Géocentrisme et héliocentrisme : cours de Première

Lève les yeux un jour de beau temps : le Soleil se lève d'un côté, traverse le ciel, puis se couche de l'autre côté. La nuit, la Lune et les étoiles font un trajet du même genre. Rien dans ce spectacle ne te dit que c'est toi qui bouges. Pendant très longtemps, des savants ont donc pensé que la Terre ne bougeait pas.

Ce chapitre raconte comment cette idée a été remplacée par une autre. Le programme d'enseignement scientifique de Première range cette histoire dans la partie consacrée à la place de la Terre dans l'Univers ³. Le passage d'une conception géocentrique à une conception héliocentrique y est présenté comme l'une des controverses majeures de l'histoire des sciences ².

Ce que le programme attend de toi tient en trois idées :

• savoir décrire les deux modèles, géocentrique et héliocentrique ;
• savoir différencier les référentiels géocentrique et héliocentrique, et décrire le mouvement de la Terre et celui de la Lune dans chacun ³ ;
• comprendre que cette histoire illustre le fonctionnement d'une science : un modèle est proposé, discuté, confronté aux observations, parfois abandonné. Le programme parle à ce sujet de modèles et de réfutabilité ¹.

Ce modèle n'est pas seulement une hypothèse de savants : c'est aussi une conception du monde au sens large. Les documents de référence le présentent comme une représentation à la fois scientifique et philosophique ². Il repose sur deux principes, dont le premier est celui que tu dois retenir en priorité : la Terre est immobile, au centre de l'Univers ².

Pourquoi ce modèle a-t-il convaincu si longtemps ? Plusieurs raisons se cumulent, que tu peux reconstituer par le raisonnement :

• Ce que l'on voit. Le Soleil, la Lune et les étoiles semblent se déplacer dans le ciel, alors que le sol sous nos pieds paraît stable. Le modèle colle à l'impression immédiate.
• Ce que l'on ne ressent pas. Personne ne sent la Terre filer dans l'espace. L'absence de sensation de mouvement paraissait être une preuve d'immobilité.
• La cohérence du système. Un modèle qui explique les journées, les saisons et les trajets des astres avec une Terre fixe est séduisant, car il est simple à imaginer.

Une représentation de l'Univers a ainsi dominé depuis l'Antiquité grecque ⁶.

Un astronome du IIe siècle de notre ère, qui travaillait à Alexandrie, est resté célèbre pour avoir formulé cette représentation : Ptolémée. Dans son système, la Terre est au centre de l'Univers, tandis que la Lune et le Soleil tournent autour d'elle ⁶. La question de la place de la Terre était pourtant posée depuis l'Antiquité, notamment par des savants comme Ptolémée ⁴.

Le géocentrisme a aussi bénéficié d'un contexte religieux favorable. Placer la Terre au centre de l'Univers s'accordait avec les Écritures, ce qui satisfaisait l'Église ². Ce point deviendra décisif quand le modèle concurrent apparaîtra.

Le nom vient de la même logique que celui du premier modèle : géo renvoie à la Terre, hélio au Soleil, et centrisme à l'idée de centre. Le nom du modèle te dit donc quel astre sert de point central.

Le grand nom associé à ce modèle est celui de Nicolas Copernic, astronome et mathématicien polonais, qui a vécu de 1473 à 1543 ⁵. Il est considéré comme l'inventeur de la théorie de l'héliocentrisme ⁵. On le voit aussi comme un promoteur de la renaissance scientifique ⁵.

Le troisième postulat mérite que tu t'y arrêtes. Copernic suppose que les étoiles sont très loin, bien plus loin que le Soleil. Cette idée aura des conséquences importantes, car elle permet de comprendre pourquoi un effet attendu dans un Univers héliocentrique est si difficile à repérer. Nous y reviendrons avec la parallaxe.

Pour décrire un mouvement, il faut toujours préciser par rapport à quoi on le décrit. C'est la notion de référentiel. Le programme demande de différencier le référentiel géocentrique et le référentiel héliocentrique, ce dernier étant aussi appelé référentiel de Kepler ³.

Une image familière t'aidera. Assis dans un train qui roule, tu es immobile par rapport au wagon, mais tu te déplaces par rapport au quai. De même, un voyageur du train voit le paysage défiler, alors que c'est lui qui avance. Le mouvement dépend du point de vue choisi.

Le basculement du géocentrisme vers l'héliocentrisme n'a pas été instantané. Les documents pédagogiques de référence parlent d'une controverse, c'est-à-dire d'un débat durable entre deux représentations du monde ². Il s'est déroulé sur des siècles ³.

Et ensuite ? Galilée est condamné. Sa théorie heurte en effet l'enseignement chrétien qui fait de la Terre le centre de l'Univers ⁴. La querelle dépasse donc la science : elle touche à la foi et à l'interprétation des Écritures. Comme le géocentrisme s'accordait avec ces textes, l'Église tenait à le défendre ².

Le débat ne se limitait pas à la religion. Il portait aussi sur des arguments de fond, que tu peux formuler toi-même :

• Si la Terre bougeait, ne ressentirait-on pas ce mouvement ? Cette objection contre l'héliocentrisme s'appuie sur l'expérience quotidienne.
• Si la Terre se déplaçait autour du Soleil, la position apparente des étoiles proches devrait changer au fil de l'année. C'est l'argument de la parallaxe.

Le programme propose d'ailleurs une étude intitulée à la recherche de la parallaxe des étoiles, présentée comme un argument de la controverse entre conceptions héliocentriques et géocentriques ¹. Voici le raisonnement.

Dans un Univers héliocentrique, la Terre occupe des positions différentes à six mois d'intervalle. Un observateur terrestre change donc de point de vue au cours de l'année. Les étoiles les plus proches devraient alors sembler se décaler légèrement devant les étoiles plus lointaines.

Or, ce décalage reste imperceptible si les étoiles sont extrêmement lointaines. C'est précisément ce que suppose Copernic : la distance Terre-Soleil est très petite devant celle qui sépare le Soleil des étoiles ⁵. L'héliocentrisme peut donc répondre à l'objection : si l'on ne voit pas de décalage, c'est que les étoiles sont très loin.

Le programme présente cette controverse comme une façon d'entrer dans l'épistémologie, c'est-à-dire la réflexion sur la manière dont la science fonctionne. Il évoque les notions de modèle et de réfutabilité à partir de l'étude de la Terre dans l'Univers ¹. Il parle même de l'invention de la science moderne à propos de ce débat ¹.

Appliquons ces deux idées à notre sujet. Le modèle héliocentrique de Copernic annonce un effet : un décalage des positions apparentes des étoiles proches au cours de l'année. Une mesure peut donc, en principe, le confirmer ou le mettre en difficulté. Un modèle qui fait des prévisions vérifiables est un bon modèle scientifique, même si, à une époque donnée, les instruments ne permettent pas encore de trancher.

Cette histoire montre aussi qu'un modèle plus récent n'est pas accepté parce qu'il est nouveau. Il l'est lorsqu'il explique mieux ce qu'on observe, et lorsque les objections qu'on lui adresse trouvent une réponse.