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(Isaac) Newton & la dynamique moléculaire

Astronome, mathématicien, physicien et théologien anglais, 1642-1727

 

Né prématurément, dans le petit hameau de Woolsthorpe en Angleterre, Isaac Newton était, nous rapporte l'Histoire, "si petit qu'on pouvait l'installer dans un pot d'un litre". C'est pourtant bien un géant… de la science en tous cas qui est né en 1642, l'année même où Galilée meurt… Aucun autre savant n'a donné son nom a autant d'unités et d'entités scientifiques : le Newton, unité de force dans le système international (SI), le "fluide newtonien", la "formule de Newton" (optique), le "quotient de Newton" (calcul différentiel)…

 

Isaac Newton Il a certes des prédécesseurs : Copernic (système solaire), Galilée (mécanique), Kepler (lois du mouvement planétaire), Descartes (coordonnées cartésiennes) et Newton dit lui-même : "s'il m'a été donné de voir un peu plus loin que les autres, c'est parce que j'étais monté sur les épaules de géants". Il naît certes aussi en pleins progrès des mathématiques. Quand bien même, peu ont, comme lui, accumulé les découvertes majeures dans plusieurs domaines : en mathématiques, en mécanique et en optique. En une seule et même année, son annus mirabilis (1666), où, fuyant l'épidémie de peste londonienne, il revient chez lui, à Woolsthorpe, il jette entre autres les bases du calcul différentiel et intégral ; il commence à bâtir les lois de la gravitation universelle, en partant de l'intuition que les mêmes lois de gravitation s'appliquent sur terre et aux corps célestes, il calcule même la force qui retient la Lune sur son orbite. Mais ce n'est pas tout, la même année, il se livre à diverses expériences avec un prisme en verre qui l'amènent à conclure que la lumière blanche est formée de plusieurs couleurs. C'est d'ailleurs cette dernière découverte qui lui vaut son poste d'enseignant au Trinity College de Cambridge, collège où il avait pu étudier, en tant que boursier, malgré ses origines modestes (son père était fermier).

 

Image représentant une phase de Lune. © CNRS Photothèque

Lune en phase gibbeuse, entre le premier quartier et la pleine lune.

 

Mais Newton a un défaut : il ne supporte aucune critique, aucune contradiction, et ne contrôle plus sa rage s'il y est exposé. Ainsi, non seulement parce qu'il voulait affiner ses découvertes et asseoir sa loi de la gravitation, mais aussi parce qu'il préférait garder ses découvertes secrètes plutôt que de s'exposer aux éventuelles critiques de la communauté scientifique, il ne publia celles-ci que 20 ans plus tard. C'est le fameux Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687), communément appelé Principia, souvent considéré comme un chef-d'œuvre.

Principia révolutionne profondément la pensée scientifique, la façon de penser le monde : les marées, l'aplatissement de notre Globe aux pôles, le mouvement des planètes… tout s'explique ! On commence à penser, chez les savants, que l'explication mathématique est la réponse à toutes les questions soulevées par l'univers.

Cependant avoir trop longtemps gardé pour lui ses découvertes entraîne Newton dans une véritable guerre avec Hooke qui revendique la paternité de la loi de l'inverse du carré (utilisée dans la formulation de la loi de la gravitation de Newton). La même chose se produira avec Leibniz lors de la parution de Opticks (1704) où Newton livre, en annexe, ses travaux sur le calcul différentiel, effectués… 30 ans auparavant ! Entre temps, Leibniz avait publié ses propres travaux sur le sujet. Les querelles ne cesseront qu'avec le décès de Hooke (1703, Newton acceptant alors la présidence de la Royal Society et publiant de nouveau ses travaux) et celui de Leibniz (1716).

 

Que nous livre Newton dans Principia ?

Ses trois lois du mouvement :

  1. tout corps demeure dans l'état de repos ou de mouvement uniforme dans lequel il se trouve tant qu'une force extérieure n'agit pas sur lui (théorie de l'inertie) ;
  2. l'effet d'une force continue sur un corps est de le faire accélérer et cette force est égale au produit de la masse du corps par son accélération ;
  3. quand un corps exerce une force sur un autre (action), ce dernier exerce sur le premier une force de même intensité et de sens contraire (réaction). Avec ces trois lois Newton peut établir la loi de la gravitation universelle : deux corps exercent l'un sur l'autre une force d'attraction qui est proportionnelle au produit de leur masse et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare (calculée de centre à centre).
Un "modélisateur" utilisant un outil de drug-design. © CNRS - ROBIN Laurent

Un "modélisateur" utilisant un outil de drug-design.

 

C'est grâce à Newton et à la puissance sans cesse croissante des ordinateurs que les chercheurs peuvent, aujourd'hui, effectuer des simulations numériques du comportement de la matière en décrivant le mouvement de chaque atome qui la compose : on parle de "simulation de dynamique moléculaire".

Cette technique consiste à calculer les positions des atomes au cours du temps, en faisant évoluer celui-ci par intervalles extrêmement courts (1 femtoseconde = 10-15 s !). La position de chaque atome du système étudié est obtenue en calculant la force exercée sur lui par tous les autres atomes du système et en appliquant la deuxième de Newton.

 

Que peut-on simuler ?

Les propriétés des solides, des liquides, des gaz, les mouvements des acides nucléiques, ceux des protéines et de leurs sites actifs, les interactions de ces macromolécules biologiques avec d'autres molécules. Dans quel but ? L’expérience mesure souvent des grandeurs physiques à notre échelle (température, pression, etc…). Ces simulations sur ordinateur permettent de les relier au comportement microscopique de la matière. Elles peuvent aussi dans un premier temps se substituer à l’expérience par exemple pour concevoir des "molécules actives", principes thérapeutiques des médicaments.

Mots clés : forces, mécanique classique, gravité, simulation de dynamique moléculaire, modélisation moléculaire

   
 

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