Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et au Flatiron Institute, animateur de Ask a Spaceman et Space Radio, et auteur de How to Die in Space.

Il y a une raison – en fait, plusieurs – pour laquelle Sir Isaac Newton est souvent considéré comme le scientifique n°1 de tous les temps. Et si nous sommes tous obligés d’apprendre ses lois du mouvement et ses concepts de gravité au lycée, nous avons rarement un aperçu de la raison pour laquelle son œuvre fondatrice, « Philosophiae Naturalis Principia Mathematica » (ou, en anglais, « Mathematical Principles of Natural Philosophy »), est si dang importante. Alors, creusons un peu dans l’esprit d’un génie:

Stay put

Les philosophes, à travers le temps, ont cherché des lois fondamentales, des règles simples de l’univers qui pourraient expliquer la grande et sauvage variété de phénomènes que nous voyons dans le monde qui nous entoure. Ils ont travaillé, et largement échoué, à cette tâche pendant quelques millénaires jusqu’à ce que Newton se présente à la fin des années 1600 et leur montre comment faire.

Dans « Principia », Newton a énoncé trois règles simples de l’univers. À première vue, plus de trois cents ans plus tard, elles semblent simples, intuitives et évidentes, mais c’est seulement parce que nous avons eu plus de trois cents ans pour les laisser couler. À l’époque, il s’agissait de révolutions totales de la pensée.

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Sa première loi stipulait que les objets au repos ont tendance à rester au repos, et que les objets en mouvement ont tendance à rester en mouvement. En d’autres termes, il y a cette chose appelée « inertie », qui est une mesure de la résistance d’un objet au mouvement.

Cette idée était… nouvelle. Auparavant, la plupart des penseurs pensaient que les objets individuels avaient une tendance naturelle à se déplacer ou à ne pas se déplacer (par exemple, pour expliquer pourquoi le vent avait tendance à souffler mais que les rochers préféraient rester sur place). De même, certains objets préféraient flotter (comme les nuages) tandis que d’autres ne le faisaient pas (comme les gens). Mais Newton a renversé la situation : tous les objets avaient une résistance innée à un nouveau mouvement, et il fallait une force pour les faire changer.

Une petite poussée

En parlant de forces, c’était la deuxième loi de Newton : les forces appliquées à un objet lui donnent une accélération, la quantité d’accélération dépendant de la masse de l’objet. Cela aussi allait à l’encontre de la sagesse dominante, qui pensait que les forces appliquées à un objet lui donnaient de la vitesse. C’est en partie vrai, car l’accélération est un changement de vitesse, mais cela ne tient pas compte de l’objectif plus large de Newton. Une fois accéléré à une certaine vitesse, un objet conservera cette vitesse à moins et jusqu’à ce qu’une nouvelle force soit appliquée pour l’accélérer ou le ralentir.

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La deuxième loi de Newton est en réalité la loi de la conservation de la quantité de mouvement écrite d’une autre manière. Les objets conserveront leur élan jusqu’à ce qu’une force soit appliquée, et cette force modifiera leur élan. Toutes les interactions entre les objets (par exemple, les collisions, les chocs, les coups, les fracas et ainsi de suite) préserveront la quantité totale de quantité de mouvement entre eux.

Si vous n’avez jamais rencontré la conservation de la quantité de mouvement auparavant, vous devez savoir que ce concept est une pierre angulaire de chaque branche de la physique. Sérieusement, tout : la relativité générale et spéciale, la mécanique quantique, la thermodynamique, la physique des particules et ainsi de suite. Ils reposent tous sur la conservation de la quantité de mouvement pour les guider. Toute la physique moderne se résume, aux niveaux les plus profonds, à exprimer la conservation de la quantité de mouvement dans différents scénarios.

Des électrons dans un atome à l’expansion de l’univers, tout est lié au même concept, dont les racines remontent à la deuxième loi de Newton.

Égaux et opposés

La dernière loi de Newton, selon laquelle chaque force a une force égale et opposée, semble être un ajout mineur. Mais elle aussi a été une révolution majeure dans la pensée.

Lorsque vous poussez sur quelque chose, vous lui appliquez une force et vous le faites accélérer. C’est facile, non ? Mais saviez-vous que l’objet repousse simultanément sur vous ?

Comment est-ce possible, si vous ne bougez pas et que l’objet bouge ?

La clé est que si les forces sont égales, les accélérations ne le sont pas. Si vous êtes plus massif qu’un ballon de football, alors lorsque vous lui donnez un coup de pied, votre accélération sera faible, tandis que le ballon de football s’envolera. Mais cette force qui se retourne contre vous est ce qui vous donne la sensation de résistance. Un autre exemple : lorsque vous vous asseyez sur une chaise, vous lui appliquez une force, mais la chaise vous applique également une force – c’est ce que vous sentez pousser sur vous.

Ce dernier aperçu est la façon dont Newton a déverrouillé le cosmos tout entier. En regardant une pomme tomber d’un arbre, il a réalisé que puisque la Terre applique une force à la pomme, alors la pomme doit également appliquer une force à la Terre. Mais nous ne voyons pas la Terre bouger parce qu’elle est si massive.

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Avec ce raisonnement, Newton a pu faire valoir que la force gravitationnelle n’était pas seulement quelque chose de ressenti près de la surface de la Terre, mais qu’elle était vraiment universelle : tous les objets du cosmos étaient liés à tous les autres objets par des chaînes invisibles de gravité. Armé de cette intuition et de ses nouvelles lois, Newton a pu tout expliquer, des orbites des planètes aux cycles des marées.

C’est le pouvoir que vous obtenez en comprenant correctement les lois fondamentales de la nature, des lois qui ont été le seul paradigme pendant plus de 200 ans (jusqu’aux développements de la relativité et de la mécanique quantique), et qui continuent à jouer un rôle central dans notre vie quotidienne.

Apprenez-en plus en écoutant l’épisode « Quelle était la grande affaire de Newton ? » sur le podcast Ask A Spaceman, disponible sur iTunes et sur le Web à http://www.askaspaceman.com. Merci à Chris C. pour les questions qui ont mené à cet article ! Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter.

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