Théories anciennes

La mécanique céleste a ses débuts dans l’astronomie primitive au cours de laquelle les mouvements du Soleil, de la Lune et des cinq planètes visibles à l’œil nu — Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne — ont été observés et analysés. Le mot planète est dérivé du mot grec pour vagabond, et il était naturel pour certaines cultures d’élever ces objets se déplaçant sur le fond fixe du ciel au statut de dieux; ce statut survit en quelque sorte aujourd’hui en astrologie, où l’on pense que les positions des planètes et du Soleil influencent d’une manière ou d’une autre la vie des individus sur Terre. Le statut divin des planètes et leur influence supposée sur les activités humaines ont peut-être été la principale motivation pour des observations minutieuses et continues des mouvements planétaires et pour le développement de schémas élaborés pour prédire leurs positions dans le futur.

L’astronome grec Ptolémée (qui vivait à Alexandrie vers 140 de notre ère) a proposé un système de mouvement planétaire dans lequel la Terre était fixée au centre et toutes les planètes, la Lune et le Soleil orbitaient autour d’elle. Comme vu par un observateur sur Terre, les planètes se déplacent dans le ciel à un rythme variable. Ils inversent même parfois leur direction de mouvement, mais reprennent la direction dominante du mouvement après un certain temps. Pour décrire ce mouvement variable, Ptolémée a supposé que les planètes tournaient autour de petits cercles appelés épicycles à une vitesse uniforme tandis que le centre du cercle épicyclique orbitait autour de la Terre sur un grand cercle appelé déférent. D’autres variations du mouvement ont été expliquées en décalant les centres du déférent pour chaque planète de la Terre d’une courte distance. En choisissant la combinaison des vitesses et des distances de manière appropriée, Ptolémée a pu prédire les mouvements des planètes avec une précision considérable. His scheme was adopted as absolute dogma and survived more than 1,000 years until the time of Copernicus.

Nicolaus Copernicus a supposé que la Terre n’était qu’une autre planète en orbite autour du Soleil avec les autres planètes. Il a montré que ce modèle héliocentrique (centré sur le Soleil) était cohérent avec toutes les observations et qu’il était beaucoup plus simple que le schéma de Ptolémée. Sa conviction que le mouvement planétaire devait être une combinaison de mouvements circulaires uniformes l’a forcé à inclure une série d’épicycles pour correspondre aux mouvements des orbites non circulaires. Les épicycles étaient comme des termes de la série de Fourier qui sont utilisés pour représenter les mouvements planétaires aujourd’hui. (Une série de Fourier est une somme infinie de termes périodiques qui oscillent entre des valeurs positives et négatives de manière fluide, où la fréquence d’oscillation change d’un terme à l’autre. Ils représentent de meilleures approximations d’autres fonctions à mesure que de plus en plus de termes sont conservés.) Copernic a également déterminé l’échelle relative de son système solaire héliocentrique, avec des résultats remarquablement proches de la détermination moderne.

Tycho Brahe (1546-1601), né trois ans après la mort de Copernic et trois ans après la publication du modèle héliocentrique du système solaire de ce dernier, adoptait toujours un modèle géocentrique, mais il n’avait que le Soleil et la Lune en orbite autour de la Terre et toutes les autres planètes en orbite autour du Soleil. Bien que ce modèle soit mathématiquement équivalent au modèle héliocentrique de Copernic, il représente une complication inutile et est physiquement incorrect. La plus grande contribution de Tycho a été les plus de 20 ans d’observations célestes qu’il a recueillies; ses mesures des positions des planètes et des étoiles avaient une précision sans précédent d’environ 2 minutes d’arc. (Une minute d’arc est de 1/60 de degré.)