La Terre dans l'Univers

Ce chapitre est bâti sur trois questions dont l'enchaînement n'est pas arbitraire.

Comment la Terre bouge-t-elle ? On y verra qu'un mouvement n'existe pas en soi : il n'existe que par rapport à quelque chose. Toute la controverse géocentrisme-héliocentrisme tient dans ce mot, référentiel.

Comment la Lune nous apparaît-elle ? On y verra qu'une géométrie simple — une sphère éclairée d'un côté, vue sous des angles variables — explique entièrement un phénomène qui a nourri d'innombrables croyances.

Pourquoi de l'eau liquide ici ? On y verra que la question, posée aujourd'hui aux milliers de planètes découvertes autour d'autres étoiles, revient en boomerang vers la nôtre : l'eau douce accessible y est une ressource minuscule, et sa gestion, un enjeu majeur.

Un passager assis dans un train dit : « je suis immobile, le paysage défile ». Un observateur sur le quai dit : « le passager file à $300$ km$\cdot$h${}^{-1}$ ». Aucun des deux ne se trompe. Ils ne parlent simplement pas dans le même référentiel, et il serait absurde de leur demander lequel est « vraiment » immobile.

Il en va exactement de même pour la Terre et le Soleil. Dans le référentiel terrestre, le Soleil tourne autour de nous : c'est ce que nous voyons, et c'est vrai. Dans le référentiel héliocentrique, la Terre tourne autour du Soleil.

Si les deux descriptions sont légitimes, pourquoi dit-on que le géocentrisme est faux ? Parce que la question n'est pas « qui tourne ? » mais « quelle description rend le mieux compte des faits, avec le moins d'artifices ? ».

Dans le référentiel héliocentrique, les planètes décrivent des trajectoires simples — des cercles, presque — et leurs mouvements apparents s'expliquent tous. Dans le référentiel géocentrique, il faut ajouter épicycle sur épicycle pour sauver les apparences, sans jamais expliquer pourquoi ces cercles-là. Et surtout : depuis Newton, on sait qu'il n'y a qu'un seul référentiel où les lois de la mécanique prennent leur forme la plus simple, et c'est celui qui est lié au corps le plus massif — le Soleil, qui contient $99,8\%$ de la masse du système solaire. Le débat ne porte donc pas sur le point de vue, mais sur les lois.

Observée dans un référentiel fixe par rapport aux étoiles, la Terre parcourt une trajectoire quasi circulaire autour du Soleil.

« Quasi » n'est pas une précaution de style. La trajectoire est en toute rigueur une ellipse, mais tellement peu allongée qu'un dessin à l'échelle est indiscernable d'un cercle : la distance Terre-Soleil varie de $1,471\times 10^8$ km au début de janvier à $1,521\times 10^8$ km au début de juillet, soit $3,4\%$ d'écart.

La Terre parcourt en un an la circonférence de son orbite : $$2\pi R=2\pi \times 1,496\times 10^8\approx 9,40\times 10^8\text{ km.}$$ Une année vaut $365,25\times 24\times 3600\approx 3,156\times 10^7$ s. D'où $$v=\frac{9,40\times 10^8}{3,156\times 10^7}\approx 29,8\text{ km}\cdot {\text{s}}^{-1}.$$ Trente kilomètres par seconde : cent sept mille kilomètres à l'heure. Nous ne le sentons pas, parce que rien autour de nous ne reste en arrière — c'est très exactement l'argument qu'opposaient les adversaires de Copernic, et c'est Galilée qui y répondra le premier.

La Terre est plus proche du Soleil début janvier, en plein hiver de l'hémisphère nord. Les saisons ne viennent donc pas de la distance — l'écart de $3,4\%$ est bien trop faible, et il donnerait de toute façon des saisons identiques dans les deux hémisphères, ce qui n'est pas le cas.

Elles viennent de l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre, $23,4^{\circ }$ par rapport à la perpendiculaire au plan de son orbite. En été, l'hémisphère considéré est incliné vers le Soleil : les rayons arrivent moins obliquement, la même puissance se répartit sur une surface plus petite, et les journées sont plus longues. C'est une erreur extrêmement répandue, y compris chez des adultes diplômés ; elle mérite d'être corrigée une fois pour toutes.

Le passage d'une conception géocentrique à une conception héliocentrique constitue l'une des controverses majeures de l'histoire des sciences.

Elle est majeure par sa durée — près de deux mille ans entre Aristarque et Newton —, par la qualité des arguments échangés des deux côtés, et par ses conséquences hors de la science. Elle est aussi majeure par ce qu'elle enseigne : le camp qui avait tort disposait, pendant très longtemps, des meilleurs arguments observationnels.

Vers $-280$, l'astronome grec Aristarque de Samos avait déjà proposé de placer le Soleil au centre. Il avait même tenté de mesurer les distances relatives à la Lune et au Soleil, et conclu que le Soleil était bien plus gros que la Terre — d'où l'idée qu'il était plus naturel de faire tourner le petit autour du grand. Son idée fut connue, discutée, et rejetée : elle prédisait une parallaxe stellaire que personne ne voyait. Le rejet était donc rationnel, et il était faux.

Une bonne idée peut être écartée pour de bonnes raisons. C'est un cas de figure que l'histoire des sciences rencontre souvent, et qui devrait rendre modeste quant à notre capacité à reconnaître la vérité sur-le-champ.

Huit minutes d'arc, c'est un quart du diamètre apparent de la Lune : un écart qu'aucun astronome avant Tycho n'aurait pu détecter, et que tous les autres auraient attribué à une imperfection de mesure. Kepler écrit lui-même que ce sont ces huit minutes qui ont ouvert la voie à la réforme de l'astronomie.

C'est un des plus beaux exemples de ce qu'apporte une amélioration de la précision : un désaccord qui était invisible devient un fait, et un fait qui ne rentre pas dans la théorie force à la changer. Toute l'histoire de la physique est faite de décimales que l'on a refusé de négliger.