Les débuts

Le géocentrisme de Ptolémée

Jusqu'à la fin du Moyen Âge, la physique d'Aristote (384-322 av. J.-C.), basée notamment sur les éléments que sont la Terre, l'Eau, l'Air et le Feu, prédomine. La représentation communément admise du cosmos place la Terre et l'Eau comme éléments centraux de l'Univers tandis que le Soleil, la Lune et les planètes visibles à l'œil nu circulent tout autour mais chacune sur une sphère différente. Les étoiles sont considérées comme des luminaires fixes placés sur la sphère du firmament. Après celui-ci, on trouve la sphère du Premier Mobile, communiquant le mouvement aux autres sphères célestes sur lesquelles sont fixées les planètes, ainsi que celle de l'Empyrée, le séjour des bienheureux.

Basé sur des observations à l'œil nu, le modèle ptoléméen permet de prédire les éclipses surtout lunaires ainsi que les positions des planètes dans le ciel. En particulier, le mouvement rétrograde des planètes est expliqué par la combinaison de mouvements circulaires. La planète suit un cercle nommé épicycle dont le centre tourne lui-même sur un second cercle centré sur la Terre, nommé cercle déférent.

Cependant, l'accumulation des observations au cours des siècles va amener à complexifier considérablement le modèle ptoléméen par l'ajout de nouveaux épicycles, dont le nombre diffère pour chaque planète. L'invention du télescope au début du XVIIe siècle, et son application par Galilée à l'astronomie, achèveront de donner les motivations pour abandonner le modèle géocentrique.

Harmonia macrocosmica seu Atlas universalis et novus […] 
[Reproduction anastatique]
CELLARIUS Andreas

Textus De Sphera
DE SACROBOSCO Johannes

Sphaera mundi
DE SACROBOSCO Johannes

Ioannis de sacro busto Libellus de Sphaera
DE SACROBOSCO Johannes

La sfera di Messer Giovanni Sacrobosco
DE SACROBOSCO Johannes

L’évolution du système du monde

Vers la fin du Moyen Âge, on doit complexifier de plus en plus le modèle géocentrique de Ptolémée (ca 100-ca 170) pour rendre compte des observations astronomiques. Dans ce contexte, Nicolas Copernic (1473-1543) publiera à titre posthume un livre, De Revolutionibus orbium coelestium, dans lequel il reprend l’idée d’un cosmos centré sur le Soleil et non plus la Terre. Cette représentation héliocentrique avait déjà été prônée par Aristarque de Samos (310-230 av. J.-C.) dans l’Antiquité. Copernic place les planètes sur des cercles concentriques en mouvement autour du Soleil, ce qui permet d’alléger le modèle mais pas encore de se passer des épicycles. En effet, le modèle de Copernic ne prévoit pas la variation de la vitesse et de la distance des planètes sur leur orbite, comme le fera le modèle de Kepler. À cause du mouvement de la Terre autour du Soleil, on doit également observer des déplacements de la position apparente des étoiles au cours de l’année. Ces phénomènes très fins, connus sous le nom d’aberration et de parallaxe, ne seront observés qu’aux XVIIIe et XIXe siècles.

Cependant, l’héliocentrisme est un progrès crucial qui va ouvrir la voie au développement des lois de Kepler, puis à la gravitation universelle, à la mécanique de Newton et au calcul différentiel. Ces outils mathématiques se retrouvent aujourd’hui dans toutes les sciences, de l’ingénierie à la médecine.

Nicolai Copernici Torinensis De Revolutionibus orbium coelestium, libri VI 
[Reproduction anastatique]
COPERNIC Nicolas

Les institutions astronomiques, contenans les principaux fondemens et premieres causes des cours et mouvemens celestes […]
DE MESMES Jean-Pierre

Atlas sive Cosmographicae meditationes de fabrica mundi et fabricati figura
MERCATOR Gérard

Planetologia, rebus astronomicis, medicis, et philosophicis erudite referta […]
MIZAULD Antoine

Cosmographie, oft Beschrijvinghe der gheheelder werelt […]
APIANUS Petrus

La représentation hybride du cosmos par Tycho Brahé

Ce célèbre astronome danois réalisa les plus précises observations astrométriques, atteignant la meilleure précision possible à l’œil nu de la minute d’arc, soit environ la taille apparente d’un objet d’une longueur d’un mètre placé à l’horizon. Si Tycho Brahé (1546-1601) ne disposait pas d’instrument d’optique à l’époque, il conçut et utilisa différents instruments mécaniques, notamment un grand sextant. Tycho Brahé réalisa des observations détaillées d’une nouvelle étoile – une nova – dans la constellation de Cassiopée, ce qui montra ainsi que les cieux n’étaient pas immuables comme le préconisait Aristote. Enfin, Brahé lèguera ses données à son assistant, Johannes Kepler (1571-1630), qui les utilisera pour formuler ses fameuses trois lois.

Mais Tycho Brahé a également construit une représentation hybride du cosmos, combinant les avantages du géocentrisme de Ptolémée et de l’héliocentrisme de Copernic. La Terre, au centre du monde, voit circuler autour d’elle la Lune et le Soleil, mais les autres planètes adoptent un mouvement circulaire centré sur le Soleil et non sur la Terre. Ce système perdurera quelques décennies au début du XVIIe siècle, il sera préféré un moment par l’Église à celui de Copernic en raison du contexte historique et préférable à celui de Ptolémée pour rendre compte des observations. Toutefois, ce modèle ne permet pas non plus de se débarrasser complètement des épicycles, qui demeurent nécessaires pour le calcul des positions des astres dans le ciel. La solution sera bientôt apportée par les lois de Kepler, que justifiera ensuite la théorie de la gravitation universelle de Newton.

Tychonis Brahe Astronomiae instauratae progymnasmata […] 
[Reproduction anastatique]
BRAHE Tycho