CHAPITRE II.

L'APLATISSEMENT DU GLOBE.

ESSAIS DE THÉORIE MATHÉMATIQUE DE LA FIGURE DE LA TERRE.

Trois ans après l'apparition du Livre des _Principes_, Christian Huygens

publiait, à Leyde, son _Traité de la lumière, avec un discours sur la

cause de la pesanteur_. La première Partie de l'Ouvrage est mémorable

comme posant les bases de la théorie ondulatoire de la lumière. Les

idées de Huygens sur la cause de la pesanteur se rattachent à la théorie

des tourbillons de Descartes et offrent aujourd'hui pour nous moins

d'intérêt. Pour le savant hollandais, la gravité reste une puissance

occulte inhérente au centre du globe. Cela revient à supposer toute la

masse de la Terre réunie en un seul point. Même dans cette hypothèse

erronée, l'aplatissement apparaît comme une conséquence de la fluidité

primitive. Huygens formule ce principe fécond: «La surface des mers est,

en chacun de ses points, normale à la direction de la pesanteur», et il

en déduit pour l'aplatissement du globe le chiffre 1/578, pas même la

moitié de ce que Newton avait trouvé dans l'hypothèse d'un globe

homogène, soumis dans toutes ses parties à l'attraction universelle.

La réalité de l'aplatissement était mise en doute aussi bien que sa

valeur. Thomas Burnet, théologien anglais, lui opposait des raisons qui

nous semblent aujourd'hui n'avoir rien de scientifique. Eisenschmidt,

mathématicien allemand, formulait une objection d'un caractère plus

grave. Réunissant les mesures connues du degré terrestre, il trouvait

que leur valeur linéaire va en croissant vers l'équateur, et il en

déduisait, correctement du reste, que la Terre est allongée vers les

pôles[1].

[Note 1: EISENSCHMIDT, _Dissertation de la figure de la Terre_.

Strasbourg, 1691.]

Cassini, adoptant cette conclusion, entreprit de la vérifier. Il aurait

fallu, pour le faire d'une façon probante, mesurer deux arcs de méridien

séparés en latitude par un grand espace. On pensa qu'il suffirait de

relier par une chaîne de triangles Dunkerque à Perpignan, et que la

comparaison des degrés au nord et au sud de Paris trancherait la

question. Cette opération importante est décrite dans l'Ouvrage

intitulé: _De la grandeur et de la figure de la Terre_, Paris, 1720. Le

degré moyen fut trouvé égal à 56960 toises au Nord, à 57097 toises au

Sud, ce qui donne raison à Eisenschmidt contre Newton et indique un

allongement de 1/95. Mais il est reconnu aujourd'hui que de graves

erreurs s'étaient glissées dans la mesure de l'arc du Sud et que le

chiffre final repose sur une base des plus fragiles.

Considérant ce résultat comme établi, Mairan entreprit de le justifier

théoriquement[2]. Il déploie beaucoup d'ingéniosité pour mettre en doute

la fluidité primitive de la Terre. Ne peut-elle pas, dit-il, avoir été

primitivement allongée? Alors la force centrifuge n'aurait fait que

diminuer l'allongement sans le détruire. Reste à concilier la forme

oblongue avec l'augmentation constatée de la pesanteur vers le pôle.

Mairan forge dans ce but une loi compliquée, faisant varier la pesanteur

en raison inverse du produit des rayons de courbure principaux en chaque

point de la surface.

[Note 2: MAIRAN, _Recherches géométriques sur la diminution des degrés

en allant de l'équateur vers les pôles_. Paris, 1720.]

Newton accordait, avec raison, peu de crédit aux chiffres de Cassini,

comme aux raisonnements de Mairan. Dans la troisième édition de son

Ouvrage, parue l'année qui précéda sa mort (1726), il maintient la

position qu'il avait prise concernant la figure de la Terre. Mais, sous

l'influence d'un amour-propre national mal placé, l'opinion publique en

France se prononçait fortement pour Cassini. Celui-ci, d'ailleurs,

annonçait de nouvelles vérifications. La mesure d'un arc de parallèle

par Brest, Paris et Strasbourg, exécutée en collaboration avec Maraldi,

de 1730 à 1734, lui semblait décisive. «Ces observations, disait le

commissaire de l'Académie, se sont trouvées si favorables au sphéroïde

allongé que M. Cassini a eu la modération de ne pas vouloir en tirer

tout l'avantage qu'il eût pu à la rigueur et de s'en retrancher une

partie.» En réalité, la démonstration est plus faible encore que celle

qui se fonde sur l'arc de méridien.

[Illustration: Fig. 3. Pl. _XXXIX_ Instrument employé au XVIIIe siècle

pour la mesure des angles géodésiques.]

Jean Bernoulli, qui s'était déjà trouvé en conflit avec Newton dans une

controverse célèbre, concourait en 1734 pour un prix de l'Académie des

Sciences de Paris. Pour cette double raison, il devait incliner vers

l'opinion qui dominait en France. Aussi le voyons-nous s'écrier pour

conclure: «Après cette heureuse conformité de notre théorie avec les

observations célestes, peut-on plus longtemps refuser à la Terre la

figure du sphéroïde oblong, fondée d'ailleurs sur la discussion des

degrés de la méridienne, entreprise et exécutée par le même M. Cassini

avec une exactitude inconcevable?»[3].

[Note 3: TODHUNTER, _A history of the mathematical theories of

attraction and the figure of the earth_, 1873.]

A cela un disciple de Newton, Désaguliers, répondait qu'aucune loi

d'attraction, aucune distribution de densité à l'intérieur ne pouvait se

concilier avec l'ellipsoïde allongé. C'était aller trop loin. Clairaut

montra depuis qu'avec un noyau solide d'une forme convenable

l'ellipsoïde allongé pourrait être figure d'équilibre. D'autre part,

l'Anglais Childrey estimait que la Terre devait être allongée parce

qu'il tombe annuellement sur les pôles plus de neige que le Soleil n'en

peut fondre. C'était méconnaître l'influence de la marche des glaciers

et de la dérive des banquises.

La thèse de Newton trouvait d'ailleurs des partisans distingués, même en

France. En 1720, un écrit anonyme parut sous le titre: _Examen

désintéressé des diverses opinions concernant la figure de la Terre_.

Sous couleur de rapporter impartialement les arguments pour et contre,

il faisait bonne justice des prétentions de Cassini à une exactitude

supérieure. L'auteur dissimulé de l'Ouvrage était Maupertuis,

académicien et homme du monde, bien reçu chez les grands et en rivalité

avec Cassini. En 1732, il publia, sous son nom cette fois, un _Discours

des différentes figures des astres_. Il y commente et justifie avec

intelligence les résultats de Newton. Il montre comment la mesure de

deux arcs de méridien éloignés est nécessaire pour déduire des valeurs

un peu sûres des demi-axes de l'ellipse.

Sous l'impression produite par le Livre de Maupertuis, l'Académie des

Sciences résolut de procéder à une expérience décisive. Deux expéditions

furent organisées. L'une devait se rendre au Pérou, l'autre en Laponie.

En vue de la mesure des bases, on commanda au même artiste, Langlois,

deux règles de fer aussi égales que possible, connues depuis sous les

noms de _toise du Pérou et de toise du Nord_.

[Illustration: Fig. 4 Cercle méridien portatif de Brünner employé pour

la mesure des latitudes dans le Service géographique de l'Armée

française.]

Maupertuis, désigné comme chef de l'expédition de Laponie, se mit en

route en avril 1736. Il emmenait avec lui Clairaut, Camus, Lemonnier

fils, l'abbé Outhier; Celsius, professeur d'Astronomie à Upsal, se

joignit à eux. Deux relations nous sont parvenues, écrites, l'une par

Maupertuis, l'autre par l'abbé Outhier. Elles se complètent utilement

sur plus d'un point. Les triangulations et les visées astronomiques,

contrariées par les marécages, les moustiques, la brume autour des

sommets, la rigueur du climat, furent cependant menées à bien dans l'été

et l'automne de 1736. On mesura une base de 7406 toises sur la glace

d'un fleuve et l'on s'installa pour le reste de l'hiver dans le village

de Tornea, enseveli sous la neige. Les calculs, mis au net, donnaient 57

422 toises au degré. La comparaison avec l'arc français portait

l'aplatissement à 1/178, chiffre supérieur à celui que Newton avait

prévu. En tout cas, aucun doute ne pouvait subsister sur sa réalité. «On

tint la chose secrète, dit Maupertuis, tant pour se donner le loisir de

la réflexion sur une chose peu attendue que pour avoir le plaisir d'en

apporter à Paris la première nouvelle.»

[Illustration: Fig. 5. Cercle azimutal de Brünner, employé dans le

Service géographique de l'Armée française.]

Le départ eut lieu en juin 1737. Au moment de l'embarquement, un

accident survint. Les instruments tombèrent à la mer et ne purent être

repêchés que déjà endommagés par la rouille. On doit reconnaître aussi

que toutes les vérifications désirables n'avaient pas été faites et leur

omission donna lieu, de la part des amis de Cassini, à quelques

critiques justifiées.

La mission du Pérou comprenait Godin, Bouguer, La Condamine, plusieurs

auxiliaires. Elle s'adjoignit ultérieurement deux officiers espagnols,

George Juan et Antonio de Ulloa. Godin, le plus ancien académicien,

était le chef nominal.

Le départ eut lieu à La Rochelle, le 16 mai 1735, près d'un an avant

celui des académiciens du Nord. Mais l'expédition devait durer bien

davantage et les résultats ne furent élucidés que longtemps après. On

n'avait pas encore mesuré un degré de latitude sur trois quand les

nouvelles d'Europe apprirent le retour et le succès des académiciens du

Nord, partis les derniers.

Ce retard tenait à bien des causes et n'avait pas été sans quelque

profit pour la Science. On avait fait escale à la Martinique, à

Saint-Domingue; on avait entrepris des recherches sur la réfraction, sur

le pendule. C'est à Saint-Domingue que Bouguer imagina et fit réaliser

le pendule invariable. On arriva à Quito le 13 juin 1736; mais à partir

de ce moment des difficultés sans nombre surgirent, occasionnées par le

climat inconstant du pays, son caractère montueux, l'impossibilité

d'obtenir un concours efficace des autorités espagnoles et des indigènes

et aussi, on doit le dire, par le défaut d'entente des observateurs.

Chacun d'eux s'appliquait à garder le plus possible le secret de ses

chiffres et à dissimuler dans ses opérations ce qui pouvait donner prise

à la critique. Il fut fait, en réalité, deux triangulations distinctes

et trois relations furent publiées, dues respectivement à Bouguer, à La

Condamine et aux officiers espagnols. Nous devons à cette circonstance

de connaître divers détails qu'un rapport fait en commun eût laissés

dans l'ombre et qui sont utiles pour apprécier l'exactitude du résultat

final. Cette critique a été faite d'une manière pénétrante par Delambre

dans un travail demeuré longtemps inédit et que M. Bigourdan a eu le

mérite de mettre en lumière[4].

[Note 4: G. BIGOURDAN, _Sur diverses mesures d'arc de méridien, faites

dans la première moitié du XVIIIe siècle_ (_Bulletin astronomique_, t.

XVIII, p. 320).]

Bouguer et La Condamine s'étaient promis de ne point faire connaître au

public les déterminations astronomiques exécutées en premier lieu,

reconnues plus tard défectueuses, et qu'il avait été nécessaire de

recommencer. Mais La Condamine, écrivain facile, causeur brillant et

intarissable, était l'homme du monde le moins propre à tenir strictement

un engagement de ce genre. Les trois académiciens, rentrés en France en

1744, 1745 et 1751, mirent le public au courant de leurs aventures et de

leurs travaux. Bouguer publia en 1752 une _Justification des Mémoires de

l'Académie_, pour se plaindre des indiscrétions de son collègue. Une

vive polémique s'ouvrit et ne se termina que par la mort d'un des

adversaires.

[Illustration: Fig. 6. Signal de Saint-Antoine, pylône en briques,

construit pour le Service géographique de l'Armée.]

Ces querelles personnelles ont perdu de leur intérêt aujourd'hui, et ne

doivent pas nous empêcher d'accorder, aux uns comme aux autres, le

tribut d'éloges qui leur est dû. Les missionnaires du Pérou, pas plus

que ceux de Laponie, n'ont dit le dernier mot sur la question ardue de

la forme de la Terre. Ils ont, au prix d'efforts et de travaux

méritoires, mis hors de doute la réalité de l'aplatissement. Pour la

valeur du degré de latitude à l'équateur, Bouguer donne 56 736 toises,

La Condamine 56 714 toises, les officiers espagnols trouvent 56 768

toises. Adoptons le premier résultat, qui tient le milieu entre les deux

autres. Combiné avec le degré du Nord, il donne l'aplatissement 1/223,

plus fort que celui de Newton. La correction aurait dû, nous ne pouvons

en douter aujourd'hui, être faite en sens contraire. On arrive au

chiffre plus vraisemblable 1/324 si l'on substitue aux données de

Maupertuis celles d'une mission suédoise qui opéra sur le même terrain

de 1801 à 1803 sous la direction de Svanberg. L'arc du Pérou fait aussi

l'objet d'une revision qui s'exécute en ce moment par les soins du

gouvernement français. Tant que les résultats n'en seront pas publiés,

les travaux des académiciens du XVIIIe siècle resteront un élément

essentiel dans notre connaissance des dimensions du globe terrestre. Il

faut en dire autant d'un arc de méridien mesuré vers la même époque par

Lacaille dans le voisinage du cap de Bonne-Espérance, repris au siècle

suivant par Maclear et Airy, et que l'intervention du gouvernement

anglais promet d'étendre bientôt à travers l'Afrique australe tout

entière.

[Illustration: Fig. 7. Mesure d'une base géodésique avec une règle

monométallique. La règle est installée sous un abri, que l'on enlève par

portions pour le reconstruire plus loin. Elle est enfermée dans une auge

qui assure l'uniformité de la température et visée à ses deux extrémités

à l'aide de microscopes.]

D'importantes recherches théoriques s'accomplissaient, vers la même

époque, dans la voie ouverte par Newton. Mac Laurin, dans son _Traité

des fluxions_, publié en 1742, résolut le problème de l'attraction d'un

ellipsoïde homogène de révolution sur un point intérieur quelconque. Il

démontra que l'ellipsoïde aplati est une figure d'équilibre pour une

masse fluide homogène tournant autour du petit axe avec une vitesse

convenable.

Les _Mathematical dissertations_ de Thomas Simpson, parues en 1743,

établissent l'existence d'une vitesse angulaire limite, au delà de

laquelle l'équilibre relatif est impossible. Elles montrent que deux

ellipsoïdes différents peuvent répondre à une même vitesse angulaire.

Tant que les recherches mathématiques n'avaient pour objet que des corps

homogènes, on pouvait douter qu'elles fussent susceptibles d'une

application utile aux planètes. Clairaut fut le premier à s'engager avec

succès dans la voie difficile de l'attraction d'un ellipsoïde

hétérogène. Sa _Théorie de la figure de la Terre_ (1743), où se déploie

un talent analytique de premier ordre, demeure sur bien des points un

modèle qui n'a guère été dépassé. Clairaut suppose que les surfaces

d'égale densité sont, aussi bien que la surface extérieure, des

ellipsoïdes de révolution autour d'un même axe, mais il laisse

arbitraire la loi de variation de densité, aussi bien que la loi de

variation d'ellipticité d'une couche à l'autre. Il admet seulement (ce

qui est d'ailleurs fort vraisemblable) que, d'une couche à l'autre, la

densité augmente toujours quand on se rapproche du centre.

Partant de ces hypothèses, Clairaut démontre tout une série de lois

remarquables. Appelons:

a, b les demi-axes d'une couche quelconque, ρ la densité correspondante;

e l'ellipticité b-a/a de cette même couche;

e_1 l'ellipticité de la surface externe;

φ le rapport de la force centrifuge à la pesanteur équatoriale sur la

surface externe;

g_e la pesanteur à l'équateur;

g la pesanteur à la latitude Ψ. On trouve alors:

_Première loi._--Les ellipticités vont toujours en croissant de la

surface au centre.

_Deuxième loi._--Le rapport e/a³ prend des valeurs croissantes de la

surface au centre.

_Troisième loi._--Si l'on pose n = (5/2)φ - e_1, on peut écrire

approximativement

g = g_e(1 + n sin² Ψ).

_Quatrième loi._--L'ellipticité e_1 de la surface externe est toujours

comprise entre φ/2 et 5φ/4.

_Cinquième loi._--Si l'on regarde _e_ et ρ comme des fonctions inconnues

de _a_, on peut écrire une équation différentielle qui relie ces deux

fonctions, et qui devient intégrable si l'on adopte pour ρ certaines

formes simples en fonction de _a_[5].

[Note 5: Nous renverrons, pour la démonstration de ces propriétés, au

_Traité de Mécanique céleste_ de Tisserand, t. II.]

Les trois dernières lois sont précieuses en ce qu'elles ont lieu pour

toute distribution des matériaux à l'intérieur, sous la réserve que

cette distribution rentre dans les hypothèses, d'ailleurs passablement

larges et souples, de Clairaut. Il n'est pas toutefois démontré, ni même

probable que la constitution du globe terrestre s'y conforme

rigoureusement. Une infraction à ces lois, établie par l'expérience, ne

serait donc pas un paradoxe mathématique.

Ces mêmes lois sont approximatives, et s'obtiennent en négligeant la

seconde puissance de l'ellipticité. On peut se permettre cette

simplification pour la Terre et pour la Lune. Il est plus difficile de

s'en contenter pour Jupiter ou Saturne. Dans un Mémoire inséré aux

_Annales de l'Observatoire de Paris_, t. XIX, Callandreau a montré

comment les énoncés des lois de Clairaut devraient être complétés pour

ces deux planètes.

La troisième loi confirme et précise l'énoncé de Newton, concernant la

variation de la pesanteur à la surface. Elle montre comment la forme du

globe pourrait être connue exactement par les seules mesures du pendule,

s'il ne fallait pas compter avec les anomalies locales.

La limite inférieure de l'ellipticité, donnée par la quatrième loi,

correspond à l'aplatissement de Huygens et à la concentration de toute

la masse en un seul point. La limite supérieure conduit à

l'aplatissement de Newton et à l'homogénéité de toute la masse.

Cette quatrième loi se vérifie pour la Terre, Jupiter et Saturne,

c'est-à-dire pour les astres où la durée de rotation et l'ellipticité

sont l'une et l'autre mesurables. En ce qui concerne le Soleil, Mercure,

Vénus, la Lune et Mars, les deux limites de Clairaut font seulement

prévoir une ellipticité insensible, ce qui est encore conforme à

l'observation. Il n'y a pas là, évidemment, une démonstration précise,

mais une présomption sérieuse pour considérer la théorie de Clairaut

comme exacte dans ses grandes lignes.

[Illustration: Fig. 8. Transport des abris pour la mesure d'une base.

(Expédition française dans la République de l'Équateur, sous la

direction du Colonel BOURGEOIS.)]

La terre et la lune: forme extérieure et structure interne · 第 7 / 54 题