VINGT-TROISIÈME LEÇON.

Considérations générales sur les lois de Képler, et sur leur

application à la théorie géométrique des mouvemens célestes.

La connaissance du mouvement de la terre nous conduit naturellement à

nous transporter au point de vue solaire, puisqu'il devient dès lors

nécessaire, et en même temps possible, de ramener nos observations

immédiates à celles qui seraient faites du centre du soleil, désormais

reconnu comme le vrai centre immobile de tous les mouvemens intérieurs

de notre monde, seul objet essentiel de nos études astronomiques. Cette

transformation, justement nommée _parallaxe annuelle_, suit, en effet,

les mêmes règles que la parallaxe ordinaire ou diurne, examinée dans la

vingtième leçon: elle est seulement beaucoup plus grande, la distance de

la terre au soleil y remplaçant le rayon de la terre; ce qui n'a

d'influence que sur les coefficiens des formules trigonométriques déjà

usitées dans le premier cas. À la vérité, le changement qu'éprouve,

pendant le cours de l'année, la distance de la terre au soleil, tend à

introduire, entre ces deux réductions, une différence essentielle. Mais,

cette variation, dont la plus grande valeur n'est que d'un trentième,

peut, d'abord, être entièrement négligée, sans aucun inconvénient réel,

dans une première étude des mouvemens célestes: et la découverte des

lois géométriques de ces mouvemens permet, ensuite, d'en tenir compte

avec exactitude, dans les cas qui l'exigent.

C'est ainsi que les astronomes convertissent habituellement toutes leurs

observations géocentriques en observations héliocentriques. À l'égard

des étoiles, nous savons déjà, par l'avant-dernière leçon, que cette

transformation, quelque considérable qu'elle doive paraître, est

toujours entièrement insensible jusqu'ici: en sorte que, dans

l'observation de tous les astres extérieurs à notre monde, il est

parfaitement indifférent que le spectateur soit placé sur la terre, ou

sur le soleil, ou sur une planète quelconque. Mais, pour l'intérieur de

notre système, la parallaxe annuelle doit, évidemment, avoir une valeur

très sensible, quelquefois extrêmement grande, et dont il est

indispensable de tenir compte, même envers les planètes les plus

lointaines.

D'après cette transformation fondamentale, nous pouvons maintenant

poursuivre et terminer l'étude géométrique des mouvemens planétaires,

déjà ébauchée, à la fin de l'avant-dernière leçon, quant à leurs

périodes et aux plans dans lesquels ils s'exécutent, et au sujet de

laquelle nous avions dû réserver la partie la plus importante et la plus

difficile, la détermination exacte de la vraie figure des orbites et de

la manière dont elles sont parcourues. Ces connaissances essentielles

une fois acquises, nous pourrons enfin nettement comprendre comment

l'astronomie atteint son véritable but définitif, la prévision exacte et

rationnelle de l'état de notre système à une époque quelconque donnée.

Tel est l'objet de la leçon actuelle.

Dans la première enfance de l'astronomie mathématique, on a dû

naturellement regarder les mouvemens des planètes comme exactement

uniformes et circulaires. Quoique cette supposition fût, sans doute,

appuyée, si ce n'est inspirée, par des considérations métaphysiques et

même théologiques sur la perfection de ce genre de mouvemens, convenable

à la nature divine des astres, comme les écrits des anciens nous en

offrent d'incontestables témoignages, elle n'en était pas moins alors

profondément rationnelle. Car, il était indispensable de former à cet

égard une hypothèse quelconque pour parvenir graduellement, en la

comparant de plus en plus aux observations, à la vraie connaissance des

mouvemens célestes, qui n'était point susceptible d'être jamais obtenue

d'une manière directe. Or, on ne pouvait, évidemment, adopter une

hypothèse plus simple qui, représentant à peu près l'ensemble des

premières observations, fût plus aisément susceptible de leur être,

ensuite, extrêmement confrontée par la géométrie alors naissante. Telle

est la valeur réelle de cette hypothèse fondamentale, qui a d'abord

constitué la science astronomique, que nous l'employons encore

aujourd'hui, quand nous voulons nous contenter d'une première

approximation, toutes les fois, par exemple, que nous ébauchons la

théorie d'un nouvel astre.

Mais, par les progrès mêmes que permettait l'usage d'une telle

hypothèse, on ne dut pas tarder à reconnaître que les planètes ne

demeurent point à des distances invariables du centre de leurs

mouvemens, et que leurs vitesses autour de lui ne sont pas constantes.

Cette remarque générale dut être surtout hâtée par l'obligation qu'on

s'était imposée de placer ce centre sur la terre; car, si l'on eût

rapporté les mouvemens au soleil, ces irrégularités eussent été beaucoup

moins prononcées, et, par conséquent, bien plus tard constatées. Dès

lors, les astronomes grecs imaginèrent, pour représenter les phénomènes,

de modifier leur hypothèse fondamentale par deux conceptions

principales, dont chacune isolément permettait d'expliquer, jusqu'à un

certain point, les irrégularités observées, et qui, surtout, combinées,

pouvaient long-temps suffire à cette interprétation, tant que les

progrès de la géométrie abstraite ne comportaient pas une confrontation

mathématique entièrement rigoureuse. Ces deux hypothèses secondaires

sont connues sous les noms d'excentrique, et d'épicycle. La première

consiste à placer l'astre central à une certaine distance du centre

géométrique des mouvemens circulaires et uniformes; ce qui suffit pour

faire varier les rayons vecteurs ainsi que les vitesses angulaires,

d'une manière à peu près conforme aux observations, tant que celles-ci

n'ont pas atteint un certain degré de précision, et que, en même temps,

la théorie du cercle n'a point fait exactement connaître la relation

propre de ses coordonnées polaires. Dans la seconde conception, déjà

indiquée par la leçon précédente, l'astre est supposé décrire

immédiatement avec une vitesse constante la circonférence d'un petit

cercle auxiliaire, dont le centre parcourt uniformément l'orbite

primitive; d'où résulte une certaine variation nécessaire dans les

mouvemens rapportés à l'astre central, même sans le déplacer du centre

du cercle principal. Cette seconde hypothèse fournit plus de ressources

que la première, puisqu'elle dispose de deux quantités arbitraires, au

lieu de la seule excentricité. Elle est, d'ailleurs, beaucoup plus

féconde; car, rien n'empêche, à chaque nouvelle découverte d'un défaut

d'harmonie avec les observations, de créer un nouvel épicycle, comme

l'ont fait effectivement, et au degré le plus abusif, les astronomes du

moyen âge. Enfin, les deux hypothèses peuvent, évidemment, être réunies.

À partir de l'époque où l'usage régulier de ces deux conceptions fut

devenu dominant, il n'est pas douteux, ce me semble, que la philosophie

métaphysique, à laquelle se rattachait l'hypothèse fondamentale, ait

considérablement retardé les progrès de la science astronomique. Sans

les mystiques chimères de cette philosophie sur la convenance absolue du

mouvement circulaire et uniforme à l'égard des astres, on eût

certainement tenté beaucoup plus tôt de sortir d'une hypothèse qui,

n'ayant, à l'origine, d'autre mérite réel que celui de sa simplicité

primitive, avait fini par présenter une complication presque

inextricable, par la multiplication graduelle des épicycles successifs.

Les inconvéniens de cette complication étaient déjà vivement sentis par

tous les astronomes lors de la composition des tables pruténiques, et

même à l'époque des tables alphonsines, comme l'indique clairement le

mot célèbre et énergique du roi Alphonse. Néanmoins, l'influence

prépondérante des préjugés métaphysiques prolongea l'emploi de cette

théorie, jusqu'à ce qu'il fût devenu réellement impossible de la suivre

davantage, lorsque, vers la fin du seizième siècle, le nombre total des

cercles employés à l'explication des mouvemens célestes s'éleva jusqu'à

74, pour les sept astres considérés alors; tandis que, en même temps,

les progrès importans que Tycho introduisit dans toutes les observations

astronomiques ne permirent plus de représenter suffisamment ainsi les

mouvemens planétaires effectifs, malgré la multitude de quantités

arbitraires dont les astronomes pouvaient disposer d'après un tel

système. C'est ainsi que, même dans les sciences, les hommes ne se

déterminent à changer radicalement leurs institutions primitives

(surtout quand elles n'ont pas été rationnellement établies), que

lorsqu'elles ont enfin complètement cessé de remplir l'office auquel

elles étaient destinées, et après que les nombreuses modifications dont

on les avait, à cet effet, successivement surchargées, sont évidemment

devenues impuissantes.

Tel était l'état de l'astronomie avant le grand rénovateur Képler, qui,

le premier après vingt siècles, osa reprendre, de fond en comble, le

problème général des mouvemens planétaires, en regardant tous les

travaux antérieurs comme non-avenus, et n'adoptant d'autre base

générale que le système complet d'observations exactes auquel la vie de

son illustre précurseur, Tycho-Brahé, venait d'être si noblement

dévouée. Malgré la hardiesse naturelle de son génie, ses écrits nous

montrent, dans leur admirable naïveté, combien il avait besoin d'exciter

son enthousiasme pour soutenir l'exécution d'une entreprise aussi

audacieuse et aussi difficile, quoique si éminemment rationnelle.

Le choix que fit Képler de la planète Mars, pour son système de

recherches astronomiques, était extrêmement heureux, à cause de

l'excentricité plus prononcée de cette planète, qui devait rendre plus

facile à saisir la vraie loi des inégalités. Mercure, à la vérité, est

encore plus excentrique; mais la difficulté de l'observer d'une manière

assez suivie, ne permettait pas de l'employer.

Il s'agit donc maintenant de considérer directement les trois grandes

lois fondamentales, découvertes par Képler au sujet de Mars, et qu'il

étendit ensuite à tous les autres mouvemens intérieurs de notre système.

L'ordre suivant lequel on les dispose habituellement aujourd'hui n'est

point indifférent: c'est celui dans lequel elles servent à fonder la

mécanique céleste, comme le montrera la leçon prochaine. Sous le point

de vue purement géométrique, les deux premières suffisent pour

déterminer complètement le mouvement propre à chaque planète, l'une en

réglant sa vitesse à chaque instant, l'autre en fixant la figure de

l'orbite. La troisième loi est destinée à établir une harmonie

fondamentale entre tous les divers mouvemens planétaires.

_Première loi._ On avait depuis long-temps remarqué que la vitesse

angulaire de chaque planète, c'est-à-dire, l'angle plus ou moins grand

décrit, en un temps donné, par son rayon vecteur, augmente constamment à

mesure que l'astre s'approche davantage du centre de son mouvement: mais

on ignorait entièrement la relation exacte entre les distances et les

vitesses. Képler la découvrit, en comparant les deux cas extrêmes du

_maximum_ et du _minimum_ de ces quantités, où leur vraie liaison devait

être, en effet, plus sensible. Il reconnut ainsi que les vitesses

angulaires de Mars, à son périhélie et à son aphélie, sont inversement

proportionnelles aux quarrés des distances correspondantes. Cette loi,

saisie par son génie dans le simple rapprochement de deux seules

observations, fut ensuite vérifiée pour toutes les positions

intermédiaires de Mars, et, plus tard, étendue à toutes les autres

planètes. Son exactitude a été constatée depuis par l'expérience

habituelle de tous les astronomes. Elle est ordinairement présentée

sous une autre forme géométrique, imaginée par Képler lui-même. Au lieu

de dire que la vitesse angulaire d'une planète quelconque est, à chaque

point de son orbite, en raison inverse du quarré de la distance au

soleil, on préfère exprimer, plus simplement, que l'aire tracée, en un

temps donné et très court, chaque jour par exemple, par le rayon vecteur

de la planète, est d'une grandeur constante, quoique sa forme soit

variable: ou, en d'autres termes, que les aires décrites croissent

proportionnellement aux temps écoulés. Cet énoncé n'est évidemment

qu'une heureuse transformation géométrique de l'énoncé primitif. Car, en

choisissant un temps assez court pour que le mouvement de l'astre puisse

être envisagé comme momentanément circulaire autour du soleil, il est

clair que l'aire qu'engendre le rayon vecteur est proportionnelle au

produit de la vitesse angulaire par le quarré de la distance; et

qu'ainsi la réciprocité des deux facteurs équivaut à l'invariabilité du

produit.

En détruisant radicalement la prétendue uniformité des mouvemens

célestes, Képler a donc satisfait aux besoins fondamentaux de l'esprit

humain en la remplaçant par une analogie du même ordre et plus réelle:

la constance n'a plus été dans les arcs décrits, mais dans les aires

tracées. On a même judicieusement remarqué à ce sujet que cette loi

nouvelle, quoique moins simple en apparence, était, au fond, beaucoup

plus favorable pour faciliter la solution effective du problème

géométrique des planètes. Car, avec la vraie figure des orbites

planétaires, et même en conservant des cercles excentriques, l'égalité

des arcs eût, en réalité, bien moins simplifié le travail que ne l'a

fait l'égalité des aires.

_Seconde loi._ La véritable nature des orbites était peut-être moins

difficile à découvrir. Car, il suffit essentiellement, à un homme tel

que Képler, d'avoir enfin bien senti, d'une manière franche et complète,

la nécessité d'abandonner irrévocablement les mouvemens circulaires, ce

à quoi l'on conçoit d'ailleurs aisément qu'il n'a pu parvenir tout d'un

coup. C'est là qu'on peut apercevoir clairement la funeste influence des

préjugés métaphysiques pour entraver la marche de Képler, en le faisant

si souvent hésiter, dans ses diverses tentatives, à renoncer

définitivement au mouvement circulaire. Mais, cette condition préalable

une fois remplie, il était fort naturel d'essayer l'ellipse, la plus

simple de toutes les courbes fermées après le cercle, qui n'en est

qu'une modification.

La théorie abstraite de cette courbe avait été heureusement poussée

assez loin par les géomètres grecs pour qu'il devînt possible de la

reconnaître avec certitude dans les orbites planétaires. Il ne pouvait y

avoir une longue hésitation sur la place que le soleil devait occuper.

Car, on ne pouvait, évidemment, lui assigner que deux positions

remarquables, ou le centre, ou l'un des deux foyers. Or, une réflexion

générale sur les mouvemens célestes excluait immédiatement le centre,

sans avoir besoin d'aucun travail mathématique. Car, dans cette

hypothèse, l'orbite présenterait deux périhélies diamétralement opposés,

ainsi que deux aphélies; et chaque périhélie serait à quatre-vingt-dix

degrés seulement, au lieu de cent quatre-vingt degrés, de chaque

aphélie, ce qui est trop manifestement contraire à l'ensemble des

observations, même les plus grossières, pour pouvoir être un seul

instant supposé. Voilà comment Képler, en adoptant les orbites

elliptiques, fut nécessairement conduit à placer le soleil au foyer,

pour toutes les planètes à la fois. Quand son hypothèse eut été ainsi

bien formée, il devint aisé d'en constater la justesse, en la comparant

aux observations, par des calculs dont tous les principes étaient posés

d'avance.

Telle est donc la seconde loi de Képler: les orbites planétaires

elliptiques, ayant le soleil pour foyer commun. Les excentricités sont

toujours fort petites pour les planètes proprement dites, excepté à

l'égard de deux des quatre planètes télescopiques, dans lesquelles la

distance des foyers s'élève jusqu'à un quart du grand axe. Cette belle

loi fut long-temps méconnue par la plupart des astronomes, même de ceux

qui sentaient vivement la nécessité d'abandonner les mouvemens

circulaires, et qui faisaient, à cet effet, dans une autre direction que

Képler, d'infructueuses tentatives. Dominique Cassini lui-même, plus

d'un demi-siècle après, eut la malheureuse idée de remplacer l'ellipse

de Képler par une courbe du quatrième degré, grossièrement semblable, en

certains cas, à l'ellipse, et dans laquelle le produit des distances aux

deux foyers, au lieu de leur somme, reste invariable[9]. Mais,

l'expérience journalière de tous les astronomes a démontré depuis

combien était exacte la découverte de Képler, qui d'ailleurs, avait déjà

donné à cet égard les preuves les plus irrécusables, en construisant,

d'après ses deux premières lois, les célèbres tables rudolphines, qui

représentaient l'ensemble des observations avec bien plus de précision

que toutes les tables antérieures.

[Note 9: Le nom bizarre de _cassinoïde_, donne à cette

courbe par quelques écrivains, a tendu à éterniser le

souvenir de l'erreur fondamentale de ce célèbre astronome.]

_Troisième loi._ Les deux lois précédentes déterminent entièrement la

course de chaque planète, considérée séparément, d'après le petit nombre

de constantes nécessaires pour la caractériser. Mais, les mouvemens des

diverses planètes autour du foyer commun restaient encore complètement

isolés les uns des autres, toutes ces constantes paraissant avoir des

valeurs essentiellement arbitraires. Képler, qui, de tous les hommes

peut-être, a possédé au plus haut degré le génie analogique, chercha (ce

que les anciens n'avaient jamais tenté, même grossièrement) à établir

entre tous ces mouvemens si différens, une certaine harmonie exacte et

fondamentale. Tel est l'objet de sa troisième loi.

Plusieurs philosophes ont pensé (et j'avoue l'avoir d'abord cru

moi-même), que les vagues conceptions de la métaphysique sur les

harmonies mystiques de l'univers n'avaient pas été inutiles à cette

sublime découverte, en excitant les recherches de Képler sur la relation

entre les temps périodiques des diverses planètes et leurs moyennes

distances. Mais, en examinant plus profondément ce point intéressant de

l'histoire de l'esprit humain, il est aisé, ce me semble, de se

convaincre du contraire. Long-temps avant Képler, la philosophie

métaphysique avait entièrement cessé d'avoir, en astronomie, aucune

utilité réelle. Elle n'eût pu servir, en cette occasion, qu'à soutenir

la constance de ses travaux, par la persuasion préalable de l'existence

certaine d'une harmonie quelconque à cet égard. Or, sous ce rapport,

elle était complètement inutile, puisque beaucoup d'astronomes avaient

déjà remarqué que les révolutions planétaires sont toujours d'autant

plus lentes que les orbites ont plus d'étendue, ce qui suffisait,

évidemment, à Képler, pour motiver, à ce sujet, une recherche

mathématique. Il est clair, au contraire, que les considérations

métaphysiques ont considérablement retardé sa marche, en lui faisant

chercher avec une longue obstination, des harmonies qui ne pouvaient

avoir aucune réalité. En suivant d'abord la direction positive, comme il

finit par le faire, après s'être si long-temps égaré dans ces recherches

chimériques, sa découverte n'eût certainement point exigé dix-sept ans

de travaux assidus. Ayant préalablement reconnu que les temps

périodiques des diverses planètes croissent plus rapidement que leurs

moyennes distances au soleil, il suffisait d'essayer successivement,

parmi les diverses puissances du demi-grand axe, celle à laquelle la

durée de la révolution devait être proportionnelle. L'ensemble des

données du problème excluait d'abord les puissances entières, en

montrant que les temps périodiques croissent moins rapidement que les

quarrés des moyennes distances. Képler était ainsi naturellement conduit

à essayer l'exposant 3/2, le plus simple de tous les exposans entre 1 et

2. C'est par là qu'il découvrit enfin que les quarrés des temps des

révolutions sidérales de toutes les diverses planètes sont exactement

proportionnels aux cubes des demi-grands axes de leurs orbites: loi que

les observations postérieures ont toujours entièrement confirmée. On

voit que les conceptions métaphysiques furent, en réalité, parfaitement

étrangères à sa découverte, et que, loin d'y guider Képler, elles l'en

détournèrent long-temps.

Outre la destination fondamentale de cette grande loi pour la mécanique

céleste, comme nous l'indiquerons dans la leçon suivante, elle présente

évidemment, en géométrie céleste, cette importante propriété directe, de

permettre de déterminer, l'un par l'autre, le temps périodique et la

moyenne distance de toutes les diverses planètes, quand ces deux élémens

ont été d'abord bien observés à l'égard d'une seule planète quelconque.

C'est ainsi, par exemple, qu'on a pu évaluer très promptement la durée

de la révolution d'Uranus, une fois que sa distance au soleil a été

mesurée, sans avoir besoin d'attendre l'accomplissement si lent d'une

révolution entière, qui a seulement servi plus tard à confirmer le

résultat primitif. De même, en sens inverse, si l'on venait à découvrir

quelque nouvelle planète très rapprochée du soleil, il suffirait

d'observer la durée très courte de sa révolution sidérale, pour en

conclure immédiatement la valeur de sa distance, dont la détermination

directe serait alors embarrassante. Les astronomes font continuellement

usage de cette double faculté, que la troisième loi de Képler leur a

procurée.

Telles sont les trois lois générales qui serviront éternellement de base

à la géométrie céleste pour l'étude rationnelle des mouvemens

planétaires, et qui régissent aussi, exactement de la même manière, les

mouvemens des satellites autour de leurs planètes, en plaçant l'origine

des aires ou le foyer de l'ellipse au centre de la planète

correspondante. Depuis que l'admirable génie de Képler nous les a

dévoilées, le nombre total des astres de notre monde, sans même y

comprendre les comètes, a plus que triplé; et cette multiplicité

d'épreuves aussi inattendues n'a fait que confirmer successivement de

plus en plus leur profonde justesse. Leur ensemble a réduit toute notre

détermination des mouvemens de translation de ces corps, à un simple

problème de géométrie (dont les difficultés abstraites sont d'ailleurs

considérables), qui n'emprunte plus à l'observation directe que les

données fondamentales strictement indispensables: ce qui a imprimé à

l'astronomie un caractère profondément rationnel. Ces données sont, pour

chaque astre, au nombre de six: 1º. deux, déjà envisagées dans la

vingt-unième leçon, relativement au plan de l'orbite, déterminé

habituellement par la longitude de l'un ou l'autre noeud, et par

l'inclinaison à l'écliptique; 2º. la longitude du périhélie, qui fixe la

direction de l'orbite dans son plan; 3º. le rapport de la distance

focale au grand axe, qui caractérise la forme de l'ellipse décrite; 4º.

la moyenne distance au soleil, c'est-à-dire le demi-grand axe de cette

ellipse, qui définit entièrement sa grandeur; 5º. enfin, la durée de la

révolution sidérale, indiquant suffisamment la vitesse moyenne de

l'astre. Nous devons regarder, dans cette leçon, tous ces élémens

fondamentaux comme rigoureusement constans, l'étude des légères

variations qu'ils subissent progressivement étant le principal objet

définitif de la mécanique céleste, quoique plusieurs aient d'abord été

appréciées, avec plus ou moins d'exactitude, par la simple observation

directe. D'après ces élémens, il suffit de connaître une seule position

de chaque astre, pour que toute sa course se trouve être géométriquement

définie: ce que les astronomes font ordinairement, en se bornant à

indiquer la longitude de l'astre à une époque donnée.

Quoiqu'il soit évident, en thèse générale, que l'étude des mouvemens

intérieurs de notre monde est ainsi entièrement tombée sous le ressort

de la géométrie abstraite, il n'en est pas moins indispensable de

considérer ici la nature spéciale de ce grand problème géométrique,

suivant les principaux cas généraux qu'il doit présenter, sans entrer

d'ailleurs dans aucun détail de solution, incompatible avec l'esprit et

la destination de cet ouvrage. Il faut distinguer, à cet effet, trois

cas essentiels, que je range ici dans l'ordre astronomique de leur

difficulté croissante: le cas des planètes proprement dites, celui des

satellites, et enfin celui des comètes. Nous devons nous borner ici à

caractériser nettement les différences essentielles que présente à cet

égard le problème général de la géométrie céleste. En outre, on doit

reconnaître préalablement que, par sa nature, ce problème se décompose

toujours en deux questions distinctes, inverses l'une de l'autre: 1º.

étant donnés les élémens astronomiques de l'orbite, déterminer tout ce

qui concerne la course entière de l'astre, ce qui est la recherche la

plus ordinaire à l'égard des astres anciennement connus; 2º.

réciproquement, comme on doit surtout le faire envers tout astre

nouvellement étudié, trouver les valeurs de tous ces divers élémens,

d'après l'observation d'une partie suffisamment étendue de la course de

l'astre. Il importe fort peu d'ailleurs laquelle de ces deux questions

essentielles sera placée avant l'autre.

_Problème des planètes._ La difficulté bien moindre que présente l'étude

géométrique des mouvemens des planètes proprement dites résulte

uniquement de la faible excentricité de leurs orbites, et de la petite

inclinaison des plans correspondans, seuls caractères essentiels qui,

aux yeux des astronomes, les distinguent réellement des comètes. Ces

deux circonstances caractéristiques facilitent beaucoup la solution

précise du problème, en permettant, dans les divers développemens

analytiques qu'elle exige, de s'en tenir aux premières puissances des

inclinaisons et des excentricités. En même temps, sous le point de vue

mécanique, les perturbations étant, en général, comme nous le verrons,

bien plus petites, par une suite nécessaire de ces mêmes conditions, on

conçoit que la solution doit naturellement avoir plus d'exactitude.

En supposant d'abord que tous les élémens astronomiques de la planète

soient donnés, il est clair que, partant d'une position connue, on

pourra calculer, par la combinaison des deux premières lois de Képler,

en quel lieu se trouvera l'astre à telle époque, ou, au contraire, en

combien de temps il se transportera de telle situation à telle autre. La

difficulté consiste essentiellement dans cette question relative à la

théorie de l'ellipse: trouver l'angle compris entre deux rayons vecteurs

qui forment un secteur elliptique dont l'aire est donnée, ou,

réciproquement, passer de l'angle à l'aire. Ce problème fondamental, si

justement désigné sous le nom de _Problème de Képler_, ne peut être

résolu que par approximation dans l'état présent de l'analyse

mathématique, car il dépend d'une intégration qu'on ne sait point

jusqu'ici effectuer en termes finis. Les astronomes emploient encore, à

cet égard, des transformations géométriques essentiellement semblables à

celles imaginées par Képler.

Une ellipse, dont le foyer est donné, étant suffisamment déterminée par

trois quelconques de ses points, il est clair, en considérant maintenant

la question inverse, que trois positions exactement observées d'une

planète, doivent permettre de remonter à la connaissance de tous ses

élémens astronomiques. Cette seconde recherche générale est susceptible

d'une solution parfaitement rigoureuse, quoique, d'ailleurs, elle exige

des calculs fort compliqués. L'orbite une fois géométriquement définie,

la simple comparaison de l'aire comprise entre deux des trois rayons

vecteurs primitifs, avec le temps employé par l'astre à passer de l'un à

l'autre, suffira pour faire connaître, d'après la première loi de

Képler, la durée totale de sa révolution, ce qui complétera la solution.

Ici se reproduit d'ailleurs, dans l'évaluation de cette aire, la

difficulté fondamentale du problème de Képler.

En principe, trois positions quelconques sont strictement suffisantes.

Mais il est d'abord évident que, la solution étant fondée sur la

différence de ces positions, les résultats seraient trop incertains si

l'on ne mettait point, entre les trois observations successives un

notable intervalle, dont la valeur doit naturellement augmenter à mesure

qu'il s'agit d'une planète plus lointaine. En second lieu, il est

indispensable de connaître un plus grand nombre de positions

suffisamment distinctes, au moins cinq ou six, afin de se procurer des

moyens de vérifier et de rectifier les premiers résultats par les

diverses combinaisons ternaires des observations effectuées, dont le

degré d'accord mesurera l'exactitude de l'opération.

Cette double nécessité entraînant le besoin d'un temps plus ou moins

considérable, et, en certains cas, très long, pour l'exacte

détermination définitive d'une orbite planétaire, les astronomes ont

senti l'importance d'employer d'abord provisoirement, comme guide

général de leurs observations, l'antique hypothèse du mouvement

circulaire et uniforme, dans toute sa simplicité primitive, qui présente

le précieux avantage de pouvoir être beaucoup plus facilement calculée,

d'après deux positions seulement, contrôlées, tout au plus, si on le

juge à propos, par une troisième. On peut même avant tout, ce qui est

encore plus simple, commencer par regarder, pendant un temps très court,

la route de l'astre comme rectiligne; et les astronomes l'ont fait

quelquefois avec succès, pour discerner tout d'un coup, surtout envers

un astre nouveau, dans quelle partie du ciel il doit être observé

prochainement. Mais, c'est seulement lorsqu'on se borne à des procédés

graphiques, qui suffisent à un tel but, que cette hypothèse peut être

utilement employée. Quant aux calculs, l'hypothèse circulaire méritera

seule d'être considérée, puisqu'elle s'y adapte avec presque autant de

facilité, et que, d'ailleurs, elle représente infiniment mieux le vrai

mouvement, pour une bien plus grande portion de la course totale. Quoi

qu'il en soit, on voit clairement par là que l'astronomie moderne, en

détruisant sans retour les hypothèses primitives, envisagées comme lois

réelles du monde, a soigneusement maintenu leur valeur positive et

permanente, la propriété de représenter commodément les phénomènes quand

il s'agit d'une première ébauche. Nos ressources à cet égard sont même

bien plus étendues, précisément à cause que nous ne nous faisons aucune

illusion sur la réalité des hypothèses; ce qui nous permet d'employer

sans scrupule, en chaque cas, celle que nous jugeons la plus

avantageuse.

_Problème des satellites._ Les lois de Képler, dans leur application aux

satellites, ne concernent que les mouvemens relatifs de chaque satellite

autour de sa planète, envisagée comme immobile. Ainsi, la difficulté

supérieure du problème des satellites a évidemment pour cause

fondamentale la nécessité de tenir compte du déplacement continuel du

foyer de leurs orbites elliptiques, si l'on veut réellement parvenir à

représenter par des tables effectives la suite de leurs positions, comme

les astronomes l'ont toujours finalement en vue dans leurs travaux. À

cela près, et la course de la planète correspondante étant préalablement

connue, la marche générale de la solution est d'ailleurs entièrement

analogue, dans l'une et l'autre des deux questions inverses, à celle

ci-dessus caractérisée, puisque les mêmes circonstances essentielles, de

la petitesse des excentricités et des inclinaisons, se reproduisent ici.

Mais cette mobilité du foyer de l'ellipse décrite doit nécessairement

compliquer beaucoup la recherche, en regardant même, ainsi qu'il

convient à la leçon actuelle, tous les élémens astronomiques comme

constans, quoique leurs variations soient bien plus prononcées qu'à

l'égard des planètes. Heureusement l'extrême rapidité de la circulation

des satellites compense un peu, dans la plupart des cas, cet

accroissement général de difficulté, en permettant de déterminer, par

des observations immédiates fréquemment renouvelées, leurs principaux

élémens. La première approximation, qui consiste ici, en regardant

d'ailleurs le mouvement comme toujours circulaire et uniforme, à

négliger entièrement le déplacement de la planète pendant

l'accomplissement d'une révolution entière, est peut-être même plus

facile alors qu'en aucun autre cas.

La difficulté fondamentale du problème des satellites doit, évidemment,

présenter des degrés très inégaux, à raison de la disproportion plus ou

moins grande entre le temps périodique de chaque satellite et celui de

la planète correspondante. Si l'on compare, par exemple, le premier

satellite d'Uranus avec le dernier satellite de Jupiter, on voit que

celui-ci emploie deux fois plus de temps que l'autre à faire le tour de

sa planète, qui, d'un autre côté circule autour du soleil sept fois plus

rapidement. Il y aura donc, sans doute, beaucoup moins d'inconvénient à

traiter le premier comme s'il tournait autour d'un foyer immobile; et,

lorsqu'on voudra tenir compte du déplacement, son influence réelle étant

bien moindre, on obtiendra par des calculs moins pénibles le même degré

d'approximation. Aucun cas ne présente à cet égard, par sa nature,

autant de difficultés que celui de la lune, dont la théorie a toujours

fait, même sans compter les perturbations, le plus grand embarras des

astronomes, et dont cependant l'étude exacte nous importe davantage que

celle de tout autre satellite. Il est clair, en effet que, le temps

périodique de la lune étant seulement treize fois moindre environ que

celui de la terre, le déplacement de la planète a ici une extrême

influence sur les positions successives du satellite. La disproportion

des deux mouvemens est infiniment supérieure envers tous les autres

satellites.

_Problème des comètes._ Les comètes ne se distinguent essentiellement

des planètes proprement dites, comme je l'ai indiqué plus haut, que par

la très grande excentricité de leurs orbites, et les inclinations

presque illimitées des plans qui les contiennent. La petitesse si

prononcée et si constante de leurs masses, indiquée par la mécanique

céleste, n'est pas même un caractère vraiment exclusif, puisque les

quatre planètes télescopiques n'ont point probablement des masses

supérieures à celles de presque toutes les comètes. Toutes les autres

circonstances, et surtout celles qui attirent principalement l'attention

vulgaire à l'égard des comètes, sont secondaires et accidentelles, et

manquent d'ailleurs dans plusieurs de ces corps, outre qu'elles ne

sauraient exercer aucune sorte d'influence sur leur étude astronomique.

C'est même de l'extrême excentricité des orbites cométaires, comparée à

la faible excentricité des orbites planétaires, que doit résulter

l'ensemble des différences les plus importantes entre les planètes et

les comètes quant à leur constitution physique et chimique,

essentiellement fixe, d'après cela, dans les premières, et, au

contraire, éminemment variable dans les dernières. Les philosophes qui

ont regardé les comètes comme habitables n'ont point suffisamment

considéré, ce me semble, l'influence physiologique de cette distinction

fondamentale. D'après tout ce que nous connaissons de positif jusqu'ici

sur les lois de la vie, son existence doit être jugée radicalement

incompatible avec une aussi énorme variation dans l'ensemble des

circonstances extérieures, sous les rapports thermométriques,

hygrométriques, barométriques, et probablement électriques et chimiques,

que celle qui doit nécessairement avoir lieu lors du passage,

quelquefois très rapide, d'une comète de son périhélie à son aphélie ou

réciproquement.

On conçoit aisément, du point de vue astronomique, la difficulté

nouvelle que doivent introduire, dans l'étude des mouvemens, ces deux

caractères essentiels des comètes, si peu intéressans en apparence.

Indépendamment des perturbations bien plus grandes qui en sont la suite

nécessaire, et que nous ne devons point considérer encore, il est clair

que l'obligation de ne rien négliger, à l'égard des excentricités et des

inclinaisons, doit rendre les calculs purement géométriques presque

inextricables dans l'exécution, quoique d'ailleurs la théorie soit

entièrement semblable à celle des planètes. Il est remarquable toutefois

que, même dans ce cas, l'hypothèse circulaire puisse être encore

réellement employée pour diriger les premières observations, quoiqu'il

faille évidemment la restreindre à un temps beaucoup plus court. C'est

par l'emploi de cette hypothèse, à laquelle Tycho s'était borné, qu'il

démontra, le premier, contrairement à tous les préjugés philosophiques,

que les comètes sont de véritables astres, aussi réguliers dans leur

cours que les planètes elles-mêmes, quoique d'une étude plus difficile,

après qu'il eut d'abord établi, par l'évaluation grossièrement approchée

de leurs distances, qu'on ne saurait y voir des météores atmosphériques.

Mais, la première ébauche de la théorie des comètes se fait

essentiellement aujourd'hui à l'aide d'une nouvelle hypothèse, imaginée

par Newton, et qui leur est spécialement adaptée, à raison même de la

forme très allongée de leurs orbites elliptiques. C'est l'hypothèse

parabolique, qui, moins simple sans doute que l'hypothèse circulaire,

représente nécessairement beaucoup mieux la course de l'astre, jusqu'à

une assez grande distance de son périhélie. On conçoit, en effet, que

l'ellipse d'une comète, vu sa grande excentricité, doit peu s'écarter,

depuis son périhélie jusqu'à environ quatre-vingt-dix degrés de là, de

la parabole qui aurait le même sommet et le même foyer: c'est seulement

plus loin que la distance des deux courbes devient de plus en plus

considérable, et bientôt immense, quelque allongée que puisse être

l'ellipse. La parabole peut donc suffisamment correspondre aux positions

effectives de l'astre pendant cette première partie de sa course, dont

elle simplifie extrêmement l'étude, d'après l'ensemble des propriétés

géométriques de cette courbe, bien plus facile à traiter que l'ellipse.

Cette substitution provisoire est d'autant plus heureuse, qu'elle

convient précisément à la seule portion qui intéresse vivement la

curiosité publique, l'astre n'étant plus ordinairement assez éclairé,

lorsqu'il s'écarte davantage du soleil, pour être visible de la terre à

l'oeil nu.

Pour employer une telle hypothèse, il suffit évidemment, d'après la

nature de la parabole, d'avoir observé la comète dans deux positions

différentes, comme s'il s'agissait du cercle. On en déduit alors

géométriquement tous les élémens ordinaires, sauf bien entendu, le temps

périodique, et le grand axe étant remplacé par la distance du sommet au

foyer. Ce sont ces cinq élémens qui servent aux astronomes de

signalement ordinaire pour reconnaître ou distinguer les comètes dans

leurs apparitions successives, quoique les variations considérables

qu'ils sont susceptibles d'éprouver en réalité puissent souvent induire

en erreur à ce sujet, et qu'elles aient probablement conduit en effet à

multiplier beaucoup trop le nombre des comètes. Enfin, le problème de

Képler, qui comporte alors une solution rigoureuse et même facile,

déterminant l'aire décrite pendant l'intervalle connu des deux

observations primitives, achève de régler tout ce qui concerne la course

de l'astre, en faisant apprécier sa vitesse, ce qui permet dès lors à

nos calculs de le devancer dans toutes ses positions successives,

jusqu'aux limites naturelles de l'hypothèse parabolique.

C'est dans cet esprit que la théorie géométrique des comètes est

habituellement traitée; car, sur le très grand nombre de comètes

actuellement connues et paraboliquement caractérisées, il n'y en a pas

dix dont les orbites elliptiques soient jusqu'ici bien établies, tant

est extrême la difficulté mathématique de la solution rigoureuse.

Néanmoins, sans la théorie elliptique on ne saurait, évidemment,

atteindre à la partie la plus intéressante de cette recherche, la

prévision exacte des retours, d'après l'évaluation du temps périodique.

Il faut même reconnaître, à cet égard, que la durée de la révolution

sidérale constitue le trait le plus caractéristique, et peut-être le

seul vraiment décisif, du signalement d'une comète; car, malgré les

perturbations dont cet élément est aussi susceptible, il varie beaucoup

moins que les divers élémens paraboliques.

On conçoit, par cet ensemble de considérations, quelle est jusqu'ici

l'imperfection nécessaire de la théorie des comètes, comparée à celle

des planètes.

Tels sont, dans leurs caractères essentiels, les trois cas généraux que

présente l'application des lois de Képler au problème fondamental de la

géométrie céleste. C'est ainsi que l'astronomie a pu parvenir à assigner

mathématiquement, pour la suite entière des temps, ou futurs ou passés,

la position qu'occupe, en un instant donné, l'un quelconque des divers

astres qui composent le système solaire dont nous faisons partie.

D'après ces déterminations fondamentales, il devient aisé de comprendre,

en thèse générale, comment tous les phénomènes secondaires qui peuvent

résulter de la situation mutuelle de plusieurs de ces corps ont dû être

exactement calculés et prévus, d'une manière entièrement rationnelle.

Les principaux de ces aspects sont les éclipses de diverses sortes,

qu'entraîne naturellement le passage de ces astres les uns devant les

autres par rapport à nous. L'exactitude et la rationnalité de leur

prévision ont toujours été le critérium évident et décisif d'après

lequel la perfection effective des théories astronomiques est devenue

facilement appréciable, même par le vulgaire, puisqu'un tel résultat

suppose nécessairement une profonde connaissance réelle des lois

géométriques que suivent, dans leurs mouvemens, les deux ou les trois

astres qui concourent au phénomène. À la vérité, tous les événemens

célestes sont, par leur nature, essentiellement périodiques, puisque les

orbites sont toujours nécessairement des courbes fermées. Ainsi, la

notion empirique et grossière de quelques périodes qui reproduisent à

peu près certains genres d'éclipses, a pu devenir, dès la première

enfance de l'astronomie, un moyen direct de prédiction fort imparfait;

ce qui a souvent trompé les érudits sur l'étendue des connaissances de

quelques castes antiques, quoique cela ne supposât essentiellement

d'autre découverte que celle d'une écriture quelconque pour tenir

registre des événemens observés. Mais, il ne saurait évidemment être

question ici de ce procédé anti-géométrique, fondé sur des périodes très

mal observées à l'origine, et d'ailleurs réellement variables, qui

pourrait tout au plus indiquer vaguement, même aujourd'hui, le jour de

l'événement. Il s'agit uniquement de prédictions vraiment mathématiques,

qui n'ont pu commencer que dans l'immortelle école d'Alexandrie; et dont

le degré de précision, à l'heure, à la minute, et enfin à la seconde,

représente fidèlement en effet les grandes phases historiques du

perfectionnement graduel de l'ensemble de la géométrie céleste. Voilà ce

qui, abstraction faite de toute application à nos besoins, fera

toujours, de l'observation des éclipses, un spectacle aussi intéressant

pour les vrais philosophes que pour le public lui-même, et par des

motifs que la propagation de l'esprit positif rendra, j'espère, de plus

en plus, essentiellement analogues, quoique inégalement énergiques.

Indépendamment de la haute utilité pratique de cette classe générale de

phénomènes au sujet du grand problème des longitudes, quelques-uns

d'entre eux sont devenus, depuis un siècle, susceptibles d'une

destination scientifique fort importante, en fournissant, comme je l'ai

annoncé dans l'avant-dernière leçon, les meilleurs moyens de déterminer

avec exactitude la distance du soleil à la terre, donnée si

indispensable à toute notre astronomie.

Quand le soleil est plus ou moins éclipsé par un astre quelconque, soit

qu'il s'agisse d'une éclipse très apparente, comme celles que produit la

lune, soit, au contraire, que le phénomène se réduise à obscurcir un

seul point du disque solaire, d'une manière imperceptible à l'oeil nu,

comme lors des passages de Vénus ou de Mercure entre le soleil et nous,

l'observation de ces phénomènes, dont la théorie est, dans tous les cas,

essentiellement identique, peut nous conduire à apprécier, plus

exactement que par aucune autre voie, la parallaxe relative de cet astre

et du soleil, et par suite la distance du soleil lui-même, d'après la

différence, soigneusement mesurée, que doit présenter la durée totale du

phénomène aux divers observatoires de notre globe. Considérons, en

effet, que la théorie a d'abord déterminé cette durée pour le centre de

la terre, qui verrait l'astre décrivant une certaine corde du disque

solaire. Dès lors, par l'effet de la parallaxe, qui abaisse inégalement

les deux astres, l'observateur situé à la surface du globe verra décrire

une corde différente, ce qui changera la durée effective du phénomène.

Or, dans les cas ordinaires, cet effet se trouvera nécessairement

inverse pour deux lieux situés de part et d'autre de l'équateur

terrestre. Car, si la parallaxe relative rapproche la corde du centre du

disque, à l'égard de l'un de nos hémisphères, et, conséquemment,

augmente la durée mathématique du passage, elle l'en éloignera, au

contraire, et diminuera cette durée, envers l'hémisphère opposé. Il y

aura donc, sous ce rapport, une différence très appréciable entre deux

lieux distincts, convenablement choisis parmi ceux qui permettent

d'apercevoir le phénomène, et surtout d'un hémisphère à l'autre. Cette

différence constatée, ne dépendant, évidemment, que de la parallaxe

relative et de la vitesse angulaire, déjà bien connue, de l'astre

considéré, conduira à l'évaluation de la première de ces deux quantités

et, par suite, de la parallaxe horizontale du soleil.

Tous les astres susceptibles de passer entre le soleil et nos yeux ne

sont pas, à beaucoup près, également propres à une telle détermination.

Il faut d'abord que la parallaxe relative ne soit pas trop considérable,

afin que l'influence propre à la parallaxe solaire ne s'efface point,

pour ainsi dire, vis-à-vis de celle de l'astre, dont la distance à la

terre serait alors insuffisante à nous servir de base dans l'exacte

évaluation de l'éloignement du soleil. D'un autre côté, cette parallaxe

relative serait elle-même trop mal connue si elle ne surpassait pas

notablement la parallaxe du soleil, qu'il vaudrait alors presque autant

déterminer d'une manière directe; et d'ailleurs la différence des durées

serait trop peu prononcée. Enfin, il faut aussi que le mouvement

angulaire de l'astre soit assez lent, pour que, le phénomène se

prolongeant long-temps, cette différence doive être très sensible.

Parmi les trois seuls astres connus qui puissent ainsi éclipser le

soleil, l'ensemble de ces motifs exclut, évidemment, la lune, et même

Mercure, en sorte qu'il ne reste que Vénus. La parallaxe, dans une telle

position, offre les proportions convenables, étant presque triple de

celle du soleil; et la vitesse angulaire est assez petite pour que le

phénomène, dont la durée totale est de six à huit heures, puisse

présenter des différences de vingt minutes au moins entre deux

observatoires bien choisis. Telle est la belle méthode imaginée par

Halley, et pratiquée plus tard par divers astronomes. Le degré de

précision du résultat se trouve, évidemment fixé d'après les

considérations qui précèdent.

J'ai cru devoir caractériser nettement cette application de la théorie

géométrique des mouvemens célestes, à cause de son extrême importance

pour le système entier de la science astronomique. Mais, il serait

contraire à la nature de cet ouvrage d'y considérer spécialement aucune

autre de ces questions secondaires, quelque grande que puisse être,

d'ailleurs, leur utilité pratique.

L'ensemble de ces phénomènes provoque naturellement une remarque

philosophique fort essentielle, sur l'opposition nécessaire et de plus

en plus prononcée de l'esprit positif contre l'esprit théologique ou

métaphysique, à mesure que la géométrie céleste s'est perfectionnée

davantage. Le caractère fondamental de toute philosophie théologique

est d'envisager tous les phénomènes comme gouvernés par des volontés,

et, par conséquent, comme éminemment variables et irréguliers, au moins

virtuellement. Au contraire, la philosophie positive les conçoit comme

assujettis, à l'abri de tout caprice, à des lois invariables, qui

permettent de les prévoir exactement. L'incompatibilité radicale de ces

deux manières de voir n'est, aujourd'hui, nulle part plus saillante qu'à

l'égard des événemens célestes, depuis qu'on a pu les prévoir

complètement et avec la dernière précision. En voyant toujours arriver

les comètes et les éclipses, avec toutes les circonstances minutieuses

exactement annoncées long-temps à l'avance, suivant les lois que le

génie humain a su enfin créer d'après ses observations, le vulgaire

lui-même doit être inévitablement entraîné à sentir que ces phénomènes

sont soustraits à l'empire de toute volonté, qui n'aurait pu, sans

doute, se subordonner aussi complaisamment à nos décisions

astronomiques.

Je me suis efforcé de caractériser aussi nettement que possible, dans

cette leçon et dans les deux précédentes, le véritable esprit général

de la géométrie céleste, envisagée sous ses divers aspects principaux,

et en faisant complètement abstraction de toute considération mécanique.

Il faut maintenant passer à l'examen philosophique, bien plus difficile

et non moins important, de la théorie mécanique dont sont susceptibles

aussi les phénomènes astronomiques, en concevant les résultats généraux

de leur étude géométrique, si admirablement résumés par les trois lois

de Képler, comme autant de faits fondamentaux, propres à nous conduire à

une conception supérieure et unique. Cette seconde étude procure de

nouvelles déterminations, qui, sans elle, nous seraient nécessairement

interdites. Mais, sa principale influence scientifique est de réagir sur

le perfectionnement de la géométrie céleste elle-même, en rendant ses

théories plus précises, par suite de la liaison sublime qu'elle établit

profondément entre tous les phénomènes intérieurs de notre monde, sans

aucune exception. C'est ainsi que l'esprit humain en est enfin venu à

regarder les lois de Képler elles-mêmes comme une sorte d'approximation,

qui n'en conserve pas moins toute l'éminente valeur que nous lui avons

assignée ici. Les divers élémens que ces lois supposent constans sont,

en réalité, ainsi que j'ai dû déjà l'annoncer, susceptibles

d'altérations plus ou moins étendues. La connaissance exacte des lois si

complexes de leurs variations, constitue le principal résultat

astronomique de la mécanique céleste, indépendamment de sa haute

importance directe sous le rapport philosophique.

Cours de philosophie positive. (2/6) · 第 8 / 22 题