Dans la tête de Newton

Newton ne fut ni un génie solitaire (comme on l’a longtemps présenté), ni le simple maillon d’une intelligence collective (comme on tend à le réduire aujourd’hui). Il faut combiner ces deux approches pour comprendre comment fut réalisée l’une des plus grandes découvertes de l’histoire des sciences : la loi de la gravitation universelle.

La légende veut qu’un jour, allongé sous un pommier, le jeune Isaac Newton vît une pomme chuter à ses côtés. Il aurait alors connu une illumination : la loi de la gravitation universelle venait d’être découverte !

On se doute bien que les choses ne se sont pas vraiment passées ainsi. Il fallait plus que la simple chute d’un fruit pour démontrer les trois lois de l’attraction universelle, exposée en 1687 dans les Principia mathematica.

Essayons tout de même de nous glisser dans les pensées de Newton pour savoir comment il est parvenu à sa grande découverte.

Qu’une pomme ou tout autre objet pesant soit attiré vers le sol, inutile de s’appeler Newton pour le savoir. Mais comment expliquer que la Lune, cette grosse boule de pierre, ne tombe pas sur Terre ? Depuis Aristote, les savants avaient résolu cette énigme en admettant que les lois physiques ne concernent pas les astres. La gravité s’exerce autour de la Terre : la pierre qu’on lance finit par retomber ; de même, la pluie tombe des nuages. Mais au-delà d’une certaine distance, à partir de la Lune, l’attraction terrestre ne s’exerce plus. Les astres sont mus par d’autres forces – mystérieuses – qui les font tourner dans le ciel.

« Faux ! » pense Newton. La Lune est bien attirée par la Terre. Elle ne tombe pas parce qu’une autre force agit sur elle qui tend à l’éloigner. Regardez la trajectoire d’un boulet de canon : il suit une courbe. Son mouvement est dû à la somme de deux forces : l’une est l’impulsion initiale (qui le fait partir en ligne droite), l’autre est la gravité qui l’attire vers le sol. La somme de ces forces produit une courbe proche d’un arc de cercle.

Un arc de cercle ! Mais alors, la Lune qui tourne autour de la Terre ne serait-elle pas mue, elle aussi, par deux forces combinées ?

Voilà l’idée clé.

Reste bien sûr à décrire précisément ces forces, préciser leur direction, leur intensité et calculer leur résultante… Une fois le résultat obtenu, il pourra être transposé à tous les corps : la Lune, le Soleil, les étoiles, les boulets de canon et les pommes. Une même loi agit dans tout l’Univers : l’attraction est universelle !

Sur les épaules des géants

Pour parvenir à ce résultat, Newton n’était évidemment pas parti de rien. Tout d’abord, des prédécesseurs avaient préparé le terrain. Newton est né le jour de Noël 1642, l’année de la mort de Galilée (1564-1642). Ses contributions majeures portaient sur la loi de la chute des corps dans le vide et l’astronomie, grâce à l’usage de la lunette astronomique ¹. Surtout, le savant italien avait mis en évidence que « la nature est écrite en langage mathématique », ce qui signifie que l’on peut appliquer les mathématiques aux lois physiques. Newton a intégré ces concepts clés.

Avant Galilée, il y avait eu Kepler (1571-1630) qui avait démontré que les planètes suivaient une trajectoire elliptique et, encore avant lui, Copernic (1473-1543) qui avait supposé que la Terre tourne autour du soleil. Bien d’autres savants (comme Tycho Brahé, Giordano Bruno et d’autres moins connus) avaient participé aux connaissances astronomiques dont Newton a hérité.

Ce n’est pas tout. Newton a inventé le calcul infinitésimal, pour déterminer la trajectoire des planètes, mais cette invention eût été impossible sans Descartes (mort quand il avait 8 ans) fondateur de la géométrie algébrique ou sans Pierre de Fermat et Isaac Barrow (son professeur de mathématiques à Cambridge) qui ont posé des jalons importants dans le domaine.

Newton a certes rendu hommage à ses prédécesseurs avec sa fameuse formule « Je ne suis qu’un nain grimpé sur les épaules des géants ». Mais cet assaut de modestie ne doit pas être pris au pied de la lettre : l’humilité n’était pas la qualité première du savant. S’il reconnaît sa dette aux grands hommes qui l’ont précédé, il s’est bien gardé de citer ses contemporains. Or, Newton était en contact avec une pléiade de physiciens et mathématiciens qui travaillaient sur des sujets proches des siens et qui lui ont offert un fertile terreau.

Newton a fait toute sa carrière scientifique au Trinity College, la prestigieuse université de Cambridge où il a été étudiant puis professeur. Il a fait partie de la Royal Society (la Société royale de Londres pour l’amélioration des connaissances naturelles), la première des grandes académies scientifiques européennes. Il a donc fréquenté des savants de premier plan comme Robert Boyle, Robert Hooke, Christian Huygens, Edmond Halley et bien d’autres.

Ce réseau d’académies fut un creuset de la science moderne. Les savants y entretenaient des liens à la fois de coopération, de partages d’idées et de concurrence acharnée : ce que l’on nomme parfois la « coopétition » (une alliance de coopération et compétition) typique de la sociabilité scientifique.

Le savoir et le pouvoir : des enjeux imbriqués

Il n’est plus possible de raconter l’histoire d’une découverte comme le seul fait d’un génie solitaire, sans prendre en compte tout l’arrière-plan historique et social dans lequel il évolue.

Mais élargissons maintenant le cercle des influences.

Newton et les savants de l’époque s’intéressaient au mouvement des planètes parce qu’il représentait une des grandes énigmes de la nature : quelles lois gouvernent l’Univers ? Mais le savoir astronomique comportait un autre enjeu, plus prosaïque : la connaissance du mouvement des planètes était nécessaire pour la navigation en haute mer, un défi majeur pour le commerce maritime. À l’époque, les monarchies européennes se livraient à une compétition pour la maîtrise des océans, voies d’accès aux lointaines contrées d’Amérique ou des Indes. Le premier arrivé pouvait créer des comptoirs et faire du commerce.

Voilà aussi pourquoi, à Londres, Paris ou Berlin, les rois et princes soutenaient activement la science et les savants. Il s’agissait non seulement d’assurer son prestige en s’entourant des meilleurs esprits (savants et artistes de talent), mais aussi et surtout de gagner cette course folle à travers les océans pour s’approprier les richesses des îles lointaines. L’époque de Newton fut aussi celle des corsaires et pirates, des grandes « Compagnies des Indes » créées par les Hollandais, Anglais et Français dont les navires sillonnaient les océans en quête d’or, d’épices et autres précieux butins.

Récemment, des historiens ont mis au jour ces liens de dépendance entre la science de Newton et tout cet arrière-plan économique et social. L’historien britannique Simon Schaffer a montré que Newton a bénéficié de nombreuses données astronomiques recueillies par les navires de commerce ². James Poskett, sociologue des sciences, prétend même qu’il y a un lien direct entre les travaux de Newton et l’entreprise coloniale ³. Pour ses calculs, Newton a notamment utilisé des données recueillies par l’astronome Jean Richer qui fit plusieurs grands voyages à Cayenne (colonie française) et en Afrique de l’Ouest à bord de navires affrétés pour le commerce des esclaves.

Histoire des idées contre histoire sociale ?

Récapitulons. Il est clair que Newton ne fut pas « seul ». Il avait des prédécesseurs, des collègues, des informateurs anonymes, des instruments d’observation et il disposait de savoirs accumulés dans les livres et bibliothèques à sa portée. La centralisation de ces ressources scientifiques a été encouragée par des États animés par des objectifs de puissance dans le cadre d’une compétition impériale.

Il n’est donc plus possible d’envisager ses découvertes comme celle d’un héros solitaire. Il est impossible d’ignorer que le progrès scientifique est conditionné par des facteurs politiques, sociaux et économiques ⁴.

Ceci étant acquis, faut-il s’en tenir là et considérer la découverte de l’attraction universelle comme la somme des influences externes qui ont guidé Newton ? Faut-il renverser la causalité : basculer d’une approche « internaliste » qui centrait le regard vers un individu et ses pensées à une approche « externaliste » qui met au premier plan les influences sociales et économiques externes ⁵ ?

Ce serait changer de lunette pour une autre, tout aussi déformante. Car si la pensée de Newton doit beaucoup aux influences extérieures, il a bien fallu que ces influences externes se concentrent et se cristallisent dans un cerveau pour aboutir à une synthèse nouvelle.

Pour comprendre la logique de la découverte, dans son ensemble, il faut donc tenter d’articuler à la fois les facteurs externes et le moment singulier de la création.

Car il se trouve que Newton a conçu son système de la nature dans des moments de relatif isolement. L’une des périodes les plus créatives de sa carrière scientifique, celle où il met au point le calcul infinitésimal et crée son nouveau télescope date des années 1666 à 1668. À ce moment précis, il est loin de Cambridge et de ses collègues. Une épidémie de peste se répandant en Angleterre, l’université de Cambridge a décidé de fermer ses portes et, durant deux ans, a assigné tout le personnel à résidence : le « confinement » n’a pas été inventé avec le Covid-19 ! Newton est alors retourné au manoir de Woolsthorpe (sa maison natale, à 180 km au nord de Londres) où il a mené seul ses recherches.

De retour à Cambridge, deux ans plus tard, le brillant étudiant a été nommé professeur de mathématiques. Puis, en 1672, il intégrait le cercle prestigieux de la Royal Society où il a présenté ses découvertes en optique. Le télescope de son invention a impressionné ses collègues. En revanche, ses travaux sur la lumière furent accueillis avec scepticisme – notamment par Robert Hooke qui défendait une théorie ondulatoire. Newton fut très affecté par les critiques, et sa susceptibilité l’a même poussé à vouloir démissionner de la Royal Society. Si les membres de l’institution l’en ont dissuadé, il va, à partir de ce moment, se replier dans sa coquille. Durant les années 1670, il a mené ses recherches en limitant au maximum ses contacts avec ses pairs. Ce repli volontaire était conforme à une personnalité peu sociable et orgueilleuse. Cette seconde période d’isolement volontaire fut la plus fertile de sa vie. C’est alors qu’il a rédigé son Traité d’optique (1675) et découvert les lois de la gravitation ⁶.

Révolution sous un crâne

Il est bien sûr impossible d’entrer dans la tête de Newton et de connaître les méandres exacts de sa pensée, mais on peut émettre quelques hypothèses.

L’idée d’une « illumination soudaine » liée à la chute d’une pomme relève évidemment de la légende : Newton a contribué lui-même à la propager ⁷. En fait, Newton ne s’est jamais attardé sur cette histoire de pomme. À la question « Comment vous y êtes-vous pris pour faire votre découverte ? », il répondit par cette formule lapidaire : « En y pensant toujours. ⁸ » Le cheminement mental de Newton fut celui d’un chercheur entièrement investi et obnubilé par ses recherches. Et son mode de raisonnement n’est pas si original qu’on pourrait le croire.

Sa découverte ne relève pas de la « pensée divergente » d’un marginal qui aurait soudain vu le monde sous un tout nouveau jour. Depuis Copernic, les élites savantes admettaient que des lois semblables gouvernaient le mouvement des planètes. Descartes avait imaginé que les astres étaient mus par des tourbillons de matière invisible (comme les nuages sont poussés par le vent). Robert Hooke pensait que la force d’attraction était comparable à celle d’un aimant.

La façon de raisonner de Newton n’était pas différente de celle de tous ses contemporains. Tous disposaient des mêmes données, forgeaient des hypothèses voisines et utilisaient des outils mathématiques plus ou moins sophistiqués selon leur maîtrise de cette science.

Pourquoi est-ce lui et pas un autre qui a fait cette découverte ? En fait, il a été confronté à plusieurs querelles de priorités.

Robert Hooke, son principal concurrent, a accusé Newton de l’avoir plagié. Il est vrai qu’il avait pressenti (et communiqué à Newton par courrier) la loi de proportionnalité de l’attraction. Mais Newton avait rétorqué qu’il ne suffisait pas de supposer une loi, encore fallait-il la démontrer. Et il est vrai que R. Hooke, par ailleurs savant universel et expérimentateur hors pair, n’avait pas le niveau nécessaire en mathématiques pour la valider. Leibniz et Newton se sont opposés aussi pour savoir qui avait découvert le premier le calcul infinitésimal. Et la question fait débat. Mais Newton avait incontestablement une avance en astronomie.

Les découvertes simultanées sont fréquentes en histoire des sciences. Leurs fréquences contredisent le mythe du génie solitaire. Lors d’une même époque, des savants travaillent sur des sujets similaires, avec des méthodes et des informations voisines. Pourquoi l’un perce-t-il en premier plutôt que l’autre ? Ce qui a permis à Newton d’aller plus loin et plus vite que d’autres est peut-être une capacité d’abstraction et une puissance de travail hors pair, mais il n’y a rien a priori de mystérieux ou d’exceptionnel dans sa démarche intellectuelle.

Les pensées intérieures de Newton étaient celles d’un physicien qui cherchait à comprendre, à l’instar de ses contemporains, le mouvement des planètes. On connaissait leur trajectoire (grâce à Copernic, Kepler et d’autres) ; des avancées décisives avaient été faites, depuis Galilée, pour « mathématiser la nature » et appliquer les mathématiques aux mouvements des corps. Les télescopes et voyages d’exploration avaient permis de préciser les données. Rien n’est totalement original dans la découverte des trois lois du mouvement ⁹. Ni dans l’estimation de la force de la gravitation (estimée par R. Hooke).

Mais il fallait harmoniser tout cela en une synthèse ; faire concorder des modèles et de nouvelles données. Newton a testé des hypothèses, fait des calculs, a connu des moments de doute et de découragement suivis de « déclics ».

Ce processus de création fut long et tortueux. À plusieurs moments, il a failli abandonner, découragé par des distorsions entre les données et ses modèles, et ce n’est qu’au terme de longues et tortueuses investigations qu’une vision d’ensemble s’est dégagée.

In fine, si Newton a bénéficié des apports de ses prédécesseurs, il a opéré seul la jonction entre les données disponibles pour établir les lois du mouvement.

La découverte de la loi d’attraction universelle ne fut donc ni celle d’un génie solitaire ni l’émergence soudaine d’une « intelligence collective » ; il a juste fallu qu’à un moment donné un esprit unique centralise dans son cerveau des savoirs épars pour en réaliser une synthèse.

L’exemple de Newton montre que la science est bien une aventure collective poussée par des intérêts qui ne sont pas qu’intellectuels. Mais il n’en reste pas moins que chaque découverte se réalise à un moment précis dans un cerveau unique, qui s’empare des savoirs, les rassemble, les réorganise et opère des jonctions inédites pour forger une vision nouvelle.

Newton s’est bien hissé « sur les épaules de quelques géants » et de nombreuses petites mains anonymes. Mais à partir de là, il a tout de même réussi à voir et concevoir ce que d’autres n’avaient pas réussi avant lui.

La nouvelle vie de Newton

Peut-être Newton aurait-il gardé ses découvertes dans ses carnets, s’il ne fut poussé à sortir de son silence par un jeune homme venu frapper un jour à sa porte un beau jour de 1684. Edmond Halley (le découvreur de la comète qui porte son nom) était venu l’interroger sur les lois de Kepler et les orbites elliptiques des planètes. Les résultats obtenus par Newton des années plus tôt avaient fortement impressionné E. Halley qui souhaitaient les voir publier.

Ce qui fut fait en 1687, avec la parution des Principia mathematica, ouvrage dont E. Halley a financé lui-même l’impression. Le succès fut immédiat. La découverte des lois du mouvement fit aussitôt entrer Newton dans le panthéon des génies de la science où il ne sera égalé que bien plus tard par Einstein.

En 1703, il est élu à la tête de la Royal Society. À ce moment, ses travaux scientifiques sont terminés et il s’intéresse désormais plutôt à la théologie qu’aux sciences.

Il a également abandonné son poste à l’université, car nommé à la direction de la monnaie, sorte de direction du Trésor où il se préoccupe surtout de lutter contre les faux-monnayeurs, une tâche dont il s’acquitte avec beaucoup de zèle. Il en fait arrêter environ 200, les met aux fers et conduit personnellement les interrogatoires. La torture était interdite, mais on soupçonne qu’elle fut pratiquée – Newton a fait disparaître les comptes rendus de ces interrogatoires – et c’est ainsi qu’il aurait obtenu les aveux de William Charroney, un caïd d’envergure, qui fut ensuite condamné à mort, écartelé et pendu.

En tant que financier, Newton avait l’occasion de suivre de près les affaires commerciales du pays. Il a investi personnellement beaucoup d’argent dans la Compagnie des Indes, une affaire très lucrative qui donnait lieu à des spéculations effrénées. Lors du krach financier de 1720 (l’un des premiers de l’histoire du capitalisme), Newton y perdit une grande partie de la fortune qu’il avait accumulée. Il en tira cette leçon désabusée : « Je sais prédire le mouvement des planètes, mais pas la folie des hommes. » •

Les premières académies savantes

La « Royal Society » est la première des grandes académies scientifiques européennes. Elle a été créée en 1660 à l’initiative d’un groupe de savants (dont Robert Boyle, John Evelyn, Robert Hooke, William Petty) qui ont ensuite reçu le soutien (et le financement) de Charles II, le roi d’Angleterre.

Elle va servir de modèle à d’autres sociétés savantes bientôt créées en Europe.

Dès 1666 apparaît l’Académie des sciences de Paris, à l’instigation de Louis XIV (qui ne veut pas en être en retard sur les Anglais).

En 1700, le prince Frédéric II de Prusse crée l’Académie des sciences de Berlin. À son tour, l’empereur Pierre le Grand va inaugurer l’Académie des sciences de Saint-Pétersbourg en 1724 et l’Académie de Stockholm voit le jour en 1739. Chaque académie avait à cœur de faire connaître ses travaux, rédiger des comptes rendus de séances et publier un journal. Elles se disputaient les meilleurs esprits et offraient les meilleures conditions pour attirer les savants les plus brillants. Certains étaient d’ailleurs membres de plusieurs de ces institutions. C’est le cas des frères Cassini, de Christian Huygens, de Buffon (membres de la Royal Society et de l’Académie royale des sciences de Paris) ou de Leibniz (qui siègeait à la Royal Society et à l’Académie de Berlin). Maupertuis a été membre de l’Académie des sciences de Paris, puis a rejoint celle de Berlin. Le mathématicien Euler était membre de l’Académie de Saint-Pétersbourg, quand il fut appelé par celle de Berlin.

La révolution scientifique a-t-elle eu lieu ?

N ewton est associé avec Galilée et quelques autres à la « révolution scientifique » du 17e siècle. À l’époque, une nouvelle représentation du monde est en train de s’imposer : la Terre n’est pas au centre de l’Univers et la nature est gouvernée par des lois qui s’expriment en termes mathématiques. Le savoir progresse aussi par les observations et les expériences. Le microscope a fait découvrir le monde de l’infiniment petit, le télescope celui de l’infiniment lointain.

L’idée d’une « révolution scientifique » a été forgée par l’historien Alexandre Koyré (dans Du monde clos à l’univers infini, 1957 et La Révolution astronomique, 1961) et popularisée par le sociologue des sciences Thomas Kuhn dans La Structure des révolutions scientifiques (1962). Selon ce dernier, la science ne progresse pas de façon linéaire, mais avance par bonds. Après de longues périodes stables, où un même cadre mental que Kuhn nomme « paradigme » domine, survient une période de crise qui précède l’avènement d’un nouveau paradigme. C’est ainsi que la physique d’Aristote est « remplacée » par la révolution scientifique du 17e siècle, portée par Kepler, Galilée et Newton, laquelle sera, à son tour, supplantée par Einstein et la physique moderne (théorie des quantas et théorie de la relativité). Toutefois, cette vision d’une science qui avance par bonds n’a plus la faveur des historiens des sciences d’aujourd’hui.

« La révolution scientifique n’a jamais existé », écrit en 1996 Steven Shapin ¹⁰, titulaire de la chaire d’histoire des sciences à Harvard.

Tout d’abord, l’idée de révolution suppose un brusque changement. Or, la science du 17e siècle (celle de Galilée et Newton) n’était pas si nouvelle. Dès le Moyen Âge, des penseurs chrétiens comme le pape Gilbert d’Aurillac, Albert le Grand et d’autres promeuvent l’idée d’une science nouvelle fondée sur l’observation du « livre de la nature » plutôt que sur le « livre sacré » (la Bible). Leur nouvelle science s’inspire des savoirs en astronomie, médecine et mathématiques importés en Occident du monde arabe. De même, à la Renaissance la science (mécanique, mathématiques) a fait de grands progrès qui se poursuivent aux siècles suivants. La supposée révolution scientifique a donc été précédée par plusieurs siècles de progrès continus.

Qu’est-ce que la loi de l’attraction universelle ?

Les Principia mathematica (Principes mathématiques d’une philosophie naturelle) qui paraissent en 1687 est le maître ouvrage d’Isaac Newton dans lequel il expose la loi de l’attraction universelle.

Les Principia exposent d’abord les trois « lois du mouvement » qui gouvernent tous corps sur Terre et dans l’Univers.

1. La loi d’inertie

Un objet qui a reçu une impulsion initiale continue indéfiniment son mouvement si rien ne l’arrête. Cette loi est contre-intuitive : on a l’expérience qu’une boule qu’on pousse sur un billard finit par s’arrêter, mais c’est en raison des frottements qui la freinent ; dans le vide, elle poursuit son mouvement à l’infini. C’est ce qui se déroule dans l’espace avec les satellites : ils n’ont pas besoin d’un moteur pour les faire avancer. L’impulsion initiale suffit.

2. La loi de composition des forces

Le mouvement d’un corps est lié à la somme des forces qui agissent sur lui. Le boulet de canon ou le satellite suivent une courbe qui est la somme de leur impulsion initiale et de l’attraction terrestre.

3. L’action réciproque

Tous les corps ayant une certaine masse s’attirent les uns les autres (comme des aimants). La Terre attire la Lune et inversement la Lune attire également la Terre (en plus faible proportion de sa masse), et elle est ainsi responsable du mouvement des marées.

4. La loi de l’attraction universelle

Exposée dans les Principia, la loi de l’attraction universelle est considérée comme la « quatrième loi ». L’idée que cette attraction soit inversement proportionnelle au carré de la distance avait été déjà proposée par Robert Hooke, mais il revient à Newton d’en avoir fait la démonstration mathématique (sans qu’il signale cette influence dans son livre).