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Isaac Newton 1
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Le 4 janvier 1643, calendrier grégorien naît Isaac Newton

à Woolsthorpe, Lincolnshire, il meurt à 84 ans, le 31 mars 1727 à Kensington, Londres, philosophe, mathématicien, physicien, alchimiste, astronome et théologien anglais, puis britannique. Figure emblématique des sciences, il est surtout reconnu pour avoir fondé la mécanique classique, pour sa théorie de la gravitation universelle et la création, en concurrence avec Gottfried Wilhelm Leibniz, du calcul infinitésimal. En optique, il a développé une théorie de la couleur basée sur l'observation selon laquelle un prisme décompose la lumière blanche en un spectre visible. Il a aussi inventé le télescope à réflexion composé d'un miroir primaire concave appelé télescope de Newton.
En mécanique, il a établi les trois lois universelles du mouvement qui sont en fait des principes à la base de la grande théorie de Newton concernant le mouvement des corps, théorie que l'on nomme aujourd'hui « mécanique newtonienne » ou encore « mécanique classique ».

Il est aussi connu pour la généralisation du théorème du binôme et l'invention dite de la méthode de Newton permettant de trouver des approximations d'un zéro ou racine d'une fonction d'une variable réelle à valeurs réelles.
Newton a montré que le mouvement des objets sur Terre et des corps célestes sont gouvernés par les mêmes lois naturelles ; en se basant sur les lois de Kepler sur le mouvement des planètes, il développa la loi universelle de la gravitation.
Son ouvrage Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica2,3, écrit en 1686, est considéré comme une œuvre majeure dans l'histoire de la science. C'est dans celui-ci qu'il décrit la loi universelle de la gravitation, formule les trois lois universelles du mouvement et jette les bases de la mécanique classique. Il a aussi effectué des recherches dans les domaines de la théologie et l'alchimie.
Newton fut mathématicien et astronome aussi bien que physicien et mécanicien, expérimentateur aussi bien que théoricien. Il renouvela l'analyse et la géométrie en inventant le calcul différentiel et intégral, dont il partage la paternité avec Leibniz. Son analyse expérimentale et théorique des propriétés physiques de la lumière et des couleurs ouvrit un nouveau domaine, l'optique physique, riche de perspectives sur la constitution de la matière. Il unifia les lois de Kepler en astronomie et celles de la mécanique terrestre de Galilée en fondant la mécanique rationnelle par une définition précise de ses concepts fondamentaux (espace, temps, masse, force, accélération), par l'énoncé des lois générales du mouvement et la formulation mathématique des lois particulières, locales et instantanées (c'est-à-dire causales), pour des forces données, et en établissant sa théorie de la gravitation universelle.
Newton concevait sa physique comme partie prenante d'une « philosophie naturelle », imprégnée de l'idée d'un Dieu créateur immanent, qui n'est peut-être pas exactement le « Grand Horloger » qu'y verra Voltaire, car il est avant tout « le Seigneur ». Et son « serviteur », marqué par les idées néoplatoniciennes, fut par ailleurs préoccupé d'exégèse biblique, de théologie et d'alchimie, qui participaient à ses yeux de la recherche de la vérité au même titre que ses travaux en mathématique et en physique.

En bref

Figure majeure de l'histoire des sciences, Isaac Newton a fondé la mécanique classique avec sa théorie de l'attraction universelle (→ gravitation). Il a contribué aussi aux progrès de l'optique et de l'analyse mathématique, tout en consacrant beaucoup de temps à la théologie et à l'alchimie.
Né prématurément le jour de Noël, l'année même de la mort de Galilée, Newton est un enfant si chétif et malingre qu'on pense qu'il ne pourra pas vivre. Son père, propriétaire terrien, meurt avant sa naissance, et sa mère se remarie avec Barnabas Smith, recteur de North Witham. L'enfant, alors âgé de trois ans, est confié à sa grand-mère, qui lui fait faire ses premières études aux écoles primaires de Skilington et de Stoke, deux hameaux voisins de Woolsthorpe. À l'âge de douze ans, il est envoyé à l'école publique de Grantham et logé chez l'apothicaire de l'endroit. Il racontera lui-même qu'il était un élève fort peu attentif ; il préférait s'amuser à construire de petites machines, tels une espèce de clepsydre fort précise, un cadran solaire et un moulin mû par une souris qu'il appelait le « meunier » et qui, pour se nourrir, prélevait une partie de la farine qu'elle produisait. Il aimait aussi dessiner d'après nature ou selon son imagination, et les murs de sa petite chambre étaient couverts de dessins et de peintures.
Redevenue veuve en 1656, sa mère le rappelle à Woolsthorpe, pour l'employer à l'administration et aux travaux de la ferme. Mais ce genre d'occupation ne lui convient guère. Tandis qu'un vieux serviteur s'occupe des achats et des ventes dont on l'a chargé au marché de Grantham, Newton retourne chez son ancien hôte pour s'adonner à la lecture de vieux livres ou s'arrête même en chemin. La passion qu'il montre alors pour les sciences lui vaut, sur l'intervention d'un oncle, de poursuivre ses études à Grantham. Puis, à l'âge de dix-huit ans, il est envoyé au Trinity College de Cambridge, où il est vite distingué par son maître, le mathématicien Isaac Barrow (1630-1677). En 1665, il y obtient le degré de bachelier ès arts.
Cette même année, la peste sévit à Londres. L'université de Cambridge ferme ses portes, et Newton retourne à Woolsthorpe, où il reste jusqu'en 1667. C'est sans doute pendant cette période qu'il effectue ses principales découvertes. La tradition veut, notamment, qu'il ait eu l'idée de l'attraction universelle en voyant tomber une pomme : pourquoi la Lune, elle, ne tombe-t-elle pas ? Quelle est la force qui la maintient sur son orbite ? se serait-il alors demandé. Cette anecdote, rapportée à Voltaire par une nièce de Newton, n'a jamais été mentionnée par celui-ci et n'est probablement qu'invention. Néanmoins, Newton ne fait pas connaître les résultats qu'il obtient à cette époque, car il n'éprouve aucun besoin de publier. Comme l'a remarqué Fontenelle, on peut lui appliquer ce que Lucain a dit du Nil, dont les Anciens ne connaissaient point la source : « Qu'il n'a pas été permis aux hommes de voir le Nil faible et naissant. »
Après son retour à Cambridge, Newton acquiert les autres grades universitaires et obtient en 1669 la chaire de mathématiques, dont Barrow s'est dessaisi pour se consacrer à la théologie ; pendant vingt-six ans, il remplira avec zèle ses fonctions de professeur. En 1669, également, il rédige un compte rendu de ses découvertes mathématiques, le théorème du binôme généralisé et les fondements du calcul infinitésimal, pour le confier à Barrow ; ce compte rendu ne sera publié qu'en 1711.
L'œuvre de Newton constitue sans conteste le plus grand moment de la science moderne telle qu'elle s'est constituée après la Renaissance ; elle couronne les travaux exceptionnellement riches d'une pléiade de mathématiciens et de physiciens de génie. On pourrait généraliser la remarque qu'il fit lui-même à propos des recherches en optique de Descartes, Hooke et Boyle, dont il s'inspira : « Si j'ai vu plus loin, c'est parce que j'étais assis sur les épaules de géants. » Cette œuvre inaugura, par ses synthèses magistrales, une nouvelle ère de la pensée scientifique qui dura plus de deux siècles, et dont la science contemporaine est encore largement l'héritière, même après les nombreux bouleversements survenus en mathématique et en physique. Les autres sciences s'en inspirèrent également pour formuler les normes de scientificité dont elles avaient besoin pour s'établir, et la philosophie s'appuya sur elle dans son projet de fonder une nouvelle intelligibilité rationnelle postcartésienne.
Le savant et mathématicien anglais Isaac Newton (1642-1727). Philosophe et physicien, il est célèbre pour sa théorie de la gravitation universelle et tout le XIXe siècle a été marqué par ses conceptions de la physique.
Newton fut mathématicien et astronome aussi bien que physicien et mécanicien, expérimentateur aussi bien que théoricien. Il renouvela l'analyse et la géométrie en inventant le calcul différentiel et intégral, dont il partage la paternité avec Leibniz. Son analyse expérimentale et théorique des propriétés physiques de la lumière et des couleurs ouvrit un nouveau domaine, l'optique physique, riche de perspectives sur la constitution de la matière. Il unifia les lois de Kepler en astronomie et celles de la mécanique terrestre de Galilée en fondant la mécanique rationnelle par une définition précise de ses concepts fondamentaux (espace, temps, masse, force, accélération), par l'énoncé des lois générales du mouvement et la formulation mathématique des lois particulières, locales et instantanées (c'est-à-dire causales), pour des forces données, et en établissant sa théorie de la gravitation universelle.
Newton concevait sa physique comme partie prenante d'une « philosophie naturelle », imprégnée de l'idée d'un Dieu créateur immanent, qui n'est peut-être pas exactement le « Grand Horloger » qu'y verra Voltaire, car il est avant tout « le Seigneur ». Et son « serviteur », marqué par les idées néoplatoniciennes, fut par ailleurs préoccupé d'exégèse biblique, de théologie et d'alchimie, qui participaient à ses yeux de la recherche de la vérité au même titre que ses travaux en mathématique et en physique.

Sa vie

L'Angleterre n'ayant alors pas encore adopté le calendrier Grégorien, la date de naissance d’Isaac Newton est enregistrée en date du 25 décembre 1642, au manoir de Woolsthorpe près de Grantham, dans le Lincolnshire en Angleterre, de parents paysans. Son père meurt trois mois avant sa naissance et sa mère, Hannah Ayscough se remarie quand le petit Isaac a trois ans. Il est alors placé chez sa grand-mère sous la tutelle de son oncle ; son enfance semble ne pas être très heureuse. À cinq ans, il fréquente l’école primaire de Skillington, puis à douze ans celle de Grantham.
Né le 25 décembre 1642, selon le calendrier Julien, mais le 4 Janvier 1643 selon le calendrier Grégorien, quelques mois après le décès de son père, dans une famille de petits propriétaires terriens, Isaac fut un enfant de santé fragile. Sa mère, Hannah, le confia, lors de son remariage avec un pasteur anglican – Isaac avait alors trois ans –, à sa grand-mère et à son oncle, auprès desquels il passa ses années de jeunesse dans la maison familiale, dans le hameau de Woolsthorpe, près de Grantham (Lincolnshire). Son caractère se ressentit de cette situation, et il éprouva du ressentiment à l'égard de sa mère et de son beau-père. Plus tard, il ne connut pas de femme et ne se maria jamais. De cette période, on ne retient pas de traits particuliers de la personnalité du jeune Isaac, sinon une prédilection pour les constructions mécaniques et une grande habileté manuelle.
Sa mère revint à la maison familiale en 1653, à la mort du révérend, et voulut faire de son fils un fermier. Mais il n'en avait aucune vocation, et plusieurs personnes de son entourage l'encouragèrent à se préparer pour entreprendre des études universitaires, ce qu'il fit à l'école du comté. Quelques années plus tard, en 1661, Newton entra au Trinity College de Cambridge, où il fit ses études supérieures, devenant bachelor of arts en juin 1665. Il apprit la rhétorique scolastique et la logique aristotélicienne, reçut les leçons d' Isaac Barrow, s'imprégna des idées de l'école des néoplatoniciens de Cambridge, à laquelle appartenait Barrow et dont Henry More était le chef de file.
L'épidémie de peste ayant occasionné la fermeture de l'université, il mit à profit son séjour de dix-huit mois dans le Lincolnshire pour se livrer à la réflexion et à la recherche, posant les jalons de son œuvre scientifique.
En octobre 1667, Newton fut élu fellow du Trinity College, obtint le master of arts en 1668 et fut nommé « professeur lucasien » en 1669, à l'âge de vingt-six ans, succédant à son maître Barrow. En 1672, il devint membre de la Royal Society. Il entretint au long de sa vie une correspondance avec des savants et philosophes importants de Grande-Bretagne et du continent.
Associé étranger de l'Académie des sciences de Paris en 1699, président de la Royal Society de 1703 à sa mort, il fut ennobli par la reine en 1705. La fin de sa vie fut marquée par de vives controverses, dont celles avec Leibniz : l'une sur des questions de philosophie et de théologie, par Samuel Clarke interposé, l'autre sur la priorité quant à l'invention du calcul infinitésimal ou différentiel. Il fut intransigeant et impitoyable dans cette dispute, n'hésitant pas à rédiger lui-même, tout en le prétendant œuvre impartiale de la Royal Society, le Commercium epistolicum, et à modifier quelques passages des Principia sur la deuxième édition pour renforcer sa revendication de priorité.

L'étudiant et le chercheur de Cambridge

À dix-huit ans, il entre alors au Trinity College de Cambridge, il y restera sept ans, où il se fait remarquer par son maître, Isaac Barrow. Il a également comme professeur Henry More qui l'influencera dans sa conception de l'espace absolu. À Cambridge, il étudie l’arithmétique, la géométrie dans les Éléments d'Euclide et la trigonométrie, mais s’intéresse particulièrement à l’astronomie, à l’alchimie et à la théologie. Il devient à vingt-cinq ans bachelier des arts, mais est contraint de suspendre ses études pendant deux années à la suite de l’apparition de la peste qui s’est abattue sur la ville en 1665 ; il retourne dans sa région natale. C’est à cette période que Newton progresse fortement en mathématiques, physique et surtout en optique, il montre que la lumière n’est pas blanche mais qu’elle est constituée d’un spectre coloré ; toutes les grandes découvertes qu’il explicitera dans les années suivantes découlent de ces deux années.

L'épisode de la pomme

C’est également à cette époque qu’aurait eu lieu l’épisode vraisemblablement légendaire de la pomme qui tomba de l’arbre sur sa tête, lui révélant les lois de la gravitation universelle. Voici un témoignage venu bien plus tard, en 1752, de son ami William Stukeley citant une rencontre d’avril 1726 avec Newton :
« Après souper, le temps clément nous incita à prendre le thé au jardin, à l'ombre de quelques pommiers. Entre autres sujets de conversation, il me dit qu'il se trouvait dans une situation analogue lorsque lui était venue l'idée de la gravitation. Celle-ci avait été suggérée par la chute d'une pomme un jour que, d'une humeur contemplative, il était assis dans son jardin. »
Newton accélère dans ses recherches, il entame en 1666 l’étude des fonctions dérivables et de leurs dérivées à partir du tracé des tangentes sur la base des travaux de Fermat. Il classifie les cubiques et en donne des tracés corrects avec asymptotes, inflexions et points de rebroussement. En 1669, il rédige un compte rendu sur les fondements du calcul infinitésimal qu’il appelle « méthode des fluxions ». Newton a fondé ainsi l’analyse mathématique moderne.
En 1669 toujours, Newton succède à son maître qui s'était démis pour se consacrer exclusivement à la théologie10 et reprend sa chaire de mathématiques. Trois ans plus tard, à l’âge de 29 ans, il entre à la Royal Society de Londres, où il fera la rencontre de Robert Boyle, homme très influent. Il réussit l’exploit de mettre au point un télescope à miroir sphérique dépourvu d’aberration chromatique. L’année d’après, il prit la décision de communiquer grandement sur ses travaux sur la lumière, ce qui le rendit célèbre d’un seul coup. Cette célébrité fit de ses découvertes l’objet de nombreuses controverses et querelles dont il avait horreur.

Les années merveilleuses

Newton s'est souvenu de l'année 1666 comme de la période la plus créative de sa vie, son annus mirabilis. C'est, en réalité, au cours des deux années 1665 et 1666, dans sa retraite forcée à la campagne entrecoupée de rares et brefs séjours au Trinity College, que lui vinrent les idées si fécondes, encore en partie intuitives, qu'il devait mûrir progressivement et développer par la suite dans son œuvre, en mathématique, en optique, en astronomie théorique : ses carnets de notes conservent des traces précises de tout ce travail lentement élaboré, objet de constants remaniements, dont il ne publia les résultats que tardivement et avec parcimonie.
Il découvrit le développement en série du binôme, puis développa la méthode des séries infinies pour la quadrature de fonctions. L'étude des séries infinies et la construction de figures par le mouvement de points ou de lignes le conduisirent à formuler la règle de différentiation d'une fonction d'une variable sujette à un accroissement infinitésimal, inventant ainsi le calcul des fluxions, qui est la version newtonienne du calcul différentiel. Il l'appliqua aussitôt à l'étude des tangentes et des courbures ainsi qu'aux problèmes inverses de quadratures et de rectification des courbes (c'est-à-dire à l'intégration).
Travaillant, dans la suite de Kepler et de Descartes, à la recherche des dioptres parfaits par la taille et le polissage de lentilles non sphériques, il se rendit compte de la persistance d'une aberration chromatique importante, même lorsque l'aberration sphérique était diminuée. Il effectua alors ses observations sur la lumière du Soleil à l'aide de prismes, par lesquelles il conclut au caractère composite de la lumière blanche, et à l'inégale réfrangibilité des rayons de couleurs différentes. Il conçut ensuite l'idée du télescope à réflexion pour éviter les limitations de la lunette dues à la dispersion chromatique.
Il eut, selon son propre récit, l'idée de la gravitation universelle en voyant tomber une pomme et en pensant que, de même, la Lune tombe sur la Terre mais en est empêchée en même temps par son mouvement propre (d'inertie). Rapprochant la troisième loi de Kepler et la loi de la force centrifuge, il formula la loi de l'inverse carré des distances pour la force centripète qui agit sur les planètes ; mais la valeur du rayon terrestre alors disponible ne lui permit pas de démontrer la validité de sa théorie par l'accord entre la chute libre d'un objet sur Terre et le mouvement de la Lune. On ignore si ce fut là l'unique raison du délai de vingt ans qui sépare la conception de son idée fondamentale et sa publication dans les Principia. Sans doute lui fallait-il aussi l'étayer sur de plus amples développements mathématiques et physiques requis par l'étude précise des lois du mouvement.
Toute l'œuvre scientifique de Newton se présente comme l'explicitation et la continuation directe de ces idées, qui allaient renouveler les mathématiques et créer la mécanique rationnelle, l'optique physique et l'astronomie mathématique.

L'œuvre mathématique

L'intérêt de Newton pour les mathématiques semble s'être éveillé en 1664, à la faveur de lectures telles que la Géométrie de Descartes et l'Arithmétique des infinis de Wallis. Si Barrow eut un rôle stimulant, il faut assurément attribuer l'inspiration décisive pour l'invention du calcul infinitésimal à la lignée de mathématiciens qui va de Descartes à Fermat – et sa méthode des maxima et des minima des courbes –, Pascal, Roberval, Torricelli, Cavalieri, Wallis et Gregory.
En définissant l'élément infiniment petit d'une variable x, s'annulant à la limite, et qu'il nota pour cela o, il développa des règles de différenciation pour une fonction f(x). Il abandonna ensuite le concept d'accroissement discret infiniment petit, o, pour celui de « fluxion » d'une variable, définie comme la vitesse de changement, finie, instantanée, de l'accroissement de la grandeur – ou « fluente » – en fonction d'une variable indépendante (elle correspond à la dérivée).
Le calcul des fluxions permit à Newton de donner des contributions importantes en géométrie analytique. Il l'appliqua à l'étude des courbes par la détermination des tangentes et des courbures, le calcul des minima et des maxima, et à l'intégration des courbes, utilisant des coordonnées cartésiennes aussi bien que polaires. Son Traité de la nature des courbes propose une classification des courbes suivant que leurs équations sont algébriques ou transcendantes, et dénombre, dans sa classification des cubiques selon le nombre de points en lesquels elles sont coupées par une ligne droite, soixante-douze formes possibles (6 autres seront trouvées ultérieurement, portant l'ensemble à 78). L'ouvrage comporte également la théorie des projections des courbes sur un plan à partir d'un point, montrant que la projection conserve le degré de la courbe. On y trouve encore l'étude des courbes planes d'ordre plus élevé que les coniques et les cubiques, leur application à la résolution d'équations de degrés élevés, ainsi que les propriétés des asymptotes, des points multiples et des boucles. La plus grande partie des écrits mathématiques de Newton est restée longtemps inédite. Tandis que quelques-uns furent publiés de son vivant, d'autres circulaient à l'état de manuscrit, en sorte qu'ils influencèrent ses contemporains mathématiciens.
L'équivalence entre le calcul des fluxions et le calcul différentiel leibnizien suscita une longue et douloureuse querelle de priorité entre les deux inventeurs, Newton estimant que Leibniz avait utilisé certains de ses manuscrits pour développer son calcul symbolique. On considère généralement qu'il s'agit d'une invention indépendante par les deux savants, qui ont suivi les leçons des mêmes prédécesseurs et notamment la méthode des maxima et des minima de Fermat.
La tradition historique veut qu'Isaac Newton doive l'essentiel de sa formation mathématique à Isaac Barrow. La publication de ses manuscrits mathématiques de jeunesse montre qu'il n'en est rien. Dans le domaine des mathématiques supérieures, Newton est un parfait autodidacte, qui s'est formé par la lecture solitaire des principaux ouvrages contemporains. Sa connaissance des grands mathématiciens de l'Antiquité est très superficielle. Il ne connaîtra guère Archimède et Apollonios de Perga qu'après avoir approfondi les travaux des mathématiciens modernes. Il lira alors simplement les éditions modernisées d'Archimède et d'Apollonios dues à Barrow (1675).
Ses véritables maîtres sont François Viète (1540-1603), lu dans l'édition procurée en 1646 par Frans Van Schooten (1615-1660), l'algébriste anglais William Oughtred (vers 1574-1660), John Wallis (1616-1703), professeur à Oxford, et surtout Descartes, dont il a étudié minutieusement la Géométrie dans l'édition latine en deux volumes donnée en 1659-1660 par Van Schooten et ses disciples. De tous ses contemporains, Newton est celui qui assimile le mieux les méthodes analytiques de Descartes. Il éclaire les points laissés obscurs par son devancier et dote la géométrie analytique de son efficacité maximale. Dès 1667-1668, il s'attaque à la classification des cubiques, dont il donne des tracés corrects, avec asymptotes, inflexions, points doubles, points de rebroussemen
À partir des techniques cartésiennes du tracé des tangentes, il développe un algorithme de calcul différentiel applicable aux courbes algébriques et étudie la notion de courbure indépendamment de Christiaan Huygens. D'autre part, dès 1666, il aborde ses études sur les fluentes (nos fonctions dérivables) et leurs fluxions (leurs dérivées). Son ouvrage De analysis per aequationes infinitas, écrit en 1669, commence la systématisation de ses méthodes infinitésimales, et l'on peut dire que, vers 1670, Newton a fondé l'analyse moderne. Le « binôme de Newton », ou développement de (1 + x)n pour toute valeur rationnelle de n, a été découvert dès 1665. À partir de 1680, Newton se cherchera un style plus géométrique, celui qu'il adoptera dans ses Principes de 1687.

Autres recherches

Mais les mathématiques et la physique ne sont pas ses uniques préoccupations, et il consacre probablement une part égale de son temps à d'autres recherches d'intérêt relativement médiocre. Ses convictions religieuses et son tempérament mystique le poussent à effectuer des travaux de théologie, avec une adhésion cachée à l'arianisme (doctrine hérétique qui nie la divinité du Christ). Des ouvrages comme Chronology of Ancient Kingdoms Amended, 1728 ; Observations upon the Prophecies of Daniel, and the Apocalypse of St. John, 1733) lui coûtent sans doute autant d'efforts que les Principes, sans ajouter à sa gloire. Il porte aussi un grand intérêt à l'alchimie, comme en témoignent des manuscrits retrouvés au début du xxe siècle, et il semble qu'il ait été à la recherche d'une sorte d'attraction universelle valable non plus à l'échelle cosmique mais à celle des constituants ultimes de la matière.

Newton dans sa vie publique

Après la parution des Principes, Newton semble de nouveau abandonner toute recherche scientifique. C'est l'époque de la fuite de Jacques II. En 1689, Newton va siéger à la Chambre des communes pour y représenter l'université de Cambridge. On rapporte qu'il y reste étranger aux débats et n'y prend qu'une fois la parole, pour inviter un huissier à fermer une fenêtre. Le Parlement est dissout, et nous savons par Huygens que Newton tombe alors, en 1692, dans une sorte de prostration – Biot parle même de folie –, causée peut-être par l'excès de son ancien travail, par la mort de sa mère ou par l'incendie accidentel du laboratoire où il poursuit ses recherches d'alchimie.
Cependant, un de ses anciens élèves, Charles Montagu, devenu lord Halifax, occupe en 1694 le poste de chancelier de l'échiquier, et son premier acte est de nommer son illustre maître inspecteur, puis, en 1699, directeur de la Monnaie. Newton abandonne alors sa chaire de Cambridge pour s'acquitter avec soin de cette nouvelle charge, au demeurant assez lucrative. Sa notoriété est devenue très grande : Newton est compris parmi les huit premiers associés étrangers de l'Académie des sciences de Paris (1699) ; en 1703, il est élu président de la Royal Society et le sera de nouveau chaque année jusqu'à la fin de sa vie ; enfin, en 1705, il reçoit de la reine Anne le titre de baronnet.
Newton, qui ne s'est jamais marié, meurt après de vives souffrances liées à une inflammation pulmonaire et à la goutte à quatre-vingt-cinq ans, et il est inhumé en grande pompe à l'abbaye de Westminster, aux côtés des rois d'Angleterre.

L'optique

Newton avait conclu de ses recherches sur la lumière de 1666 que les couleurs « ne sont pas des qualifications de la lumière provoquées par la réflexion ou la réfraction sur les corps naturels », comme on le croyait jusqu'alors, mais « des propriétés originelles et spécifiques », différentes pour les différents rayons. Il poursuivit ces recherches, qu'il communiqua, de 1672 à 1676, à la Royal Society, et enseigna à Cambridge (Lectiones opticae), de 1670 à 1672, et dont il publia plus tard une synthèse dans son Optique.
Il proposa une explication de la distribution des couleurs de l'arc-en-ciel et des positions respectives des différents arcs par rapport à l'arc primaire, complétant ainsi la théorie qu'en avait donné Descartes en suivant le trajet de la lumière dans une goutte de pluie en suspension.
Il étudia en détail les phénomènes d'interférence et en particulier les propriétés des anneaux irisés (baptisés après lui « de Newton ») produits par le passage de la lumière à travers une mince couche d'air située entre deux lamelles de verre, dont Hooke avait donné une première approche qualitative.
La nécessité d'une explication théorique le préoccupait pour les phénomènes optiques tout autant que pour les lois du mouvement des corps. Comme les Principia, l'Optique commence par des définitions et des axiomes. Mais les essais d'explication y sont plus qualitatifs, tout en révélant une intuition physique aiguë. Newton proposa une analogie entre les sept notes fondamentales de la gamme musicale et les couleurs primaires (pour cette raison, il en recense sept, ajoutant l'orange et l'indigo), et incorpora à sa théorie la périodicité de la lumière, remarquée à partir de ses observations sur les anneaux formés par des lames minces, associant chaque couleur à une longueur d'onde. S'il concevait des ondes associées à la lumière, tout en préférant voir en celle-ci des corpuscules de différentes vitesses, il ne se prononça pas sur la raison profonde de ce lien. Il hésita, quant à la nature de la lumière, entre une conception purement corpusculaire et une théorie vibratoire de l'éther, puis abandonna cette dernière pour une théorie des « accès de facile réflexion et transmission ». Il posa dans l'Optique un certain nombre de questions (« Queries »), qui apparaissent comme un programme pour des recherches futures, et qui sont souvent d'une profondeur troublante.
En 1666 qu’Isaac Newton fit ses premières expériences sur la lumière et sa décomposition. Il fit passer des rayons de Soleil à travers un prisme produisant un arc-en-ciel de couleurs du spectre visible. Auparavant, ce phénomène était considéré comme si le verre du prisme avait de la couleur cachée. Newton analysa alors cette expérience. Comme il avait déjà réussi à reproduire le blanc avec un mini arc-en-ciel qu’il passa à travers un deuxième prisme, sa conclusion était révolutionnaire : la couleur est dans la lumière et non dans le verre. Ainsi, la lumière blanche que l’on voit est en réalité un mélange de toutes les couleurs du spectre visible par l'œil.
Il a également montré que la lumière colorée ne modifie pas ses propriétés par la séparation en faisceaux de couleurs qui font briller des objets. Newton a noté que, indépendamment de savoir si les faisceaux de lumière sont reflétés, dispersés ou transmis, ils restent toujours de même couleur (longueur d'onde). Ainsi, il fit observer que celle-ci est le résultat de l'interaction avec les objets et que la lumière contient en elle-même la couleur. C'est ce qu'on appelle la théorie de la couleur de Newton.
En 1704, il fit publier son traité Opticks dans lequel est exposé sa théorie corpusculaire de la lumière, l’étude de la réfraction, la diffraction de la lumière et sa théorie des couleurs. Dans celui-ci, il démontre que la lumière blanche est formée de plusieurs couleurs et déclare qu'elle est composée de particules ou de corpuscules. De plus, il ajoute que lorsque celle-ci passe par un milieu plus dense, elle est réfractée par son accélération. À un autre endroit de son traité, il explique la diffraction de la lumière en l'associant à une
Dans le domaine des instruments d'optique de son époque, il améliore en 1671 le télescope à réflexion de Gregory. Par son travail sur la réfraction, montrant la dispersion des couleurs, il conclut que tout télescope à réfraction ou lunette astronomique présente une dispersion de la lumière, ou aberration chromatique, qu'il pense impossible de corriger ; Il contourna le problème en proposant un télescope à réflexion par miroir concave (car naturellement dépourvu d'aberration chromatique), connu sous le nom de télescope de Newton. On sait depuis Chester Moore Hall et surtout John Dollond que l'aberration chromatique peut être compensée en utilisant plusieurs lentilles d'indices et de dispersion différents.
Fabriquant ses propres miroirs à partir d'un bronze à haut pouvoir réfléchissant, il juge la qualité de l’image optique au moyen du phénomène appelé aujourd’hui anneaux de Newton. Ainsi, il a été en mesure de produire un instrument supérieur à la lunette astronomique de Galilée, en raison aussi d’un plus large diamètre permis sans altération de l’image. Il construisit alors la première version de son télescope à réflexion composé d'un miroir primaire concave.
Dans la même année, la Royal Society l’invite à faire une démonstration de son télescope à réflexion. Cet intérêt motive Newton à publier ses notes sur sa théorie des couleurs, qu'il a par la suite développée dans son traité d'optique. Il présenta son télescope en 1672.
Toujours dans son traité Opticks de 1704, Newton expose sa théorie de la lumière. Il la considère composée de corpuscules très subtils. La matière ordinaire est constituée de plus gros corpuscules. Il a également construit une forme primitive de générateur électrostatique par frottement, au moyen d'un globe en verre. Newton a déclaré que la lumière est composée de particules ou de corpuscules. Que lorsqu’elle passe par un milieu plus dense, elle est réfractée par l'accélération. Il expliqua la diffraction de la lumière en associant ces particules à des ondes.
Newton a eu ses contradicteurs. Lorsque Robert Hooke s'aperçut que les travaux de Newton en optique coïncidaient avec les siens, il commença à critiquer avec virulence certaines idées de Newton. Fatigué des objections dont il faisait l'objet, Newton s'est alors retiré de tout débat public. Les deux hommes sont demeurés ennemis le restant de leur vie.
En France, Jacques Gautier d'Agoty dans Chroa-génésie ou génération des couleurs paru en 1751 critique la théorie newtonienne de la génération des couleurs et de la raison de l’arc-en-ciel. Jean-Jacques Rousseau soutiendra la théorie de Newton.

Types de télescopes

À ce moment, Newton s'occupe de perfectionner le télescope, et il en construit les lentilles de ses propres mains. Puis, en 1671, il pense à utiliser comme objectif un miroir sphérique, dénué d'aberrations chromatiques. Ce télescope est connu de la Royal Society, qui ouvre ses portes à son auteur en 1672.
Décomposition par réfraction de la lumière blanche dans un prisme
Encouragé par l'intérêt que lui manifeste cette glorieuse institution, Newton lui présente la première communication qui sera rendue publique ; il y expose ses expériences faites au moyen du prisme et prouvant que la lumière blanche est composée de rayons colorés dont la réfrangibilité est différente. Cette affirmation suscite de vives controverses, notamment avec Robert Hooke et avec Christiaan Huygens, et Newton, qui déteste les discussions et ne supporte guère la contradiction, « blâme sa propre imprudence, qui l'a poussé à abandonner un bien aussi solide et substantiel que sa tranquillité, pour courir après une ombre ».

Formation d'un arc-en-ciel

Cependant, en 1675, il publie un nouveau travail sur la lumière, où figure sa théorie corpusculaire, ou théorie de l'émission. Toutefois, pour expliquer les irisations des lames minces et l'expérience d'interférences dite « des anneaux de Newton », il attribue aux particules lumineuses certaines propriétés ondulatoires, faisant déjà une synthèse de ces deux aspects « complémentaires » de la lumière. En même temps, il donne une théorie de la couleur des corps et complète l'explication de l'arc-en-ciel fournie par Descartes. Tous ces travaux d'optique ainsi que ses observations sur la diffraction de la lumière, qu'avait découverte Grimaldi, figureront dans son grand ouvrage Opticks, dont il ajourne la publication jusqu'en 1704, après la mort de Hooke.
En 1687, il publie donc son œuvre majeure : Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. Cette œuvre marque le début de la mathématisation de la physique. Newton y expose le principe d’inertie, la proportionnalité des forces et des accélérations, l’égalité de l’action et de la réaction, les lois du choc, il y étudie le mouvement des fluides, les marées, etc. Mais il expose aussi et surtout sa théorie de l’attraction universelle ! Les corps s’attirent avec une force proportionnelle au produit de leur masse et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. La simplicité et l'efficacité de cette théorie aura une très forte influence sur les autres sciences au xviiie siècle, particulièrement les sciences sociales comme nous le verrons. Toutefois, sur le moment, si le livre est bien accueilli en Grande-Bretagne, sur le continent la réaction est hostile.
En 1687, il défend les droits de l'université de Cambridge contre le roi Jacques II. Cette action lui vaut d'être élu membre du parlement britannique en 1689 quand le roi, vaincu, doit s'exiler. Durant son mandat il est très actif dans les débats.

La gravitation universelle et les « Principia
»

Si Newton conçut l'idée d'une gravitation universelle et la loi de l'inverse carré des distances pour sa force dès ses « années merveilleuses », quand il s'intéressait déjà aux mouvements curvilignes et au problème de la Lune, il ne donna cependant tout leur développement à ses conceptions que dans la période décisive qui va de 1679 à 1684, sous la stimulation de Hooke, de Flamsteed, de Halley. Il entreprit en 1684 la rédaction de son De motu corporum in gyrum, première ébauche préparant les Principia, lesquels furent achevés dès 1686. Dans sa première approche, il avait déjà corrigé la conservation cartésienne du mouvement en prenant en compte la direction, repris la formulation du principe d' inertie, conçu en termes de forces la composition des mouvements – celui d'inertie et ceux qui l'altèrent –, formulé la loi de la force centrifuge indépendamment de Huygens et en termes de force centripète (c'est-à-dire de cause du mouvement, et non pas seulement d'effet).
Hooke avait proposé une explication du système du monde par l' attraction universelle : le problème était de l'assurer dans les phénomènes (à cet égard, une mesure exacte du méridien terrestre avait été faite par Jean Picard en 1671, qui justifiait Newton dans sa première approche), et d'en déterminer exactement la loi. Pour y parvenir, Newton dut repenser la dynamique, s'intéressant aux corps solides et fluides, aux collisions élastiques et inélastiques, clarifiant la différence entre la masse et le poids et considérant la manière par laquelle l'action, supposée continue, d'une force sur un point matériel cause un changement de sa quantité de mouvement. Il prit pour cette action la limite d'une série de forces ou impulsions considérées pour des intervalles de plus en plus courts, jusqu'à l'infini. Il put ainsi démontrer l'équivalence des lois de Kepler avec une force centripète d'attraction des planètes par le Soleil, dont il formula la loi (la gravitation universelle) : tous les corps matériels s'attirent mutuellement avec une force inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare et proportionnelle à leurs masses respectives.
Les Principia, Principes mathématiques de la philosophie naturelle, donnent la présentation achevée de sa théorie du mouvement des corps et de son système du monde. Le livre Ier contient la théorie d'une dynamique générale mathématisée, avec la définition des notions fondamentales de force, mais aussi d'espace et de temps, absolus et relatifs, et l'énoncé des trois lois fondamentales (ou « axiomes ») du mouvement, à savoir la loi d'inertie, la proportionnalité du changement de la quantité de mouvement à la force, et l'égalité de l'action et de la réaction. Les mathématiques mises en œuvres consistent en une géométrie des limites de grandeurs infinitésimales, établie à partir de théorèmes sur les « premières et dernières raisons » des grandeurs relatives à la trajectoire des corps en mouvement, qui sont équivalentes au calcul des fluxions. Newton était par là en mesure de formuler les lois du mouvement d'un corps sollicité par des forces en un point et à un instant donnés, applicables aux corps terrestres aussi bien que célestes. La suite du livre Ier porte sur ces lois, d'abord pour des situations simplifiées (points matériels soumis à des forces définies de manière géométrique, par exemple centripètes), puis pour des situations progressivement plus complexes et conformes à des cas réels, où les forces sont exercées par des corps, de dimensions finies, en mouvement relatif autour de leur centre de gravité commun. Newton y démontre, en particulier, le théorème sur l'attraction mutuelle de sphères matérielles constituées de couches homogènes concentriques, égale à celle qu'auraient leurs masses concentrées en leurs centres respectifs.
Le livre II étudie le mouvement des corps solides et liquides dans les milieux résistants, pose les jalons de l'hydrodynamique, donne une théorie de la propagation des ondes et propose une manière de déterminer la vitesse du son dans un milieu élastique en fonction de la densité et de la pression. L'étude des milieux résistants l'amène, en conclusion, à réfuter la théorie cartésienne des tourbillons.
Le livre III, « Sur le système du monde », est une application directe du livre Ier : le mouvement des planètes et de leurs satellites, celui des comètes, le phénomène des marées ont une seule et même explication, qui est aussi celle de la pesanteur : la force centripète de gravitation universelle. Newton unifiait ainsi la mécanique céleste de Kepler et la mécanique terrestre de Galilée en une mécanique rationnelle dont les lois sont locales et non plus globales, instantanées et non plus moyennes. Par ailleurs, les attractions réelles n'étaient plus centrales. Il fallait en effet tenir compte de la variation de l'accélération avec la distance au centre de la Terre et avec la latitude ainsi que du mouvement relatif de la planète et du Soleil. Il effectua une première approche du problème de l'attraction de trois corps dans le cas Soleil-Terre-Lune, pour ce qui concerne la précession de la Terre (précession des équinoxes, due à l'inclinaison de l'axe de la Terre), la forme de la Terre (sphéroïde renflé à l'équateur, aplati aux pôles), la théorie des marées, les inégalités du mouvement de la Lune (et la raison pour laquelle elle présente toujours la même face à la Terre.
Ayant achevé l'essentiel de son œuvre en optique, Newton semble se désintéresser de la science. Mais l'astronome Edmund Halley (1656-1742), à la suite de discussions avec Hooke et Christopher Wren (1632-1723), va le consulter à Cambridge au sujet des fameuses lois de Kepler et des orbites elliptiques des planètes. Les réponses de Newton sont à ce point convaincantes que Halley le presse, en 1685, de publier ses découvertes sur la gravitation et se charge de payer les frais d'impression. Et c'est en 1687 que paraît l'œuvre immortelle de Newton : Philosophiae naturalis principia mathematica (→ Principes mathématiques de la philosophie naturelle).

Force de gravitation des planètes

Dans la préface de ces trois volumes, Newton expose qu'il veut appliquer les mathématiques à l'étude des phénomènes naturels, parmi lesquels le mouvement occupe le premier rang. La force, dont l'origine et la nature nous restent inconnues, y est définie uniquement par ses manifestations. On trouve dans cet ouvrage le principe d'inertie, la proportionnalité des forces et des accélérations, l'égalité de l'action et de la réaction. Newton y développe sa théorie de l'attraction universelle (→ gravitation) et la loi de l'inverse carré, d'où se déduisent les trois lois de Kepler sur le mouvement des planètes.
Cet ouvrage expose aussi les lois du choc, étudie le mouvement des fluides (→ mécanique des fluides), calcule la précession des équinoxes et l'aplatissement terrestre (→ Terre), donne la théorie des marées, établit l'orbite des comètes, explique les perturbations planétaires, etc. On est en droit d'affirmer que ces Principes ont posé les fondements et fixé les méthodes de la science moderne. Comme l'a écrit Laplace : « L'importance et la généralité des découvertes, un grand nombre de vues originales et profondes qui ont été le germe des plus brillantes théories de ce siècle, tout cela, présenté avec beaucoup d'élégance, assure à l'ouvrage la prééminence sur les autres productions de l'esprit humain. »

Une personnalité complexe

Newton était doté d’une personnalité tourmentée et complexe. Il répugne à communiquer ses travaux et les publie souvent plusieurs années après les avoir finalisés. Il s’oppose souvent avec Robert Hooke à propos de la lumière et de sa théorie sur la gravitation. Newton attendra que Hooke meure pour publier ses travaux sur l’optique. Hooke accusa Newton de l’avoir plagié sur la théorie des inverses carrés, car ce dernier avait commencé ses travaux en parallèle de Hooke et sans rien dire à personne, ce qui rendit Hooke furieux12. Newton prétendit alors n’avoir pas eu connaissance des recherches de Hooke et n’avoir pas lu ses travaux sur la gravitation. On sait aujourd’hui que Newton a menti, non pas par culpabilité, mais par son horreur du personnage.
En 1692-1693, il subit une grave période de dépression nerveuse, probablement due à la mort de sa mère, la destruction de son laboratoire d’alchimie, et/ou à l’excès de travail… Il subit de grands troubles émotifs et vit alors dans un état de prostration, vivant dans un état de paranoïa, et étant sujet à des hallucinations. Il mit trois ans à s’en remettre.

Newton à Londres

En avril 1696, il démissionne du Collège de Cambridge et en quitte la ville pour devenir d'abord gardien de la Royal Mint puis maître de la monnaie dès l’année suivante. Ce poste honorifique est obtenu grâce à l'appui de Charles Montagu un ancien de Cambridge alors Chancelier de l’Échiquier. Il s'impliqua beaucoup dans cette fonction.
Newton estimait que 20 % des pièces de monnaie mises en circulation pendant la Grande Réforme monétaire de 1696 étaient contrefaites. La contrefaçon était considérée comme un acte de trahison, passible de mort par écartèlement, à condition que les preuves soient irréfutables. Newton rassembla donc des faits et démontra ses théories de manière rigoureuse. Entre juin 1698 et Noël 1699, il conduisit environ 200 contre-interrogatoires de témoins, d'informateurs et de suspects et il obtint les aveux dont il avait besoin. Il n'avait pas le droit de recourir à la torture, mais on s'interroge sur les moyens employés puisque Newton lui-même ordonna par la suite la destruction de tous les rapports d'interrogation. Quoi qu'il en soit il réussit et emporta la conviction du jury : en février 1699, dix prisonniers attendaient leur exécution.
Newton obtint son plus grand succès comme attorney royal contre William Chaloner. Celui-ci était un escroc particulièrement retors qui s'était suffisamment enrichi pour se poser en riche bourgeois. Dans une pétition au Parlement, Chaloner accusa l'Hôtel des Monnaies de fournir des outils aux contrefacteurs, accusation qui n'était pas nouvelle, et il proposa qu'on lui permît d'inspecter les procédés de l'Hôtel des Monnaies pour les améliorer. Dans une pétition, il présenta au Parlement ses plans pour une invention qui empêcherait toute contrefaçon. Pendant tout ce temps, Chaloner profitait de l'occasion pour frapper lui-même de la fausse monnaie, ce que Newton arriva au bout du compte à démontrer devant le tribunal compétent. Le 23 mars 1699, Chaloner fut pendu et écartelé.
En 1699, il est nommé Directeur de la Monnaie par Montagu. Cette même année, il est nommé membre du conseil de la Royal Society et y est élu président en novembre 1703. Il garde cette place jusqu’à sa mort. Auparavant, en 1701, il lit lors d’une réunion le seul mémoire de chimie qu’il a fait connaître et présente sa loi sur le refroidissement par conduction, ainsi que des observations sur les températures d’ébullition et de fusion. Il décide alors de quitter sa chaire lucasienne à l’université de Cambridge.
En 1704 il fait publier, en anglais, ses travaux concernant la lumière qu'il tenait cachés depuis vingt ans, il fera publier une version en latin d'Optiks deux ans plus tard).
En 1705, il est anobli par la reine Anne peut-être moins en raison de ses travaux scientifiques ou de son rôle à la Monnaie que de la proximité d'élections. En 1717, il analyse les pièces de monnaie et en tire une relation or-argent ; cette relation est officialisée par une loi de la reine Anne.
Isaac Newton tombe malade en 1724. En 1725 le jésuite Étienne Souciet publie de sa propre initiative une version abrégée, en français, de The chronology of ancient kingdoms amended un texte que le roi Georges Ier avait demandé à Newton pour répondre à un écrit de Leibnitz de 1715. En 1727 Newton se remet à peine d’une crise de goutte qu’il se rend à Londres pour présider une réunion de la Royal Society. Ce voyage le fatigue terriblement… De retour dans sa propriété campagnarde de Kensington, il doit rester alité et meurt le 31 mars 1727, à l'âge de 84 ans. Son corps est alors porté en grande pompe et inhumé dans la nef de l'abbaye de Westminster, aux côtés des rois d’Angleterre.

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Posté le : 04/01/2015 19:27

Edité par Loriane sur 05-01-2015 13:17:32
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Par une aquarelle de Folon
Il vole à moi un vieux cahier
Qui dit les mots d'anciens poètes
Les couleurs d'une boîte à crayons
Il souffle des mots à l'estrade
Où il évente un émoi rose
A bord de ce cahier volant
Les animaux font des discours
Et les mystères vous font la cour
A bord de ce cahier volant
Un âne triste monte au ciel
Un enfant soldat dort la paix
Un enfant poète baille à l'ourse
A bord de ce cahier volant
Vénus éteint la douce brune
Lune et clocher vont bilboquer
L'eau le soleil sont des amants
Les cages aux oiseux sont ouvertes
Les statues font des farandoles
A bord de ce cahier volant
L'hiver soupire le temps passé
La porte est une enluminure
Les croisées des lanternes magiques
Le plafond une aurore polaire
A bord de ce cahier volant
L'enfance revient pousser le temps.
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