Isaac Newton - Définition

Théories scientifiques

Quant à la méthode, Newton n'accepte que les relations mathématiques découvertes par l'observation rigoureuse des phénomènes. D'où sa fameuse formule :

« Je ne feins pas d'hypothèses (Hypotheses non fingo). »

Il précise :

« Tout ce qui n'est pas déduit des phénomènes, il faut l'appeler hypothèse ; et les hypothèses, qu'elles soient métaphysiques ou physiques, qu'elles concernent les qualités occultes ou qu'elles soient mécaniques, n'ont pas leur place dans la philosophie expérimentale. »

Optique

Au cours de 1670 à 1672, Newton étudie la réfraction de la lumière, il démontre qu’un prisme décompose la lumière blanche en un spectre de couleurs, et qu'un objectif avec un deuxième prisme recompose le spectre multicolore en lumière blanche.

C'est 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 a été 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 onde.

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.

Mécanique

En 1677, Newton reprit ses travaux sur la mécanique. C’est-à-dire la gravitation et ses effets sur les orbites des planètes, selon les références des lois de Kepler du mouvement des planètes ; et aussi en consultant Robert Hooke et John Flamsteed à ce sujet. En novembre 1684, il fit parvenir à Halley un petit traité de neuf pages avec le titre : De motu corporum in gyrum (Mouvement des corps en rotation), montrant la loi en carré inverse, la force centripète, il contient les prémices des lois du mouvement de Newton que nous retrouvons dans son œuvre majeure Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (aujourd’hui connue sous le nom de Principia ou Principia Mathematica) qui a été publiée le 5 juillet 1687 grâce à l'aide financière et l’encouragement venant d’Edmond Halley. Les méthodes de calcul qu'il y utilise en font un précurseur du calcul vectoriel.

Dans son travail Newton établit les trois lois universelles du mouvement qui sont restées inchangées, ceci sans aucune amélioration durant plus de deux siècles. Il se servait, du mot poids en latin gravitas, pour parler des effets de ce que nous appelons maintenant la gravité et il définit les lois de la gravitation universelle. Dans le même ouvrage il présenta la première analyse des déterminations basée sur la vitesse du son dans l’air des lois d’Edmond Halley et de Robert Boyle.

Avec les Principia, Newton est reconnu internationalement. Il se forma un cercle d'admirateurs, y compris le mathématicien Nicolas Fatio de Duillier d’origine suisse, avec qui il a bâti une relation intense qui a duré jusqu'en 1693.

Son ouvrage majeur, Principes mathématiques de la philosophie naturelle, fut publié en 1687. La version française en deux volumes avec une traduction Tome I et Tome II de la marquise du Châtelet fut éditée en 1756.

Cette œuvre marque un tournant pour la physique. Il y avance le principe d’inertie, la proportionnalité des forces et des accélérations, l’égalité de l’action et de la réaction, les lois des collisions, il montre le mouvement des fluides ; et surtout la théorie de l’attraction universelle.

Isaac Newton est avant tout le père de la mécanique moderne grâce aux trois lois du mouvement qui portent son nom et dont on donne ci-après les énoncés tels qu'ils sont enseignés de nos jours :

• Principe d'inertie
• Principe fondamental de la dynamique
• Principe des actions réciproques

On appelle parfois cette dernière loi la loi d'action réaction mais ce vocabulaire est susceptible de prêter à confusion (voir principe des actions réciproques).

Dans le langage courant, la Mécanique est le domaine de tout ce qui produit ou transmet un mouvement, une force, une déformation : machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, etc.).

On parle ainsi de mécanique générale, de génie mécanique, de mécanique automobile, de sports mécaniques, de mécanique navale, de mécanique céleste, de mécanique quantique, de résistance mécanique des matériaux, etc.

Aujourd'hui ses trois lois du mouvement, mises à mal par le développement de la thermodynamique au XIX^e siècle, sont dépassées par la mécanique relativiste d’Einstein et le principe de la dualité onde-corpuscule. Cependant le génie de la mécanique de Newton était de simplifier beaucoup, ce qui contribua au développement des recherches dans le domaine de la mécanique classique, où la masse s'identifie à la matière et où l'on suppose une continuité parfaite.

Mathématiques

En plus de ses contributions à la physique, Newton, parallèlement à Gottfried Wilhelm Leibniz, élabora les principes fondateurs du calcul infinitésimal. Alors que Newton ne fit rien éditer sur sa méthode des infiniment petits ou des fluxions et les suites infinies avant 1687, Leibniz publia ses travaux en 1684. Si le problème de priorité de l'invention s'est posé, Newton dans son œuvre des Principia publiée en 1687 rend hommage à la découverte de Leibniz en reconnaissant qu'il était parvenu aux mêmes résultats que lui par une méthode analogue à la sienne. Malgré cela des membres de la Royal Society (dont Newton était membre) ont accusé Leibniz de plagiat finissant par créer un différend en 1711. C'est ainsi que la Royal Society proclama dans une étude que Newton était le vrai découvreur de la méthode et Leibniz un imposteur. Ceci a entaché aussi bien la vie de Newton que celle de Leibniz jusqu'à sa mort survenue en 1716.

Newton a entretenu une relation très étroite avec le géomètre Nicolas Fatio de Duillier qui a été impressionné par sa théorie de la gravitation. En 1691, celui-ci prépara une nouvelle version de l'ouvrage Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica mais il ne l'acheva pas. Toutefois, en 1694 la relation entre les deux hommes se refroidit. À partir de ce moment, Duillier provoqua une querelle sur la paternité de la découverte du calcul infinitésimal et entretint une correspondance avec Leibniz. Cependant dans un mémoire publié en 1699, Duriez désigna Newton comme le premier inventeur de la méthode des infiniment petits.

Newton est également connu pour sa formule du binôme valable pour toutes les puissances en mathématiques. Il a découvert aussi les identités de Newton, la méthode de Newton et les courbes cubiques planes (polynômes de degré trois à deux variables).

Il est le premier à avoir utilisé des indices fractionnaires en géométrie analytique pour résoudre les équations diophantiennes. Il a aussi estimé les sommes partielles de séries harmoniques en utilisant des logarithmes (un précurseur de la célèbre formule d'Euler) et trouvé une formule pour calculer le nombre pi (π). II a été élu professeur lucasien de mathématiques de l'université de Cambridge en 1669.

La loi universelle de la gravitation

Outre la mise au point du fonctionnement du premier télescope à réflexion composé d'un miroir primaire concave, Newton découvrit la loi universelle de la gravitation ou de l'attraction universelle en tant que cause des mouvements des planètes. En 1684, Newton informa par une lettre adressée à son ami Edmond Halley qu'il a résolu le problème de la force inversement proportionnelle au carré des distances et celui des orbites elliptiques introduit par Kepler.

En 1685, il rédigea son opuscule De motu corporum in gyrum (sur le mouvement) dans lequel il décrit sa loi, unifiant ainsi la mécanique terrestre et la mécanique céleste. Il exprime cette loi de manière simplifiée par l'expression mathématique suivante :

où est le vecteur unitaire indiquant la direction du mouvement, la force et G une constante de proportionnalité ou la constante gravitationnelle. Par sa formule résultante des trois lois de Kepler, il expliqua et démontra les mouvements des planètes autour de leur orbite.

Cependant, la gravitation n'est pas seulement une force exercée par le Soleil sur les planètes, selon la loi de la gravitation de Newton, tous les objets du cosmos s'attirent mutuellement. Ainsi, Newton s'est rendu compte que les mouvements des corps célestes ne pouvaient être constants ouvrant ainsi la voie à la mécanique relativiste et à l'élaboration du principe de relativité par Albert Einstein. Newton a déclaré que les planètes ne repassent pas deux fois dans la même orbite.

La mécanique céleste qui repose sur les trois lois de Kepler et la loi universelle de la gravitation de Newton suffit, encore aujourd'hui, à expliquer par le calcul les mouvements des astres dans un univers local, tel le système solaire.