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Johannes Kepler (ou Keppler), né le 27 décembre 1571 à Weil-der-Stadt, près de Stuttgart (Allemagne) et mort le 15 novembre 1630 à Ratisbonne, est un astronome célèbre pour avoir étudié et confirmé l'hypothèse héliocentrique (la Terre tourne autour du Soleil) de Nicolas Copernic. Il va laisser ses trois lois pour décrire les orbites des planètes. Notons que s'il avait vu juste, il expliquait les mouvements des planètes non pas par la gravité mais par le magnétisme.
L'astéroïde 1134 Kepler a été nommé en son honneur.
| Sommaire |
Kepler naît au sein d'une famille de religion protestante luthérienne, installée dans la ville de Weil-der-Stadt en Allemagne. Son grand-père paternel en est d'ailleurs le maire. Une famille peu ordinaire dont l'ambiance n'est pas des plus saines. Son père, Heinrich Kepler, était mercenaire dans l'armée du Duc de Württemberg et rarement présent à son domicile, toujours en campagne. Sa mère, Catherine — qu'il qualifie même de « petite, maigre, sinistre et querelleuse » — fut élevée par une tante qui finit sur le bûcher pour sorcellerie. De 1574 à 1576, il vécu avec son petit frère Heinrich — épileptique — chez ses grand-parents alors que son père était en campagne et sa mère était partie le rechercher. Il repart en guerre en 1589 et disparaît à jamais. Kepler aura deux autres cadets : Margarette, sa sœur, avec qui il restera proche, et Christopher, qui lui sera toujours antipathique.
Ce sont néanmoins ses parents qui feront découvrir à Kepler l'astronomie. En 1577 sa mère l'emmène en haut d'une colline pour observer le passage d'une comète. Son père quant à lui, lui montre l'éclipse de Lune le 31 janvier 1580 et comment celle-ci devint toute rouge. Kepler étudiera plus tard ce phénomène et l'expliquera dans l'un de ses ouvrages sur l'optique.
Kepler souffrira toute sa vie d'une santé fragile ; il est né prématurément à sept mois. De plus, il est hypocondriaque de nature. À l'âge de trois ans, il est atteint de la petite vérole. Il s'en tirera avec une vue sévèrement affaiblie et diverses autres séquelles.
Au retour de ses parents, il déménage à Léonberg et entre à l'école latine en 1577. Il ne terminera 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 Trübingen. Là, il commence dans un premier temps par étudier l'éthique, la dialectique, la réthorique, le grec, l'hébreu, l'astronomie et la physique, puis plus tard 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 enseigna le système héliocentrique de Copernic qu'il réservait aux meilleurs étudiants. Les autres devaient alors se contenter du système géocentrique de Ptolémée, qui place la Terre au centre du monde. Kepler deviendra ainsi copernicien convaincu et restera très proche de son professeur, même après ses études ; il n'hésitera pas à lui demander aide ou conseil pour ses travaux.
Alors que Kepler projetait 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 (bien qu'on lui indiqua qu'il pourra les achever), et quitte Trübingen en 1594. À Graz, Il publie des almanachs avec des prédictions astrologiques — qui se réalisent — bien qu'il refusa certains préceptes de l'astrologie. À l'époque, la distinction entre science et croyance n'était pas encore clairement établie et le mouvement des astres, encore assez méconnu, était gouverné par des lois divines.
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, leurs distances au Soleil et enfin leurs vitesses.
Dans son livre, il y 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 Venus l'isocaèdre et à Mercure l'octaèdre. La Terre, que Dieu avait choisi 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 excentricité lorsqu'on prenait le Soleil pour centre, et qu'elles étaient plutôt elliptiques. Il en tiendra compte dans la construction de son modèle en affectant aux sphère une certaine épaisseur, proportionnelle à l'excentricité remarquée, dans laquelle sera 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 faudra plus de vingt ans pour la réctifier.
Cette théorie qui nous parait 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 fera part de son enthousiasme pour le soutient de ses idées copernicienne qu'il partage également. Le second, tout aussi admiratif, l'invitera à travailler à ses côtés.
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 seront 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 très précises) mais qui ne savait les exploiter correctement.
Brahé lui demandera 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 Longomontanus qui passe alors à l'étude des mouvements de la Lune. Pensant accomplir sa tâche en quelques semaines, il ne lui faudra pas moins de six ans pour achever son travail. C'est durant ce travail qu'il découvrira les deux premières des trois lois fondamentales : les planètes décrivent des trajectoires elliptiques dont le Soleil est un foyer et elles parcourent des aires égales pendant des intervalles de temps égaux. Elles seront publiées dans Astronomia Nova en 1609, où il sera également le premier à émettre l'hypothèse d'une rotation du Soleil sur son axe.
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 » aux 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 toute 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 gardera ce statut jusqu'en 1612.
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 — sera donnée plus tard par Snell et 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 alors 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 connaissances de la découverte de quatre satellites autour de Jupiter grâce aux observations de Galilée avec son télescope et écrit une lettre de soutient publiée sous le titre de Dissertio 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.
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.
Kepler était obsédé par l'idée 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 atribue aux planètes un thème musical. Les variations des vitesses de ces planètes sont représentés 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.
Suite à l'observation d'une supernova en 1604, 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 du Christ. 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 démontrera que le calendrier chrétien comportait une erreur de cinq ans et sera ainsi le premier à revoir la date de naissance du Christ, en l'an -4.
Entre 1617 et 1621, il écrit Epitome Astronomiae Copernicae, une introduction à l'astronomie copernicienne.
Il construira une table de logarithmes, publié en 1624 dans Chilias logarithmorum à Marburg, 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 différent avec les héritiers de Tycho Brahé qui ne voulait 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 mesures pour les activités commerciales.
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 influençait la météo terrestre. Pour lui, astronomie et astrologie étaient liées. C'est ainsi qu'il essayera de poser des bases scientifiques rigoureuses à l'astrologie en faisant intervenir des principes physiques.
La publication de ses horoscopes et ses prédictions, qui se réalisaient, lui fit une bonne renommée. En 1595 il prédit un soulèvement de la population, une invasion turque ainsi qu'un hiver rigoureux. Il compilera plus tard l'horoscope du général Albrecht von Wallenstein qui s'arrêtera par un « violent événement » en 1634. Wallenstein fut en effet assassiné le 24 février de cette année. Il laissera 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 ».
Kepler fut marié deux fois. Un premier mariage d'intérêt le 27 avril 1597 avec Barbara Müller qu'il verra mourir en 1612, ainsi que deux des cinq enfants — âgés d'un et deux mois à peine — qu'ils auront eu ensemble. Ce mariage, organisé par ses proches, l'unit à une femme « grasse et simple d'esprit », en plus d'avoir un caractère exécrable. Un autre de ses fils mourut à l'âge de sept ans. Seuls sa fille Susanne et son fils Ludwig survivront. Puis à Linz l'année suivante, il épousera Susanne Reuttinger avec qui il aura sept enfants dont trois décéderont 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 innoncence va passer six années à assurer sa défense auprès des tribunaux et écrire de nombreux plaidoyers. Il devra, à deux reprises, retourner dans le Wurtemberg. Elle passera une année enfermée dans la tour de Güglingen aux frais de Kepler en ayant échappé — de peu — à la torture. On ne lui en montrera que les instruments afin qu'elle comprenne ce qu'elle risquait. Finalement, elle sera acquittée le 28 septembre 1621. Affaiblie par ces dures années de procès et d'emprisonnement, elle meurt six mois plus tard.
Kepler meurt à Ratisbonne lors d'un voyage, à l'âge de 59 ans, suite à une maladie. En 1632, durant la guerre de trente ans, l'armée suédoise détruisit sa tombe et ses travaux ont été perdus jusqu'en 1773. Récupérés par Catherine II de Russie, ils se trouvent à l'Observatoire de Pulkovo.
Quatre années après sa mort est publié Somnium, un texte de science-fiction relatant d'un voyage de la Terre à la Lune qu'il avait achevé peu avant sa mort. Il profite de ce récit pour vulgariser ses idées coperniciennes.
