La physique
Mécanique
La bataille pour le copernicanisme a été menée dans le domaine de la mécanique ainsi que de l'astronomie. Le système ptolémaïque-aristotélicien se tenait ou tombait comme un monolithe, et il reposait sur l'idée de la fixité de la Terre au centre du cosmos. Retirer la Terre du centre a détruit la doctrine du mouvement et du lieu naturels, et le mouvement circulaire de la Terre était incompatible avec la physique aristotélicienne.
Les contributions de Galileo à la science de la mécanique étaient directement liées à sa défense du copernicanisme. Bien que, dans sa jeunesse, il ait adhéré à la physique des impulsions traditionnelles, son désir de mathématiser à la manière d'Archimède l'a conduit à abandonner l'approche traditionnelle et à développer les bases d'une nouvelle physique à la fois hautement mathématisable et directement liée aux problèmes rencontrés par la nouvelle cosmologie. Intéressé à trouver l'accélération naturelle des corps qui tombent, il a pu dériver la loi de la chute libre (la distance, s, varie comme le carré du temps, t 2). En combinant ce résultat avec sa forme rudimentaire du principe d'inertie, il a pu dériver la voie parabolique du mouvement des projectiles. De plus, son principe d'inertie lui a permis de répondre aux objections physiques traditionnelles au mouvement de la Terre: puisqu'un corps en mouvement a tendance à rester en mouvement, les projectiles et autres objets à la surface terrestre auront tendance à partager les mouvements de la Terre, qui seront donc imperceptible pour quelqu'un qui se tient sur Terre.
Les contributions du XVIIe siècle à la mécanique du philosophe français René Descartes, tout comme ses contributions à l'effort scientifique dans son ensemble, étaient davantage axées sur les problèmes des fondements de la science que sur la solution de problèmes techniques spécifiques. Il était principalement préoccupé par les conceptions de la matière et du mouvement dans le cadre de son programme général pour la science, à savoir expliquer tous les phénomènes de la nature en termes de matière et de mouvement. Ce programme, connu sous le nom de philosophie mécanique, est devenu le thème dominant de la science du XVIIe siècle.
Descartes a rejeté l'idée qu'un morceau de matière puisse agir sur un autre à travers un espace vide; au lieu de cela, les forces doivent être propagées par une substance matérielle, «l'éther», qui remplit tout l'espace. Bien que la matière ait tendance à se déplacer en ligne droite conformément au principe d'inertie, elle ne peut pas occuper l'espace déjà rempli par une autre matière, donc le seul type de mouvement qui peut réellement se produire est un vortex dans lequel chaque particule d'un anneau se déplace simultanément.
Selon Descartes, tous les phénomènes naturels dépendent des collisions de petites particules, et il est donc d'une grande importance de découvrir les lois quantitatives de l'impact. Cela a été fait par le disciple de Descartes, le physicien néerlandais Christiaan Huygens, qui a formulé les lois de conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie cinétique (cette dernière n'étant valable que pour les collisions élastiques).
L'œuvre de Sir Isaac Newton représente l'aboutissement de la révolution scientifique de la fin du XVIIe siècle. Sa monumentale Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687; Principes mathématiques de la philosophie naturelle) a résolu les problèmes majeurs posés par la révolution scientifique en mécanique et en cosmologie. Il a fourni une base physique aux lois de Kepler, à la physique céleste et terrestre unifiée sous un ensemble de lois, et a établi les problèmes et les méthodes qui ont dominé une grande partie de l'astronomie et de la physique pendant plus d'un siècle. Grâce au concept de force, Newton a pu synthétiser deux composantes importantes de la révolution scientifique, la philosophie mécanique et la mathématisation de la nature.
Newton a pu tirer tous ces résultats frappants de ses trois lois du mouvement:
1. Tout corps continue dans son état de repos ou de mouvement en ligne droite à moins qu'il ne soit obligé de changer cet état par la force qui lui est imposée;
2. Le changement de mouvement est proportionnel à la force motrice imprimée et se fait dans la direction de la ligne droite dans laquelle cette force est imprimée;
3. A chaque action il y a toujours opposé une réaction égale: ou, les actions mutuelles de deux corps l'un sur l'autre sont toujours égales.
La seconde loi a été mise dans sa forme moderne F = ma (où a est l'accélération) par le mathématicien suisse Leonhard Euler en 1750. Dans cette forme, il est clair que le taux de changement de vitesse est directement proportionnel à la force agissant sur un corps et inversement proportionnelle à sa masse.
Afin d'appliquer ses lois à l'astronomie, Newton a dû étendre la philosophie mécanique au-delà des limites fixées par Descartes. Il a postulé une force gravitationnelle agissant entre deux objets quelconques de l'univers, même s'il n'était pas en mesure d'expliquer comment cette force pouvait se propager.
Au moyen de ses lois de mouvement et d'une force gravitationnelle proportionnelle au carré inverse de la distance entre les centres de deux corps, Newton pourrait déduire les lois de Kepler du mouvement planétaire. La loi de Galileo sur la chute libre est également conforme aux lois de Newton. La même force qui fait tomber des objets près de la surface de la Terre maintient également la Lune et les planètes sur leurs orbites.
La physique de Newton a conduit à la conclusion que la forme de la Terre n'est pas précisément sphérique mais devrait se gonfler à l'équateur. La confirmation de cette prédiction par les expéditions françaises au milieu du XVIIIe siècle a aidé à persuader la plupart des scientifiques européens de passer de la physique cartésienne à la physique newtonienne. Newton a également utilisé la forme non sphérique de la Terre pour expliquer la précession des équinoxes, en utilisant l'action différentielle de la Lune et du Soleil sur le renflement équatorial pour montrer comment l'axe de rotation changerait de direction.
Optique
La science de l'optique au 17e siècle a exprimé les perspectives fondamentales de la révolution scientifique en combinant une approche expérimentale avec une analyse quantitative des phénomènes. L'optique a ses origines en Grèce, en particulier dans les travaux d'Euclide (vers 300 avant JC), qui a déclaré de nombreux résultats en optique géométrique que les Grecs avaient découverts, y compris la loi de la réflexion: l'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion. Au XIIIe siècle, des hommes comme Roger Bacon, Robert Grosseteste et John Pecham, s'appuyant sur les travaux de l'arabe Ibn al-Haytham (décédé vers 1040), ont considéré de nombreux problèmes optiques, y compris l'optique de l'arc-en-ciel. C'est Kepler, s'inspirant des écrits de ces opticiens du XIIIe siècle, qui a donné le ton de la science au XVIIe siècle. Kepler a présenté l'analyse point par point des problèmes optiques en traçant les rayons de chaque point de l'objet jusqu'à un point de l'image. Tout comme la philosophie mécanique divisait le monde en parties atomiques, Kepler a approché l'optique en divisant la réalité organique en ce qu'il considérait comme des unités réellement réelles. Il a développé une théorie géométrique des lentilles, fournissant le premier compte mathématique du télescope de Galileo.
Descartes a cherché à intégrer les phénomènes de la lumière dans la philosophie mécanique en démontrant qu'ils peuvent s'expliquer entièrement en termes de matière et de mouvement. En utilisant des analogies mécaniques, il a pu dériver mathématiquement de nombreuses propriétés connues de la lumière, y compris la loi de réflexion et la loi de réfraction nouvellement découverte.
Beaucoup des contributions les plus importantes à l'optique au 17ème siècle ont été l'œuvre de Newton, en particulier la théorie des couleurs. La théorie traditionnelle considérait les couleurs comme le résultat de la modification de la lumière blanche. Descartes, par exemple, pensait que les couleurs étaient le résultat de la rotation des particules qui constituent la lumière. Newton a bouleversé la théorie traditionnelle des couleurs en démontrant dans un ensemble impressionnant d'expériences que la lumière blanche est un mélange à partir duquel des faisceaux séparés de lumière colorée peuvent être séparés. Il a associé différents degrés de réfrangibilité à des rayons de couleurs différentes, et de cette manière, il a pu expliquer comment les prismes produisent des spectres de couleurs à partir de la lumière blanche.
Sa méthode expérimentale était caractérisée par une approche quantitative, car il recherchait toujours des variables mesurables et une distinction claire entre les résultats expérimentaux et les explications mécaniques de ces résultats. Sa deuxième contribution importante à l'optique a porté sur les phénomènes d'interférence qui ont fini par être appelés «anneaux de Newton». Bien que les couleurs des films minces (par exemple, l'huile sur l'eau) aient été précédemment observées, personne n'a tenté de quantifier les phénomènes de quelque manière que ce soit. Newton a observé des relations quantitatives entre l'épaisseur du film et les diamètres des anneaux de couleur, une régularité qu'il a tenté d'expliquer par sa théorie des ajustements de transmission facile et des ajustements de réflexion facile. Nonobstant le fait qu'il conçoit généralement la lumière comme étant particulaire, la théorie des ajustements de Newton implique la périodicité et les vibrations de l'éther, la substance fluide hypothétique imprégnant tout l'espace (voir ci-dessus).
Huygens était le deuxième grand penseur optique du XVIIe siècle. Bien qu'il critiquât de nombreux détails du système de Descartes, il écrivit dans la tradition cartésienne, cherchant des explications purement mécaniques des phénomènes. Huygens considérait la lumière comme quelque chose d'un phénomène d'impulsion, mais il a explicitement nié la périodicité des impulsions lumineuses. Il a développé le concept de front d'onde, grâce auquel il a pu dériver les lois de la réflexion et de la réfraction de sa théorie des impulsions et expliquer le phénomène récemment découvert de la double réfraction.
