Comment j’ai prolongé les travaux de Galilée !

Je l’ai déjà mentionné : il serait tout de même temps que je présente les sujets auxquels je m’intéresse dans mes travaux. Comme j’ai pu l’indiquer à la page d’accueil de ce site et comme on peut le déduire à partir de mon CV, mes domaines de compétences sont les mathématiques appliquées et l’informatique théorique. Mon champ d’application est l’océanographie physique. Concrètement, je reproduis sur ordinateur le fonctionnement des océans.

Cependant, l’étude de la dynamique des océans, même si elle constitue une discipline toujours en évolution, a une longue histoire. Les éléments les plus anciens que j’ai pu relever remontent à l’antiquité et le premier sujet de dynamique océanique étudié y est la marée. Je me propose de vous présenter cette histoire ici. Une grande part des informations que vous trouverez ici provient de La Marée océanique côtière de Bernard Simon¹Bernard Simon, 2007. La Marée océanique côtière, collection « Synthèses », Institut océanographique éditeur.. Le texte qui suit constitue en la reprise d’une partie de l’introduction de ma thèse de doctorat²Yoann Le Bars, 2010. Modélisation de la dynamique océanique barotrope dans l’estuaire et le plateau amazoniens, thèse de doctorat, Université de Toulouse III – Paul Sabatier.. Cette thèse portait sur la mise au point d’un modèle d’océan et son application à l’estuaire de l’Amazone, je ne prétends donc pas avoir réalisé une étude historique définitive : ce qui suit constitue un résumé, certes détaillé, mais avec toutes les limites de cet exercice.

Les premières observations

Quoique Homère (fin du viii^e siècle avant Jésus-Christ) y fasse allusion, à ma connaissance l’un des premiers auteurs mentionnant réellement la marée dont nous ayons gardé une trace est Hérodote (vers 484 ou 482 – vers 425 av. J.-C.). Il parle de l’élévation et de l’abaissement journalier des eaux de la Mer rouge, sans donner plus de détails. Dans le dialogue de Platon (428 ou 427 – 347 ou 346 av. J.-C.) intitulé Timée³Πλάτων, vers 360 av. J.-C. Τίμαιος. Une version française peut-être trouvée dans : Luc Brisson, 2008. Platon : Œuvres complètes, Éditions Flammarion. Consultable en ligne., la marée est expliquée par la poussée des masses d’eaux océaniques induite par les crues des fleuves et des rivières. Héraclide du pont (388 – vers 310 av. J.-C.), pour sa part, suppose que la Lune et le Soleil sont à l'origine des marées. Un auteur inconnu écrivant sous le nom d’Aristote, quant à lui, dans Du Monde⁴Ἀριστοτέλης, entre 350 et 200 av. J.C. Περὶ Κόσμου. Une version française peut être trouvée dans : Charles Batteux, 1768. Lettre d’Aristote à Alexandre, sur le systême du monde, avec la traduction françoise & des remarques, par M. l'abbé Batteux, À Paris, chez Saillant. Consultable en ligne., note que la marée suit le mouvement de la Lune.

Cependant, à mon sens l’étude de la dynamique océanique ne commence vraiment que vers 330 avant Jésus-Christ. Pythéas quitte alors la colonie grecque Massilia, future Marseille, pour un long voyage vers les îles britanniques (il va même vraisemblablement atteindre le cercle polaire). Là-bas, il observa des marées d’amplitudes insoupçonnées dans le monde méditerranéen. Non seulement il constata qu’il y avait deux pleines et basses mers par jour lunaire, mais également que l’amplitude de la marée dépendait des phases de la Lune. Malheureusement, il ne reste que peu d’éléments du récit de voyage de Pythéas. Le livre De l’Océan qu’il a écrit à son retour ayant disparu, seules subsistent les analyses d’historiens et de géographes de l’époque, tels Polybe (entre 210 et 202 – 126 av. J.-C.) ou Ératosthène (vers 276 – vers 194 av. J.-C.).

C’est à-peu-près à la même époque que Sélerrens de Babylone observait les marées du golfe Persique et signalait les effets de la déclinaison des astres⁵La déclinaison est l’angle mesuré sur un cercle horaire entre un point de la sphère céleste et l’équateur céleste. sur l’amplitude de la marée. Quelque 150 ans plus tard, l’astronome grec Selukos (entre 358 et 354 – 281 av. J.-C.), observant la marée de la Mer Rouge, découvrit les inégalités diurnes et relia leur amplitude à la déclinaison de la Lune.

Ensuite, au premier siècle avant Jésus-Christ, Posidonios d’Apamée (vers 135 – vers 51 av. J.-C.) établit pour les marées des côtes d’Espagne un tableau donnant la concordance de leurs variations diurnes, semi-diurnes et mensuelles avec les mouvements de la Lune et du Soleil. Strabon (vers 57 av. J.-C – entre 21 et 25 ap. J.-C.), au début de l’ère chrétienne, décrit les marées du Portugal, d’Angleterre, du Danemark, d’Italie et du Golfe Persique⁶Στράϐων. Γεωγραφικά, 17 volumes.. Il est celui qui s’intéresse le plus au voyage de Pythéas. Il en est également le principal détracteur, concluant qu’il s’agit d'un fabulateur, car il jugeait notamment peu crédible le fait que la mer pût être gelée.

Vers la même époque, Pline l’ancien (23 – 79 ap. J.-C.), autre lecteur de Pythéas, dans Histoire naturelle⁷Gaius Plinius Secundus, vers 77. Naturalis Historia, 37 volumes. Une version française peut-être trouvée dans : Pline l’Ancien, 2013. Histoire naturelle, Bibliothèque de la Pléiade, n° 593, Gallimard. Disponible en ligne dans la traduction de Littré., mentionne l’établissement⁸L’établissement est le retard moyen en un lieu donné de la pleine mer sur l’instant de passage de la Lune au méridien de ce lieu., l’âge de la marée, c’est-à-dire le retard des vives-eaux sur le moment de la syzygie (pleine-lune ou nouvelle lune), « les phénomènes célestes faisant toujours sentir leurs effets à la Terre avec du retard sur la vue, comme l’éclair, le tonnerre ou la foudre », ainsi que les variations annuelles de l’amplitude des vives-eaux. Pour lui, le phénomène de marée trouve son origine dans le Soleil et la Lune :

« Sur la nature des eaux, enfin, beaucoup a déjà été dit, mais cette avance et le retrait des flots sont les plus extraordinaires ; cependant si ce phénomène offre beaucoup de variété, sa cause réside dans le Soleil et dans la Lune. »

Il observe deux marées par jour :

« Entre deux levers de la Lune, la mer monte deux fois et redescend deux fois dans chaque intervalle de 24 heures. »

Enfin, il fait le constat que la marée n’est pas exactement semi-diurne :

« Jamais les marées ne se reproduisent au même moment que le jour précédent, comme si elles haletaient par la faute de l’astre avide qui attire à lui les mers pour s’abreuver. »

Ainsi, il y a deux millénaires, les caractéristiques les plus importantes de la marée étaient connues, grâce en particulier aux observations des Grecs dans les îles britanniques et en Mer Rouge. Il fallut pourtant attendre quelque chose comme 1 700 ans avant qu’une explication satisfaisante fût donnée à ce phénomène. Au cours de cette période, divers auteurs ont tenté d’expliquer les marées, avec plus ou moins de bonheur.

Les premières théories

Augustin d’Hippone (354 – 430), dans ses œuvres philosophiques, tente une explication des marées au travers d’une interprétation de la Génèse. Bède le vénérable (673 – 735), un moine britannique, pensait quant à lui que le jusant⁹Le jusant est la période où la marée est descendante. était dû au souffle de la Lune sur l’eau, le flot intervenant lorsque l’astre s’éloignait¹⁰Beda Venerabilis, 725. De temporum ratione..

Toutefois, le christianisme du moyen-âge n’était pas propice aux études scientifiques de la nature, car tout écart de l’interprétation officielle de la Bible et donc de l’explication selon laquelle le Monde est monde était rapidement soupçonnée d’hérésie.

Le savant arabe Zakarīyā ibn Muḥammad al-Qwazwini (1203 – 1283), tenta la première explication scientifique. Selon lui, la marée montante était due à l’expansion thermique de l’eau échauffée par la Lune et le Soleil. Son hypothèse cependant ne pouvait à l’évidence pas expliquer pourquoi la Lune jouait le rôle le plus important.

Au xiii^e siècle, Thomas d’Aquin (vers 1225 – 1274) tente de réconcilier les sciences et la religion : « les chrétiens n’ont pas à craindre la philosophie païenne, car toute étude de la nature est l’étude d’une œuvre de Dieu ». Lui-même attribut l’origine des marées à la Lune. En bon aristotélicien, il l’explique par le principe de sympathie entre les corps : l’eau de la Lune attire l’eau de la Terre.

L’astronome allemand Johannes Kepler (1571 – 1630) était convaincu que l’explication de la marée devait être recherchée dans une force attractive de la Lune et du Soleil, force qui devait être une sorte de magnétisme. Il était probablement inspiré par la récente découverte du magnétisme terrestre par le physicien britannique William Gilbert (1544 – 1603). Cette explication est une belle préfiguration de la théorie moderne des marées ! Simplement, la force attractive à l’origine des marées n’est pas un magnétisme, mais la gravitation.

Le physicien et astronome italien Galileo Galilei (francisé en Galilée) (1564 – 1642) se dit surpris que Kepler s’intéressât à l’action de la Lune sur l’eau, à des phénomènes occultes et autres « enfantillages ». Lui-même croyait, soutenant la théorie de Nicolas Copernic (1473 – 1543) de la rotation de la Terre, que les marées étaient générées par l’effet combiné de la rotation de la terre autour de son axe et de son mouvement orbital autour du soleil.

Galilée consacre toute la « Quatrième journée », conclusive du Dialogue sur les deux grands systèmes du monde publié en 1632¹¹Galileo Galilei, 1632. Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo. Une version française peut-être trouvée dans : Galilée, 2000. Dialogue sur les deux grands systèmes du monde, Points Sciences, Seuil., à la marée. Considérant sa théorie des marées comme l’une de ses contributions majeures, il avait d’ailleurs envisagé d’intituler cet ouvrage : « Du Flux et du reflux de la mer »¹²Jean-Marc Lévy-Leblond, 2009. Galilée et les marées : une fausse théorie fausse, La Recherche, n° 433, pp. 92 – 94..

Surestimant l’importance de la vitesse de translation due à la description de l’orbite terrestre par rapport à la rotation de la Terre sur elle-même, il explique les marées par les accélérations et décélérations résultants de la combinaison de ces deux mouvements. Les phénomènes de mortes-eaux et de vives-eaux étaient selon lui dû au système pendulaire composé par le Soleil, la Terre et la Lune. Ceci impliquerait que les vives-eaux se produiraient à la nouvelle lune uniquement et les mortes-eaux à la pleine lune uniquement, ce qui est contraire à l’observation. Toutefois, si la rotation de la Terre n’est pas à l’origine des marées, elle a bien un effet sur les océans et sur l’atmosphère. J’y reviendrais dans des articles à venir.

Georges Fournier (1595 – 1652), aumônier de la Flotte royale, démontre les erreurs de Galilée. Dans son livre intitulé Hydrographie, paru en 1643¹³Georges Fournier, 1643. Hydrographie, contenant la théorie et la practique de toutes les parties de la navigation, Chez Michel Soly., il explique les marées par l’excitation des exhalaisons souterraines sous l’action de la Lune et du Soleil. César d’Arçons (16.. – 1681), de son côté, dans Le Secret du flux et du reflux de la mer, et des longitudes, dédié à la sapience éternelle paru en 1655¹⁴César d’Arçons, 1655. Le Secret du flux et reflux de la mer, et des longitudes dédié à la sapience éternelle, L. Maurry., explique la marée à l’aide d’un mouvement de va-et-vient de la Terre le long de l’axe du monde, tandis que Charles Scalberge Minière, dans son Traité des causes naturelles du flux et reflux de la mer, paru en 1680¹⁵Charles Scalberge Minière, 1680. Traité des causes naturelles du flux et reflux de la mer, Claude Peigne & Étienne Massot, les attributs à la dilatation des mers par le Soleil, la Lune jouant un rôle de miroir.

René Descartes (1596 – 1650), défendit l’idée de l’origine lunaire des marées. Selon lui, la Lune et la Terre sont chacune entourées d’un grand tourbillon. La pression exercée par le tourbillon de la lune sur celui de la terre était transmise à la surface de la terre et générait les marées.

Le mathématicien anglais John Wallis (1616 – 1703) proposa en 1666 une version amendée de la théorie de Galilée en cherchant à y inclure l’influence de la Lune. Il proposa d’expliquer les oscillations de la marée non seulement par le mouvement de la Terre autour du Soleil, mais également par son mouvement autour du centre de gravité du système Terre-Lune.

Une manière de conclusion très provisoire

Ce qui va jeter les bases de la théorie moderne de la dynamique océanique, c’est la publication par Isaac Newton (1642 – 1727) en 1687 de l’ouvrage intitulé Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica¹⁶Isaac Newton, 1687. Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, Jussu Societatis Regiæ ac Typis.. Par cet ouvrage, il fonde la mécanique classique. Bien entendu, je parlerais de tout cela prochainement dans ce journal.

Alors, oui, Galilée s’est trompé concernant la marée. Ce qui n’amoindrit en rien l’importance de ses travaux, se situant à la rupture épistémologique menant à la science moderne (que je détaille dans un autre article). Ainsi, tout travail en science à l’heure actuelle est une conséquence de ses propres travaux. Prochainement, j’aborderais d’ailleurs les éléments qui lui ont permis d’être l’un des instigateurs de cette rupture.

De toute façon, une bonne partie du travail de recherche consiste à se tromper. Contrairement à ce que l’on entend parfois, la science ce n’est pas tant le doute systématique, qui risque de mener à l’écueil de l’hyper-critique, que la recherche de l’erreur : on constate d’éventuelles erreurs dans les explications d’un phénomène donné et on cherche à les corriger. Alors, on cherche à nouveau les erreurs dans la nouvelle explication et ainsi de suite, de manière incrémentale.

L’histoire de l’étude de la dynamique océanique me semble intéressante et je pense que c’était un bon moyen pour introduire quelques notions se rapportant à mes travaux. Ce n’est qu’une première partie, je vous proposerais prochainement de l’explorer encore. Par ailleurs, elle permet de mettre en exergue un élément important : tout travail de recherche, aussi novateur soit-il, se base toujours sur des prédécesseurs et s’inscrit dans une longue histoire.

Ces réflexions concluent le présent billet. J’espère que vous en aurez retiré quelques informations nouvelles. Il ouvre la voie à plusieurs autres articles, que je publierais prochainement.