Johannes Kepler
Johannes Kepler (ou Keppler), né le 27 décembre 1571 à Weil der Stadt dans le Bade-Wurtemberg et mort le 15 novembre 1630 à Ratisbonne en Bavière, est un astronome célèbre pour avoir étudié et confirmé l'hypothèse héliocentrique (la Terre tourne autour du Soleil) de Nicolas Copernic, et surtout pour avoir découvert que les planètes ne tournent pas en cercle parfait autour du Soleil mais en suivant des ellipses.
Il a découvert les relations mathématiques (dites Lois de Kepler) qui régissent les mouvements des planètes sur leur orbite. Ces relations sont fondamentales car elles furent plus tard exploitées par Isaac Newton pour élaborer la théorie de la gravitation universelle. Il faut toutefois noter que bien qu'il ait vu juste quant à la forme des orbites planétaires, Kepler expliquait les mouvements des planètes non pas par la gravité mais par le magnétisme.
Il a enfin accordé une attention majeure à l'optique en synthétisant en 1604 les principes fondamentaux de l'optique moderne comme la nature de la lumière, la chambre obscure, les miroirs (plans et courbes), les lentilles ou la réfraction.
L'astéroïde (1134) Kepler a été nommé en son honneur. La supernova SN 1604, a été aussi appelée Supernova de Kepler, ou Étoile de Kepler, car restée visible un an après son explosion de 1604, Kepler en rédigea la description la plus précise.
Enfin, en hommage au grand astronome, la NASA a donné son nom au télescope spatial Kepler qui a pour mission pendant quatre ans de détecter des exo planètes telluriques et autres petits corps orbitant près des étoiles de notre galaxie, la Voie lactée. Le télescope doit être lancé en octobre 2008.
Biographie
Kepler naît au sein d'une famille de religion protestante luthérienne, installée dans la ville de Weil der Stadt au Bade-Wurtemberg. Né prématurément à sept mois et hypocondriaque de nature chétive, il souffre toute sa vie d'une santé fragile. À l'âge de trois ans, il contracte la petite vérole, ce qui, entre autres séquelles, affaiblit sévèrement sa vue.
La famille Kepler est peu ordinaire et son ambiance n'est pas des plus saines. Le père, Heinrich Kepler, est mercenaire dans l'armée du duc de Wurtemberg, et toujours en campagne, étant ainsi rarement présent à son domicile. La mère, Catherine — que Kepler qualifie lui-même de « petite, maigre, sinistre et querelleuse » — avait été élevée par une tante qui finit sur le bûcher pour sorcellerie. Kepler a deux cadets : sa sœur, Margarette, dont il reste proche, et Christopher, qui lui fut toujours antipathique.
De 1574 à 1576, il vit avec son petit frère Heinrich — épileptique — chez ses grands-parents, alors que son père est en campagne et que sa mère est partie à sa recherche.
Au retour de ses parents, Kepler déménage à Leonberg et entre à l'école latine en 1577. Ses parents lui font découvrir l'astronomie. Ainsi, en 1577, sa mère l'emmène en haut d'une colline pour observer le passage d'une comète. De son côté, son père lui montre l'éclipse de Lune du 31 janvier 1580, et comment cette dernière devint toute rouge. Kepler étudia plus tard ce phénomène et l'expliqua dans l'un de ses ouvrages sur l'optique.
À nouveau parti en guerre en 1589, son père disparaît à jamais.
Kepler ne termine son premier cycle de trois années qu'en 1583, retardé notamment à cause de son emploi comme journalier agricole, entre neuf et onze ans. En 1584, il entre au Séminaire protestant d'Adelberg, puis, deux années après, au Séminaire supérieur de Maulbronn.
Il y obtient son diplôme de fin d'études et entre en 1589 à l'université de Tübingen. Là, il étudie d'abord l'éthique, la dialectique, la rhétorique, le grec, l'hébreu, l'astronomie et la physique, puis la théologie et les sciences humaines. Il y poursuit ses études après obtention d'une maîtrise en 1591. Son professeur de mathématiques, l'astronome Michael Maestlin, lui enseigne le système héliocentrique de Copernic, qu'il réservait aux meilleurs étudiants, les autres devant alors se contenter du système géocentrique de Ptolémée, qui place la Terre au centre du monde. Kepler devient ainsi un copernicien convaincu et reste très proche de son professeur ; il n'hésite pas à lui demander aide ou conseil pour ses travaux.
Alors que Kepler projette de devenir ministre luthérien, l'école protestante de Graz demande un professeur de mathématiques. Il abandonne alors ses études en théologie pour prendre le poste et quitte Tübingen en 1594. À Graz, Il publie des almanachs avec des prédictions astrologiques. À l'époque, la distinction entre science et croyance n'est pas encore clairement établie et le mouvement des astres, encore assez méconnu, est gouverné par les lois divines.
Kepler se maria deux fois. Une première fois par intérêt, le 27 avril 1597, avec Barbara Müller, qui décède en 1612, tout comme deux de leurs cinq enfants — âgés d'un et de deux mois à peine. Ce mariage, organisé par ses proches, l'unit à une femme au caractère exécrable qu'il qualifie de « grasse et simple d'esprit ». Un autre de ses fils meurt à l'âge de sept ans. Seuls sa fille Susanne et son fils Ludwig survivent. Puis, à Linz l'année suivante, il épouse Susanne Reuttinger avec qui il a sept enfants parmi lesquels trois décèdent très tôt. Un mariage, cette fois-ci, heureux.
En 1615, sa mère, alors âgée de 68 ans, est accusée de sorcellerie. Kepler, persuadé de son innocence, passe six années à assurer sa défense auprès des tribunaux et à écrire de nombreux plaidoyers. Il doit, à deux reprises, retourner dans le Wurtemberg. Elle passe une année enfermée dans la tour de Güglingen aux frais de Kepler, ayant échappé de peu à la torture. Finalement, elle est acquittée le 28 septembre 1621. Affaiblie par ces dures années de procès et d'emprisonnement, elle meurt six mois plus tard.
Kepler meurt en 1630 à Ratisbonne, à l'âge de 59 ans.
En 1632, durant la guerre de Trente Ans, l'armée suédoise détruit sa tombe. Ses travaux sont retrouvés en 1773. Récupérés par Catherine II de Russie, ils se trouvent à l'observatoire de Pulkovo à Saint-Pétersbourg en Russie.
Le Mysterium Cosmographicum
En 1596, il publie son premier ouvrage, Mysterium Cosmographicum, fruit de ses premières recherches sur la structure de l'Univers. Il voit dans les lois qui régissent les mouvements des planètes, un message divin adressé à l'Homme. Dans ce livre, où il affirme sa position copernicienne, il se donne pour objectif de répondre à trois questions portant sur le nombre de planètes, leur distance au Soleil et enfin leur vitesse.
Dans son livre, il développe une théorie des polyèdres réguliers permettant de construire un modèle de l'Univers. Kepler remarqua que dans les six sphères représentant les orbites des six planètes connues à l'époque (de Mercure à Saturne), pouvaient être contenus les cinq solides de Platon. Les solides de Platon étant des polyèdres réguliers, ils étaient parfaits et s'accordaient bien avec la création divine. La sphère étant le sixième solide parfait nécessaire à son modèle, elle correspondait au paradis. Les cinq premiers objets à faces régulières représentaient la dynamique de l'Univers (le mouvement des planètes). Le nombre de ces solides permettait d'ailleurs d'expliquer le nombre des planètes. Chacun d'eux était circonscrit dans une sphère, elle-même circonscrite dans le polyèdre suivant, lui-même circonscrit dans une sphère, et ainsi de suite. Ainsi à Saturne était associé le cube, à Jupiter le tétraèdre, à Mars le dodécaèdre, à Vénus l'icosaèdre et à Mercure l'octaèdre. La Terre, que Dieu avait choisie pour refléter son image, marquait la séparation de deux groupes de ces solides.
Kepler dut également revoir certains détails du modèle copernicien. Ce dernier place le centre des orbites circulaires des planètes non pas sur le Soleil, mais un peu en écart afin de s'accorder à peu près avec les mesures. Pour Kepler, le modèle doit rester simple et tenir de la perfection divine. Or, un point situé à côté du Soleil comme centre des trajectoires est impensable ! Kepler s'était rendu compte lors de ses calculs, que les orbites circulaires des planètes présentaient des excentricités lorsqu'on prenait le Soleil pour centre, et qu'elles étaient plutôt elliptiques. Il en tint compte dans la construction de son modèle en affectant aux sphères une certaine épaisseur, proportionnelle à l'excentricité remarquée, dans laquelle était contenue la trajectoire de la planète correspondante.
Reste la question des vitesses. Pour les expliquer, il attribue au Soleil une vertu qui induit le mouvement des planètes. Il compare celle-ci avec la lumière, qui diminue d'intensité en fonction du carré de la distance. En revanche, cette force ne se répartirait pas de façon sphérique comme la lumière émise, mais n'agirait que sur un plan, propre à chaque planète. Il en déduit alors que cette force diminue de façon inversement proportionnelle à la distance, et non pas en fonction du carré de la distance comme l'intensité lumineuse. Cette loi était cependant erronée et il lui fallut plus de vingt ans pour la rectifier.
Cette théorie qui nous paraît complètement fantaisiste aujourd'hui, a permis à Kepler d'entrer en contact avec ses contemporains Galilée et Tycho Brahé, mathématicien impérial à la cour de Prague. Le premier lui fit part de son enthousiasme pour le soutien de ses idées coperniciennes qu'il partage également. Le second, tout aussi admiratif, l'invita à travailler à ses côtés.
Kepler a, en travaillant sur ces sujets, découvert deux nouveaux solides, aussi réguliers que les grecs, mais constitués de faces convexes (voir Les polyèdres de Kepler-Poinsot).
Le calcul de l'orbite de Mars
Poursuivi pour ses convictions religieuses et ses idées coperniciennes, il doit quitter Graz en 1600. Il se réfugie à Prague, invité par l'astronome danois Tycho Brahé pour y devenir son assistant. Les relations entre les deux personnages furent particulièrement houleuses ; Tycho Brahé ne croyant pas à l'héliocentrisme de Copernic mais soutenant une autre théorie dans laquelle la Terre est au centre mais les autres planètes tournent autour du Soleil.
Kepler voyait en Tycho Brahé un homme plein de richesses (ses mesures étaient très précises) mais qui ne savait les exploiter correctement.
Brahé lui demanda de calculer l'orbite précise de Mars, pour laquelle il avait remarqué une excentricité dans sa trajectoire, considérée comme une anomalie à une époque où l'on pensait encore que les planètes décrivaient des cercles, figure parfaite. Cette tâche était auparavant assignée à son assistant Longo Montanus qui passe alors à l'étude des mouvements de la Lune.
Pensant accomplir sa tâche en quelques semaines, il ne lui fallut pas moins de six ans pour achever son travail. C'est durant ce travail qu'il découvrit les deux premières des trois lois fondamentales :
Les planètes décrivent des trajectoires elliptiques dont le Soleil est un foyer.
Le mouvement de chaque planète est tel que le segment de droite reliant le soleil et la planète balaie des aires égales pendant des durées égales.
Ces lois furent publiées dans Astronomia Nova en 1609, où il fut également le premier à émettre l'hypothèse d'une rotation du Soleil sur son axe.
En 1618 viendra sa troisième grande loi :
Pour toutes les planètes, le rapport entre le cube du demi grand axe de la trajectoire et le carré de la période est le même — cette constante est indépendante de la masse de la planète.
Ce travail fut d'autant plus long que Kepler dut mener en parallèle une étude sur l'optique afin de mieux comprendre et interpréter ses observations, et qu'il était encore trop « conditionné » par les anciennes croyances en astronomie : il doute à plusieurs reprises de la nature circulaire de la trajectoire et pense alors à une ellipse, tout en continuant d'essayer d'en prouver le contraire, en ressortant de vieilles idées faisant appel à l'utilisation d'épicycles.
Les soixante-dix chapitres de l'Astronomia Nova comprennent ainsi toutes les démarches scientifiques et erreurs de Kepler qui lui permirent d'aboutir à ses deux premières lois, mais aussi à d'autres conclusions intéressantes comme la nature de la force responsable du mouvement des planètes, force « quasi magnétique », donc physique et non plus divine.
À la mort de Tycho Brahé en 1601, il fut désigné comme mathématicien impérial à la cour de Rodolphe II. Il garda ce statut jusqu'en 1612.
L'optique
Alors qu'il étudie l'orbite de Mars, Kepler voit la nécessité d'étudier également l'optique afin de mieux comprendre certains phénomènes observés tels la réfraction atmosphérique. Dès 1603, il parcourt divers ouvrages sur le sujet dont celui de l'Arabe Alhazen.
Kepler rassemble les connaissances de l'époque dans son livre Astronomia pars Optica, publié en 1604. Il y explique les principes fondamentaux de l'optique moderne comme la nature de la lumière (rayons, intensité variant avec la surface, vitesse infinie, etc.), la chambre obscure, les miroirs (plans et courbes), les lentilles et la réfraction dont il donne la loi i = n×r, qui est correcte pour de petits angles (la vraie loi — sin i = n×sin r — fut donnée plus tard par Willebrord Snell et René Descartes). Il aborde également le sujet de la vision et la perception des images par l'œil. Il est convaincu que la réception des images est assurée par la rétine et non pas le cristallin comme on le pensait à cette époque, et que le cerveau serait tout à fait capable de remettre à l'endroit l'image inversée qu'il reçoit.
En 1610, il prend connaissance de la découverte de quatre satellites autour de Jupiter grâce aux observations de Galilée avec son télescope et écrit une lettre de soutien publiée sous le titre de Dissertatio cum Nuncio Sidero (Conversation avec le messager des étoiles), puis après avoir lui-même observé ces satellites, il publie ses observations dans Narratio de Observatis Quatuor Jovis Satellibus. C'est d'ailleurs Kepler qui, le premier, dans son ouvrage de 1611, utilisa le mot « satellite » pour désigner les quatre petits astres tournant autour de Jupiter.
L'invention récente du télescope enthousiasme beaucoup Kepler qui, en 1611, écrit un second ouvrage d'optique, Dioptricae, reprenant de nombreux thèmes abordés dans l'Optica en les approfondissant. Dans ce livre très mathématique, il rassemble 141 théorèmes expliquant principalement les lentilles et le fonctionnement d'un télescope.
L'Harmonie du monde
Kepler découvrit grâce à des travaux antérieurs que l'Univers était soumis à des lois « harmoniques », faisant un lien entre l'astronomie et la musique. Dans le Harmonice Mundi, publié en 1619, il attribue aux planètes un thème musical. Les variations des vitesses de ces planètes sont représentées par les différentes notes composant la musique. Ainsi, il était facile de distinguer les orbites les plus excentriques. Mais c'est aussi dans cet ouvrage en cinq volumes que Kepler énonce sa troisième loi fondamentale : le carré de la période est proportionnel au cube du demi-grand axe [de l'ellipse]. Celle-ci découle de ses recherches sur un modèle d'Univers harmonique.
Ses autres travaux
Suite à l'observation d'une supernova en 1604-1605, il écrira deux ans plus tard De Stella nova in pede serpentarii.
L'année 1613 est marquée par la publication d'un travail sur la chronologie et l'année de naissance de Jésus de Nazareth. D'abord en allemand, puis en latin l'année suivante (De Vero Anno quo Aeternus Dei Filius Humanam Naturam in Utero Benedictae Virginis Mariae Assumpsit). Il y démontra que le calendrier chrétien comportait une erreur de cinq ans et fut ainsi le premier à revoir la date de naissance de Jésus, en l'an -4.
Entre 1617 et 1621, il écrit Epitome Astronomiae Copernicae, une introduction à l'astronomie copernicienne.
Il construisit une table de logarithmes, publiée en 1624 dans Chilias logarithmorum à Marbourg, en améliorant la méthode de calcul proposée par John Napier. Bien qu'achevées depuis un moment déjà, il publia à Ulm ses tables rudolphines (Tabulae Rudolphinae) en hommage à Rodolphe II. Ces tables de positions planétaires étaient fondées sur les observations de Tycho Brahé et de ses propres travaux sur la mécanique céleste. Ce retard était dû à un différend avec les héritiers de Tycho Brahé qui ne voulaient pas que les travaux de Tycho soient exploités sans percevoir une partie des gains, ainsi qu'à leur demande de modification de l'introduction de l'ouvrage. Lors de son séjour à Ulm, il est chargé de définir des unités de mesure pour les activités commerciales.
Il émit la conjecture mathématique appelée « conjecture de Kepler » concernant l'empilement des sphères (ou des boulets de canons). Celle-ci n'a été démontrée par l'Américain Thomas C. Hales qu'en 2003 et encore pas tout à fait suivant les critères des mathématiciens. Elle énonce que l'empilement des sphères dans l'espace le plus dense est celui du marchand des quatre saisons à savoir le cubique face centrée (voir système cristallin).
Quatre années après sa mort, est publié Somnium, un texte fantastique (proche de notre science-fiction) relatant d'un voyage de la Terre à la Lune qu'il aurait achevé peu avant sa mort. Il profite de ce récit pour vulgariser ses idées coperniciennes.
Kepler et l'astrologie
Kepler était persuadé que l'astrologie pouvait devenir une science au même titre que la physique ou les mathématiques. Il était convaincu que les positions des planètes affectaient les humains et influençaient la météo terrestre. Pour lui, astronomie et astrologie étaient liées. C'est ainsi qu'il essaya de poser des bases scientifiques rigoureuses à l'astrologie en faisant intervenir des principes physiques.
La publication de ses horoscopes et de ses prédictions lui fit une bonne renommée. En 1595, il prédit un soulèvement de la population, une invasion turque ainsi qu'un hiver rigoureux. Il compila plus tard l'horoscope du général Albrecht von Wallenstein qui s'arrêta par un « violent événement » en 1634. Wallenstein fut en effet assassiné le 24 février de cette année. Il laissa deux écrits sur l'astrologie : De fundamentis astrologiae, en 1601, et Astrologicus, en 1620.
Il attribue d'ailleurs aux astres le malheur et le comportement de ses parents, qu'il croit nés sous une mauvaise étoile, ainsi que son premier mariage — décevant — sous un « ciel calamiteux ».
Biographie de Kepler : http://www.astrofiles.net/modules.php?name=News&file=article&sid=22
Ouvrages de Kepler :
http://num-scd-ulp.u-strasbg.fr:8080/view/authors/Kepler,_Johannes.html
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Bonjour,
