourd’hui sur de nombreux points. Le défi des physiciens du XXIème siècle serait de trouver un nouveau modèle qui puisse à la fois rassembler ces deux modèles : unifier l’infiniment grand avec l’infiniment petit. Quelques théories envisagées comme la théorie des cordes, ou des supercordes font aujourd’hui l’objet de beaucoup études.

Mais la quête tant espérée du physicien d’unifier les modèles en une superthéorie aboutira-t-elle un jour ? A de nombreuses reprises au cours des siècles, le physicien du monde a du remettre en question ses savoirs, a du faire preuve d’humilité  devant l’extrême complexité de la nature, devant sa beauté, devant son mystère…