Isaac Newton

Isaac Newton était un mathématicien, physicien et astronome anglais – dans le langage de son époque, un « philosophe naturel ». Il est surtout connu pour son livre Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Principes mathématiques de la philosophie naturelle), généralement appelé les Principia, publié pour la première fois en 1687. Il y formula les lois du mouvement et la loi de la gravitation universelle, qui expliquaient ensemble les mouvements des objets sur Terre et ceux des planètes, de la Lune et des comètes dans le ciel.

Newton fit également des découvertes fondamentales en optique, montrant que la lumière du soleil est un mélange de couleurs et construisant le premier télescope à réflexion pratique. En mathématiques, il développa le calcul infinitésimal, la mathématique du changement, à peu près à la même époque que le philosophe allemand Gottfried Wilhelm Leibniz, ce qui donna lieu à l'un des différends les plus amers de l'histoire des sciences.

La Stanford Encyclopedia of Philosophy divise sa vie en quatre périodes : sa jeunesse avant Cambridge ; ses années à Cambridge jusqu'aux Principia ; environ une décennie de célébrité et d'agitation croissante ; et trois décennies à Londres, où il dirigea la Royal Mint. Presque toutes ses grandes découvertes furent faites pendant les années de Cambridge.

Newton naquit à Woolsthorpe Manor, près de Grantham dans le Lincolnshire, le jour de Noël 1642 selon le calendrier alors utilisé en Angleterre (4 janvier 1643 dans le calendrier moderne), moins d'un an après la mort de Galilée. Son père, un fermier, était mort deux mois plus tôt. Quand Isaac avait trois ans, sa mère Hannah se remaria et déménagea, le laissant chez ses grands-parents. Elle revint avec trois autres enfants en 1653, après la mort de son second mari.

Il alla à l'école à Grantham et fut ramené à la maison en 1659 pour gérer la ferme, ce qu'il fit mal. Son oncle et son maître d'école persuadèrent sa mère qu'il devait plutôt aller à l'université, et en 1661 il entra au Trinity College de Cambridge, plus âgé que la plupart de ses camarades. Il paya d'abord ses études en accomplissant des tâches de domestique, jusqu'à ce qu'il obtienne une bourse en 1664.

Ce furent les années les plus troublées de l'histoire anglaise : la guerre civile commença en 1642, le roi Charles Ier fut exécuté en 1649, Oliver Cromwell gouverna en tant que lord protecteur, et la monarchie fut restaurée sous Charles II en 1660, année de la fondation de la Royal Society de Londres. On ignore dans quelle mesure ces bouleversements affectèrent la famille de Newton, mais ils transformèrent profondément la vie intellectuelle anglaise.

À Cambridge, l'enseignement officiel reposait encore sur Aristote, mais dès 1664 Newton lisait de son côté les œuvres de René Descartes et s'enseignait lui-même les mathématiques les plus récentes. De l'été 1665 au printemps 1667, l'université fut fermée à cause de la peste, et Newton passa presque tout ce temps à Woolsthorpe. Cette période est souvent appelée son annus mirabilis, ou « année merveilleuse ».

Durant ces mois, il fit ses premières découvertes expérimentales sur la lumière et la couleur, élabora les mathématiques du mouvement circulaire, et remarqua un lien entre une force en raison inverse du carré de la distance et la règle de Kepler reliant les périodes des planètes à leurs distances au Soleil. À la fin de 1666, selon la Stanford Encyclopedia, il était devenu de fait le premier mathématicien du monde, ayant découvert le calcul infinitésimal, qu'il appelait la méthode des « fluxions ».

La célèbre pomme appartient à cette période. Vers la fin de sa vie, Newton raconta à son ami William Stukeley que l'idée de la gravité lui était venue « à l'occasion de la chute d'une pomme » alors qu'il était assis dans un jardin, se demandant pourquoi elle tombait toujours tout droit vers le centre de la Terre. Le mari de sa nièce, John Conduitt, donna un récit similaire. Certains chercheurs doutent de certains détails de l'histoire, mais elle vient de Newton lui-même ; rien n'indique que la pomme lui soit tombée sur la tête.

Avant Newton, beaucoup de gens pensaient qu'un prisme de verre ajoutait en quelque sorte des couleurs à la lumière blanche. Newton fit passer un faisceau étroit de lumière solaire à travers un prisme dans une pièce obscure et découvrit que la bande de couleurs – qu'il appela le spectre – était longue et fine plutôt que ronde. Il en conclut que la lumière blanche est un mélange de rayons qui se courbent d'inégales manières. Avec une lentille et un second prisme, il pouvait recombiner les couleurs en lumière blanche, et une seule couleur passée à travers un autre prisme ne changeait pas.

Cela l'amena à penser que les lentilles des télescopes ordinaires floutaient toujours les images avec des franges colorées. Pour éviter ce problème, il construisit un télescope qui utilisait un miroir courbe plutôt qu'une lentille pour recueillir la lumière. Son premier télescope à réflexion fut prêt à la fin de 1668 ; en 1671, la Royal Society demanda une démonstration, et il fut élu Fellow en 1672.

En 1672, son article sur la lumière et les couleurs fut lu devant la Royal Society et imprimé dans ses Philosophical Transactions. Il déclencha des années de controverse avec des critiques, dont Robert Hooke et Christiaan Huygens, ce qui agaça tant Newton qu'il se retira du débat public. Son exposé complet, l'Opticks, ne parut qu'en 1704, après la mort de Hooke, écrit en anglais, avec des éditions ultérieures ajoutant de célèbres « Queries » sur la nature de la lumière et de la matière.

En 1669, Newton devint professeur lucasien de mathématiques à Cambridge. Pendant plusieurs années, il montra peu d'intérêt pour les orbites des planètes, jusqu'à ce qu'une lettre de Hooke, fin 1679, lui demande quelle courbe suivrait un corps soumis à une force qui s'affaiblit avec le carré de la distance. En août 1684, l'astronome Edmond Halley se rendit à Cambridge et posa la même question. Newton répondit aussitôt : une ellipse. Il ne put retrouver son calcul, mais en novembre il envoya à Halley un traité de neuf pages, De motu corporum in gyrum (Sur le mouvement des corps en orbite).

Encouragé par Halley, Newton passa les deux années et demie suivantes à développer ces dix propositions pour en faire les Principia, une œuvre latine d'environ 500 pages comportant 192 propositions dérivées. La Royal Society avait épuisé son budget d'édition, si bien que Halley finança lui-même l'impression. Environ 300 exemplaires parurent en juillet 1687. Le Livre 1 traite du mouvement sans résistance ; le Livre 2 aborde le mouvement dans des fluides résistants et s'oppose à la théorie de Descartes selon laquelle les planètes sont entraînées par des tourbillons de matière ; le Livre 3, « Sur le système du monde », applique la théorie au système solaire.

Le livre commence par des définitions et trois lois du mouvement : un corps reste au repos ou se déplace en ligne droite à moins qu'une force n'agisse sur lui ; le changement de mouvement est proportionnel à la force ; et à toute action correspond une réaction égale et opposée. À partir de celles-ci et de la loi selon laquelle tout corps en attire un autre avec une force qui décroît avec le carré de la distance, Newton déduisit les lois de Kepler sur le mouvement planétaire et expliqua les trajectoires des comètes, les marées, le léger aplatissement de la Terre et le lent mouvement d'oscillation de son axe. C'était là un seul ensemble de lois pour le ciel et la Terre.

Newton révisa soigneusement les Principia pour une deuxième édition en 1713, éditée par Roger Cotes, et une troisième en 1726. La deuxième édition ajouta le Scholie général, où il déclarait qu'il n'avait pas encore trouvé la cause de la gravité et que « hypotheses non fingo » – « je ne feins pas d'hypothèses ».

Les Principia rendirent Newton célèbre. Après la Glorieuse Révolution, il siégea au Parlement pour l'université de Cambridge en 1689-1690, et se lia d'amitié avec le philosophe John Locke. En 1693, il subit ce qu'il décrivit lui-même comme un effondrement nerveux, dont il se remit à l'automne suivant. De plus en plus mécontent à Cambridge, il accepta le poste de directeur adjoint de la Royal Mint en 1696 et s'installa à Londres ; il devint directeur de la Monnaie à la fin de 1699 et conserva ce poste jusqu'à la fin de sa vie.

À la Monnaie, Newton prit son travail au sérieux. Pendant la Grande Refonte, il estima qu'un cinquième des pièces remises étaient fausses. Il enquêta et poursuivit lui-même des faux-monnayeurs – 28 en tout, dont le tristement célèbre William Chaloner, qui fut pendu – et améliora la précision des pièces. Son évaluation de l'or aida la Grande-Bretagne à se rapprocher de l'étalon-or. Il perdit aussi une somme importante dans la bulle des mers du Sud de 1720.

En 1703, il fut élu président de la Royal Society, et en 1705 la reine Anne l'anoblit. Il usa de sa position avec force. Lui et Halley publièrent les observations de l'astronome royal John Flamsteed contre sa volonté, s'en faisant un ennemi à vie. Newton mourut à Londres le 20 mars 1727 (calendrier julien), à 84 ans, et après avoir été exposé, il fut enterré dans la nef de l'abbaye de Westminster.

Newton avait développé sa méthode des fluxions en 1665-1666 et rédigé des traités plus complets dès 1671, mais il ne les publia pas ; personne ne voulait imprimer son long exposé. Au milieu des années 1670, il échangea des lettres sur les mathématiques avec Leibniz, entre autres, si bien que ses avancées n'étaient pas un secret. Leibniz commença à développer son propre calcul en 1674 et publia son premier article à ce sujet en 1684, en utilisant la notation différentielle encore standard aujourd'hui. Newton présenta une forme géométrique du calcul dans les Principia (1687), mais sa notation par fluxions n'apparut imprimée que partiellement en 1693 et plus complètement en 1704, dans des traités annexés à l'Opticks.

La tension se transforma en conflit ouvert en 1710, lorsque le mathématicien écossais John Keill accusa Leibniz, dans les Philosophical Transactions, de plagiat. Leibniz, membre de la Royal Society, fit appel à la Société pour obtenir justice. Le rapport du comité de 1712 donna raison à Newton – qui le contrôlait largement –, et en 1715 Newton publia une recension anonyme de ce rapport se faisant l'éloge de lui-même. Les historiens s'accordent aujourd'hui à dire que les deux hommes inventèrent le calcul indépendamment l'un de l'autre.

La querelle eut des effets durables. Elle élargit une scission entre les mathématiciens anglais proches de la Royal Society et le groupe continental travaillant avec le calcul de Leibniz, en particulier Johann Bernoulli – une division dans la pratique des mathématiques qui perdura longtemps après la mort de Leibniz en 1716. Elle rendit aussi, pour un temps, les penseurs continentaux, déjà mal à l'aise face à la gravité newtonienne agissant à distance sans aucun mécanisme, plus hostiles à sa physique.

Newton écrivit bien davantage sur l'alchimie et la religion que sur la physique. En 1669, il acheta des appareils chimiques et des livres d'alchimie, et mena pendant des décennies des expériences relevant de ce que les historiens appellent la « chymie » – le mélange d'alchimie et de chimie propre au XVIIe siècle. Il rédigea un important traité alchimique, Praxis, au début des années 1690, mais ne le publia jamais.

Ses études religieuses furent intenses et, pour son époque, dangereuses. Il en vint à rejeter le dogme de la Trinité, croyance centrale de l'Église d'Angleterre ; les chercheurs le décrivent comme antitrinitaire et peut-être proche de l'ancienne conception arienne. Il garda ces convictions largement cachées ; selon la Stanford Encyclopedia, la question des vœux religieux liés à sa chaire de Cambridge semble être ce qui, au départ, l'aurait poussé à étudier la Trinité. Il étudia aussi la prophétie biblique, reconstitua le Temple de Salomon à partir du texte biblique, et tenta de dater l'histoire ancienne à l'aide de l'astronomie ; certains de ces travaux furent publiés après sa mort, comme The Chronology of Ancient Kingdoms Amended (1728) et Observations upon the Prophecies of Daniel and the Apocalypse of St. John (1733).

Ces écrits restèrent largement inconnus pendant deux siècles. Après être passés entre les mains de la nièce de Newton, Catherine Barton, et de son mari John Conduitt, ils échurent aux comtes de Portsmouth. L'université de Cambridge conserva les papiers scientifiques après 1888, et le reste fut vendu aux enchères chez Sotheby's en 1936. L'économiste John Maynard Keynes racheta une grande partie des manuscrits alchimiques et les donna à Cambridge en 1946. L'étude sérieuse de ces papiers ne commença que dans les années 1970.

La Stanford Encyclopedia soutient que le cœur de l'accomplissement de Newton réside dans une nouvelle manière de relier la théorie aux faits. Il se méfiait de la « méthode des hypothèses » – proposer une explication audacieuse puis en vérifier certaines conséquences. Il insistait au contraire pour que des phénomènes précis déterminent chaque élément d'une théorie, de sorte que la seule étape provisoire fût la généralisation à partir de ces phénomènes. Sa quatrième règle de raisonnement, ajoutée à la troisième édition des Principia, dit que les propositions tirées des phénomènes par induction doivent être tenues pour exactement ou presque exactement vraies jusqu'à ce que d'autres phénomènes les rendent plus exactes ou révèlent des exceptions.

Cette position permit à Newton de laisser certaines questions ouvertes. Il ne prétendait pas savoir ce qui cause la gravité, ni si la lumière est faite de particules ou d'ondes, bien qu'il jugeât les particules plus probables. Des critiques comme Leibniz et Huygens se plaignaient qu'une force agissant à travers l'espace vide sans contact était une qualité « occulte ». Newton répondait que les preuves montraient qu'une telle force existe et obéit à une loi précise, et que cela suffisait à la science même sans en connaître la cause. De cette manière, soutiennent les historiens, son travail contribua à séparer la science empirique de la philosophie naturelle spéculative.

L'optique et la mécanique donnèrent naissance à deux traditions newtoniennes différentes : de l'Opticks, une tradition d'expérimentation minutieuse ; des Principia, une tradition de théorie mathématique. Toutes deux partageaient l'engagement de Newton à faire de l'expérience non seulement le juge des théories, mais le fondement de leur adoption.

Il fallut des décennies pour que la théorie de Newton soit généralement acceptée. La Stanford Encyclopedia décrit les années 1740 comme un tournant : des expéditions françaises en Laponie et au Pérou confirmèrent que la Terre est aplatie aux pôles comme Newton l'avait prédit, et des mathématiciens comme Clairaut, d'Alembert et Euler résolurent des problèmes qu'il avait laissés ouverts. La prédiction réussie par Clairaut du retour de la comète de Halley en 1759 convainquit une large part du public éduqué. Une grande partie de ce que nous appelons la « mécanique newtonienne », y compris la célèbre équation F = ma, qui n'apparaît nulle part dans les Principia, fut en réalité formulée par Euler au XVIIIe siècle, et la grande Mécanique céleste de Laplace (1799-1805) acheva le programme.

Newton devint un symbole des Lumières. Des écrivains comme Voltaire popularisèrent une vision du monde « newtonienne » en France, et des philosophes, de Locke et Berkeley jusqu'à plus tard, se demandèrent ce qui rendait la science des Principia si réussie. Hume et Adam Smith espéraient une science comparable des affaires humaines, et cette question contribua à créer la philosophie des sciences, à commencer par Kant. Les historiens avertissent cependant que de nombreux « newtoniens » du XVIIIe siècle avaient peu lu les difficiles Principia eux-mêmes, et que les idées attribuées à Newton par les vulgarisateurs diffèrent souvent nettement de ce qu'il a réellement écrit. Au XXe siècle, la relativité d'Einstein montra que la théorie de Newton ne vaut que comme une approximation extrêmement bonne.

Interpréter la personne de Newton est difficile. Il existe un contraste saisissant entre le Newton public des œuvres publiées et le Newton privé des manuscrits alchimiques et théologiques, qui ne devinrent largement connus qu'après 1936. Nous savons étonnamment peu de ce qui le motivait, et les biographes, comme le note un chercheur, nous en disent souvent autant sur eux-mêmes que sur Newton. Sa célèbre phrase tirée d'une lettre de 1675 à Hooke – « Si j'ai vu plus loin, c'est en me tenant sur les épaules de géants » – est elle-même débattue : certains historiens y voient de la modestie, d'autres une insulte voilée à Hooke, qui aurait été de petite taille, et l'expression était un proverbe bien connu longtemps avant Newton.