Johannes Kepler (1571 - 1630)

L'univers ramené à une équation mathématique

Depuis le IIe siècle de notre ère, l’astronomie occidentale suivait les conclusions du Grec Ptolémée qui, à Alexandrie, avait compilé les travaux de ses prédécesseurs pour en proposer une synthèse avec la Terre au centre du cosmos.

Tout change en 1543. Nicolas Copernic promeut l’idée selon laquelle c’est le Soleil qui se trouve au centre du cosmos. Mais ce n'est qu'un demi-siècle après sa mort, avec Galilée et Kepler, que la « révolution copernicienne » prend toute son ampleur.  Il s’ensuit en moins d'un siècle une nouvelle vision du monde qui va participer au renversement des connaissances venues de l’Antiquité et des certitudes théolologiques...

Enfant, Kepler a été témoin de la Grande Comète de 1577 à Prague, qui a attiré l'attention des astronomes de toute l'Europe, Université de Zürich.

Les années de jeunesse (1571-1595)

Johannes Kepler naît le 27 décembre 1571 à Weil der Stadt, une ville du Saint Empire romain germanique. Enfant chétif et hypocondriaque, il grandit dans une famille protestante pauvre. Sa mère Katharina lui fait assister au passage de la grande comète de 1577 et, trois ans plus tard, son père, mercenaire de son état, lui montre une éclipse de lune. Deux événements qui le marqueront profondément.

Élève très doué, on lit dans un dossier de demande de bourse que « Kepler a un esprit tellement supérieur et excellent qu’il faut attendre de lui quelque chose de spécial ». Profitant de l’école gratuite accordée aux meilleurs sujets, il arrive à Tübingen en 1589 pour suivre un cursus de théologien et s’enthousiasme pour les cours d’astronomie de Michael Maestlin.

Portrait de Johannes Kepler, 1620.Bien que contraint d’enseigner le géocentrisme de Ptolémée, c’est un fervent copernicien pour qui le Soleil est donc au centre du cosmos, pas la Terre. Face aux autres élèves lors de débats publics (les disputations), Kepler deviendra un défenseur aguerri des travaux de Nicolas Copernic comme d’ailleurs des… prédictions astrologiques.

D'une piété à toute épreuve, il considèrera l'astrologie comme la preuve que l’âme humaine peut percevoir au-delà des cinq sens, via une action à distance autorisant même l’idée d’une force liant entre eux les astres du système solaire.

À la mort du mathématicien de Graz début 1594, quelques mois seulement avant la fin de ses études, Kepler est désigné pour lui succéder. Il fait le deuil de ses rêves de pasteur pour devenir professeur de mathématiques, matière dans laquelle il excelle effectivement. Sa fonction inclut des prédictions astrologiques sous forme d’almanachs.

Devant une classe endormie, un jour de juillet 1595, le jeune Kepler dessine au tableau les emplacements successifs des grandes conjonctions qui, dans le zodiaque, se produisent tous les 20 ans entre Jupiter et Saturne. Il voit alors apparaître un cercle à l’intérieur des orbites de ces deux planètes éloignées. Les positions zodiacales des grandes conjonctions seraient-elles la cause géométrique (et divine) des dimensions mais aussi de la forme circulaire de la trajectoire de la planète Mars qui traverse les espaces célestes juste en-dessous de Jupiter ?

Triangle de feu dessiné par Johannes KeplerConsidérant que cela ne peut pas être un hasard, Kepler, en transe, interrompt son cours. Son premier ouvrage, le Mysterium Cosmographicum, est rédigé en quelques mois. Il y défend la simplicité et la cohérence du système copernicien contre le bric-à-brac de Ptolémée. Il pense aussi pouvoir démontrer pourquoi il n’existe que six planètes (Uranus n’est pas encore découverte) et pourquoi elles tournent à certaines distances du Soleil et avec les vitesses qui sont les leurs.

Jusque-là, on considérait que les planètes et le Soleil étaient entraînés autour de la Terre grâce au Premier Moteur, Dieu. Le mouvement initial se transmettait depuis le firmament à chacune des sphères planétaires jusqu’à la Lune. La vitesse insufflée était la même pour tous les astres et c’est seulement parce que les planètes les plus lointaines parcouraient des cercles plus grands qu’il fallait plus de temps pour les parcourir. Par exemple deux ans pour Mars, 12 pour Jupiter, 29 pour Saturne.

Mais, en appliquant aux différentes planètes la vitesse supposée de la Terre dans le système de Copernic, Kepler constate un décalage général. Si les planètes extérieures Mars, Jupiter et Saturne avaient la même vitesse que la Terre, alors elles devraient parcourir leurs cercles bien plus rapidement ! Il ne voit qu’une explication possible : une force émane de notre étoile pour pousser les planètes qui, « selon la loi de la balance et du levier » (plus un bâton est long, plus un poids placé au bout paraîtra lourd), verront leurs vitesses diminuer avec la distance au Soleil.

Cette hypothèse comble aussi une faiblesse du système de Copernic, beaucoup plus grand que ses prédécesseurs : les sphères planétaires sont trop éloignées pour pouvoir s’entrainer mutuellement.

Statue de Tycho Brahe et Johannes Kepler à Prague, République tchèque. Agrandissement : L'empereur Rodolphe II et l'astronome Tycho Brahe, Eduard Ender, 1855.

Collaboration avec Tycho Brahe (1596-1600)

Le Mysterium Cosmographicum est publié en 1596 et envoyé par Kepler à des savants de toute l’Europe, à Maestlin et Galilée (qui ne pointera sa lunette vers le ciel qu’en 1609) et surtout à Tycho Brahe.

Portrait de Tycho Brahe, anonyme, 1596, Suède, château de Skokloster. Agrandissement : Le grand quadrant mural d'Uraniborg, gravure, Astronomiae Instauratae Mechanica, 1598.L’astronome danois est alors célèbre pour avoir montré que les comètes se déplacent au-delà de la Lune. Il a aussi montré qu’une étoile nouvelle peut briller sur la sphère extérieure du cosmos qui, pensait-on, marquait les limites du cosmos. Les cieux ne sont donc pas parfaits, « incorruptibles » comme l'affirmait Aristote.

Grâce aux instruments qu’il avait mis au point, Tycho Brahe observait chaque jour les astres en surpassant tous ses prédécesseurs en précision. Ses données constituaient un véritable trésor. Mais il fallait pour les interpréter l’esprit rare d’un théoricien dont Tycho Brahe vit la marque dans le petit livre de Johannes Kepler (même s’il pointa le fait que les distances proposées ne s’accordaient pas avec celles de Copernic…).

Contraint de fuir le Danemark, le grand astronome se réfugia à Prague. Devenu mathématicien impérial à la cour de l’empereur Rodolphe II, il invita Kepler à le rejoindre. Leur collaboration allait durer moins de deux ans et la première tâche (ingrate) dont Kepler dut s’acquitter fut la défense du système astronomique inventé par Tycho Brahe.

Keppler et Tycho Brahe à l'Observatoire de Prague, illustration extraite de : Vies des savants illustres du dix-septième siècle, Paris, BnF, Gallica. Agrandissement : Système de Tycho.Intermédiaire entre Ptolémée et Copernic, ce système conservait la Terre au centre du monde et des planètes tournant autour du Soleil. Mais celui-ci tournait lui-même autour de la Terre, emportant le cortège des planètes avec lui.

Tycho décède brutalement en octobre 1601 en faisant de Kepler l’héritier de sa charge de mathématicien impérial et de son catalogue d’observations ! Kepler conservera ce poste jusqu’à la mort de l’empereur Rodolphe II en 1612.

L’autre tâche que Tycho confia très tôt à Kepler fut de déterminer théoriquement la trajectoire de la planète Mars. Ainsi le Danois eut-il l’assurance que ses observations n’auraient pas été inutiles et « qu’il n’aurait pas vécu pour rien ». Mais à la différence de Tycho Brahe qui s'en tenait à l'idée que les planètes disposaient d'une « science du mouvement » donnée par Dieu, Kepler se posait la question : A quo moventur planetae ? (« Par quoi les planètes sont-elles mues ? »).

Un plan cosmologique détaillant la vision astronomique de Copernic, d'après JM Füssli, 1732. Agrandissement : De Stella Nova (Kepler, 1604), ouvert à la carte de la supernova ou étoile de Kepler.

L’astronomie nouvelle (1600-1612)

La recherche sur Mars conduit Kepler à se détacher de l’idée  selon laquelle chaque planètes tourne autour du Soleil en décrivant un cercle. Il publie ses conclusions en 1609 dans l’Astronomia Nova. Il en ressort deux premières lois dites aujourd’hui « de Kepler » :
• La planète Mars parcourt une ellipse et pas un cercle (ni une combinaison de cercles) comme tous les astronomes l’affirmaient depuis l’Antiquité, Copernic compris. Le Soleil se trouve alors à l’un des deux foyers de cette ellipse.
• La vitesse de Mars varie selon la distance au Soleil et la deuxième loi impose que, vu depuis ce dernier, des aires égales sont parcourues en des temps égaux.

Les deux premières lois de Kepler.Kepler se convainc aussi que les forces motrices qui poussent les planètes sont d’origine magnétique, suivant en cela le traité De Magnete, publié par l’anglais William Gilbert en 1600, qui fait de la Terre un immense aimant. Le Soleil est lui aussi un aimant, et, la Terre étant inclinée sur son axe, cela explique nos saisons.

Fort de ses deux premières lois étendues à la Terre, Kepler réussit enfin à prévoir les mouvements de Mars, conformément aux précises observations de Tycho Brahe ! Il en profite aussi pour étendre sa notion de force à la Lune. Si elle ne quitte pas le voisinage de la Terre, c’est qu’une force les lie aussi, ce pourquoi on observe des marées.

En 1610 paraît le Messager Céleste, un court traité publié par Galilée, qui fait le point sur ses premières découvertes à la lunette : la Lune est recouverte de montagnes et de vallées comme la Terre ! Les étoiles invisibles sont bien plus nombreuses que celles qu’on voit, les étoiles et les planètes n’ont pas la même apparence, Jupiter présente quatre lunes ! Tout cela confirme la validité de la Cosmographie de Copernic. Et avec bien plus d’éclat que le travail mathématique de Kepler.

Une planche d’Astronomiae Pars Optica (Kepler, 1604), illustrant le fonctionnement de l’œil.Ce dernier n’en est pas moins enthousiasmé par sa lecture et envoie un texte de soutien à l’astronome italien, qui le publie aussitôt. Une chose lui pose tout de même problème. Galilée qualifie de « planètes médicéennes » les nouveaux astres qui tournent autour de Jupiter, mettant à mal le Mysterium Cosmographicum qui montre que 6 planètes seulement tournent autour du Soleil. Kepler propose donc d’en faire des « satellites » (ou « compagnons », en latin).

Il constate aussi que si Galilée a magnifiquement réussi à maîtriser la fabrique des verres de son instrument optique, il n’en a pas compris la théorie. C’est pourquoi il le renvoie à son ouvrage publié en 1604, la Partie optique (de l’astronomie), dans lequel figure le schéma des grossissements permis par l’association de plusieurs lentilles ! Kepler en avait pressenti la possibilité théorique mais n'avait jamais cru à l’efficacité du procédé, pensant que l’atmosphère terrestre déformerait trop les images des astres. Dans l’année, il met à jour son vieux traité et le republie sous le titre de Dioptrique, la théorie de la lunette venant s’ajouter à celle de l’œil qui y figurait déjà, avec le cristallin comme lentille.

Schéma des associations de lentilles Pars Optica. Agrandissement : Réplique du premier télescope attribué à Galilée, exposée à l'observatoire Griffith (Los Angeles).

Galilée enverra des lunettes de sa fabrication dans toute l’Europe mais jamais à Kepler, contraint d'en emprunter une à un ambassadeur italien. L'astronome allemand pourra ainsi  confirmer, témoins à l’appui, les observations du Pisan, donnant lieu à un second courrier de soutien rendu une nouvelle fois public par Galilée.

Notons que les deux astronomes n’échangèrent que très peu de leur vivant. Les historiens pensent que le pragmatique Galilée était tout à fait allergique aux inspirations quasi-mystiques du fervent Kepler, lesquelles transparaissaient jusque dans ses ouvrages d’astronomie où il n’était pas rare, en effet, de croiser une prière.

Galilée ne croyait pas non plus dans l’existence de forces qui rendraient compte notamment des marées. Mal avisé, il écrit, dans son Dialogue sur les deux grands systèmes du monde : « Mais de tous les grands hommes qui ont philosophé sur cet effet si étonnant de la nature, c’est Kepler qui m’étonne le plus : cet esprit libre et pénétrant avait à sa disposition les mouvements attribués à la Terre, il a pourtant prêté l’oreille et donné son assentiment à un empire de la Lune sur l’eau, des propriétés occultes et autres enfantillages du même genre ».

Gamme musicale des planètes.

La généralisation des résultats (1612-1626)

Au service de l’empereur, Kepler avait toujours du mal à obtenir ses émoluments, au point d’être régulièrement obligé de s’absenter des semaines entières pour aller réclamer des arriérés de paiement. Les tourments de la guerre de Trente Ans n’arrangeaient rien. À partir de 1610, il commença donc à chercher un autre poste.

Galilée l’avait recommandé pour le remplacer à Padoue, au poste de professeur de mathématiques, mais finalement, Kepler, à la mort de l’empereur, en 1612, partit pour Linz où il séjourna jusqu’en 1626.

Pages de Harmonie du Monde, Kepler, 1619. Durant ces années, il publie l’Harmonie du Monde (1619), ouvrage qui systématise des réflexions remontant à ses jeunes années et complète l’Astronomia Nova. À côté de pages astrologiques et psychologiques, il compare littéralement le cortège des planètes à une chorale au sein de laquelle se trouve, immobile, le Soleil. Puisqu’elles sont plus ou moins rapides, il leur attribue des chants tantôt hauts tantôt bas et les traduit en notes sur la gamme musicale.

Dans ce même livre apparaît aussi ce qui deviendra « la troisième loi de Kepler » et qui, pour son découvreur, exprime littéralement la divine harmonie des sphères (planétaires). Mais cette loi qui lie le temps de révolution d’une planète autour du Soleil à son éloignement à celui-ci, est livrée sans démonstration ni explication !

C’est d’autant plus surprenant que Kepler est connu pour détailler chacune des grandes étapes qui mènent à un résultat, fussent-elles des impasses. Or, si les lois mathématiques régissant le cosmos ont été bien cachées par Dieu, il suffit d’épuiser tous les possibles afin de finir, nécessairement, par les découvrir.

La troisième loi de Kepler.

Dans ces mêmes années (1617-1621), Kepler élabore et publie les volumes de son Epitomé de l’astronomie copernicienne, un grand manuel dans lequel il généralise ses découvertes à toutes les planètes du système solaire. il travaille aussi sur les Tables Rudolphines, incluant les 22 années d’observations consignées autrefois par Tycho Brahe. À cette occasion, il tire parti de la découverte du logarithme par le mathématicien John Napier. Pressentant que cet outil mathématique va alléger ses innombrables calculs, il repousse l’achèvement des Tables Rudolphines pour prendre le temps de se former à cet outil. Les Tables Rudolphines ne paraîtront pas avant 1627 mais resteront une référence pour le calcul des mouvements planétaires pendant un bon siècle.

Frontispice des Tabulae Rudolphinae.

Un procès en sorcellerie (1615-1621)

En 1615, Kepler reçoit une terrible nouvelle qui lui cause une « indicible tristesse » et fait presque « éclater son cœur » dans la poitrine. Une machination contre sa mère est en train de se mettre en place. En cette période de « grande chasse aux sorcières », une rumeur vise sa mère Katharina. On lui reproche toute maladie ou tout décès se produisant dans son voisinage et un procès pénal en sorcellerie s’ouvre contre elle !

Portrait de Johannes Kepler, Hans von Aachen, vers 1610.Le rapport soumis à la cour, comportant au moins une quarantaine de témoignages, ne fait pas moins de 280 pages. L’affaire dure six années et Kepler lui consacre tout son temps ou presque jusqu’à rédiger une défense de 128 pages. Le procès s’achève sur la libération de Katharina en octobre 1621 après qu’elle eut passé un an en prison. Épuisée, elle décèdera six mois plus tard.

En tant que mathématicien, Kepler se doit de produire des prédictions astrologiques annuelles mais, en décembre 1623, son calendrier astrologique pour l’année 1624 est brûlé en place publique par la foule à cause d’une de ses prédictions mêlant guerre et famine. Ce sera la dernière fois qu’il composera un tel calendrier.

La guerre de Trente Ans avait commencé en 1618 et la ville de Linz, où vivait Kepler, finit par être assiégée à partir de 1626. Entre les bruits continuels des déflagrations, les morts et les maladies, le travail de l’astronome fut encore contrarié mais lui-même fut étonné de quitter la ville, en octobre, sans avoir été blessé.

Planisphère de Kepler réalisé en 1627 dans son ouvrage Tabulae Rudolphinae.

Dernières années (1626-1630) et postérité

Les dernières années de l’astronome se déroulent entre Ulm et Sagan, en quête des arriérés de paiement dus par la cour impériale. Pour finir, Kepler, ayant refusé de se convertir au catholicisme, entre au service d’un homme de guerre protestant, le très redouté Albrecht von Wallenstein. Il en devient l’astrologue personnel.

Sa dernière œuvre, Somnium (Le Songe ou astronomie lunaire) sera publiée à titre posthume. Il s’agit d’un très vieux projet mis en place à l’été 1609 après une conversation qui avait inspiré à Kepler l’envie de produire une géographie lunaire. Le résultat consiste en une description poétique et romancée des phénomènes astronomiques vus par les habitants imaginaires de notre satellite !

Johannes Kepler décède à près de 59 ans à Ratisbonne, le 15 novembre 1630. L’année suivante, ses calculs recevront une confirmation spectaculaire de la part de l’astronome français Pierre Gassendi. Celui-ci observera le passage de Mercure devant le Soleil à la date prédite par Kepler, preuve que le cosmos pouvait se mettre en équations mathématiques ! Oubliée ou presque la « grande chasse aux sorcières ». Le XVIIe siècle allait pouvoir se revendiquer comme le Grand Siècle des Sciences.

Serge Bret-Morel

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Publié ou mis à jour le : 2022-03-03 19:19:15

 
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