Entre science et légende, l'expérience de Galilée à la Tour de Pise

Le clocher de la cathédrale primatiale Santa Maria Assunta de Pise, universellement connu sous le nom de tour penchée, est le symbole de la ville et de l’Italie en général. Sa renommée est sans limites, et on dit aussi qu’il a été la célèbre scène et le laboratoire d’une importante expérience du scientifique pisan Galileo Galilei.

Il s’agit de l’expérience du gravi ou de la chute du gravi, dont on se demande encore aujourd’hui si elle a réellement été réalisée ou s’il s’agit d’une simple spéculation mentale. L’expérience était basée sur une théorie d’Aristote, le philosophe qui avait formulé des explications pour de nombreux phénomènes physiques dans l’Athènes du IVe siècle avant J.-C. ; parmi ceux-ci, l’une de ses propositions fondamentales était qu’il n’y a pas d’effet sans cause, et par extension pas de mouvement sans une force qui le déplace. Aristote soutenait que la vitesse d’un objet est proportionnelle à la force motrice et inversement proportionnelle à la résistance du milieu.

Appliquant ces idées à la chute des corps, le philosophe finit par conclure que des corps différents tombent à des vitesses différentes et, plus précisément, que plus le poids est important, plus la vitesse de chute est élevée. Cette affirmation, cohérente avec le phénomène observé, est restée une croyance pendant très longtemps et jouit encore aujourd’hui d’une grande popularité.

En réalité, il s’agit d’une théorie erronée qui a été critiquée à plusieurs reprises, dès le VIe siècle après J.-C. par le philosophe byzantin Jean Philoponus, puis avec plus de véhémence aux XVIe et XVIIe siècles, alors que la science du mouvement devenait de plus en plus avancée. L’intellectuel Benedetto Varchi avait déjà remis en question l’idée aristotélicienne en 1544 en publiant son traité Questione sull’alchimia: “[...Bien que la coutume des philosophes modernes soit de toujours croire et de ne jamais prouver tout ce qui est écrit dans les bons auteurs, et en particulier chez Aristote, il n’en reste pas moins qu’il n’était pas plus sûr, et même plus sûr, de croire à l’existence de l’alchimie. Ce n’est pourtant pas qu’il ne serait pas plus sûr et plus agréable de faire autre chose, et quelquefois de descendre à l’expérience en certaines choses, comme les verbes de grâce dans le mouvement des choses graves, dans lesquelles Aristote et tous les autres philosophes, sans jamais en douter, ont cru et affirmé que plus une chose est grave, plus elle descend vite, ce que la preuve prouve n’être pas vrai. [...]”.

Il faut cependant attendre Galilée pour que la vision aristotélicienne soit définitivement réfutée. Le jeune scientifique occupe la chaire de mathématiques à l’université de sa ville entre 1589 et 1592, et en tant qu’enseignant, il affiche d’emblée sa pédagogie contre le dogme : “La méthode que nous suivrons sera celle de faire dépendre ce qui est dit de ce qui est dit, sans jamais tenir pour vrai ce qu’il faut expliquer. Cette méthode m’a été enseignée par mes mathématiciens, alors qu’elle n’est pas assez observée par certains philosophes lorsqu’ils enseignent les éléments physiques... Par conséquent, ceux qui apprennent ne connaissent jamais les choses à partir de leurs causes, mais les croient seulement par la foi, c’est-à-dire parce qu’Aristote les a dites. Si donc ce qu’a dit Aristote est vrai, il y en a peu qui enquêtent ; il leur suffit d’être considérés comme plus savants parce qu’ils ont plus de textes aristotéliciens entre les mains [...] qu’une thèse soit contraire à l’opinion de beaucoup ne m’importe pas du tout, pourvu qu’elle corresponde à l’expérience et à la raison”.

Et c’est durant sa période pisane que Galilée compose De motu antiquiora. Dans ce texte, qui est resté longtemps à l’état de manuscrit et n’a été imprimé qu’au XIXe siècle, Galilée rassemble ses cours sur le problème du mouvement et commence à étoffer ses formulations sur la théorie de la gravitation. On se demande encore aujourd’hui s’il s’agissait d’un simple exercice mental ou si, comme le veut l’histoire, il l’a réellement expérimenté en prenant la Tour de Pise comme laboratoire.

C’est Vincenzo Viviani, son disciple et biographe préféré, qui a relaté l’expérience dans son ouvrage Racconto istorico della vita di Galileo Galilei: “Et alors, à la grande consternation de tous les philosophes, de nombreuses conclusions d’Aristote sur le mouvement, qui avaient été considérées jusqu’alors comme absolument claires et indubitables, ont été convaincues de leur fausseté par lui, au moyen de l’expérience et de solides démonstrations et discours ; comme, entre autres, que les vitesses des mobiles d’une même matière, inégalement grave, se mouvant par le même moyen, ne conservent pas autrement la proportion de leurs gravités que, au contraire, ils se déplacent tous avec une vitesse égale, ce qui a été démontré par des expériences répétées, réalisées du haut du Campanile de Pise avec l’intervention des autres lecteurs et philosophes et de toute l’école ; et que ni les vitesses de la même matière, ni celles de la même matière, ni celles de la même matière, ni celles de la même matière, ni celles de la même matière, ni celles de la même matière, ni celles de la même matière, ni celles de la même matière.moins les vitesses du même mobile par différents moyens ne conservent la proportion réciproque des résistances ou des densités des mêmes moyens, en le déduisant des absurdités manifestes qui s’ensuivraient contre le sens lui-même”.

Mais la fameuse expérience des “gravi”, dont la tradition et le biographe affirment qu’elle a été réalisée depuis la Tour de Pise, est presque unanimement considérée comme une simple légende, et même si elle avait été réalisée, elle aurait apparemment réfuté la thèse galiléenne car, comme le notait consciemment Galilée lui-même, elle n’aurait pas été réalisée. en effet, comme l’a consciemment noté Galilée lui-même, “seul un espace complètement voué à l’air et à tout autre corps” pouvait prouver la véracité de ce qu’il affirmait, mais à l’époque il n’existait ni espace ni pompe capable de soustraire la résistance de l’air. Bien qu’une telle expérience n’ait pas été possible à l’époque, le scientifique a pu étudier le phénomène avec différentes approches logiques et empiriques.

Galilée, qui soutenait que des poids différents tombent à la même vitesse, a mené une lucubration réussie qui a remis en question la formulation aristotélicienne, car celle-ci comportait des contradictions inhérentes que le scientifique pisan avait mises en évidence. En supposant que la théorie d’Aristote soit vraie, c’est-à-dire qu’un corps léger tombe plus lentement qu’un corps plus lourd, s’ils étaient liés l’un à l’autre, ils devraient tomber à la vitesse moyenne entre les deux, puisque l’objet lourd serait ralenti par l’objet léger. Mais en même temps, si les deux corps étaient additionnés, il en résulterait un troisième encore plus lourd, dont le mouvement de chute devrait être accéléré. Ce paradoxe, avec une contradiction évidente entre les temps de chute, conduit à considérer l’hypothèse aristotélicienne comme impossible et donc erronée.

Galilée soulignera plus tard ce concept dans une expérience qu’il prétend avoir réalisée, comparant la chute d’un boulet d’artillerie et d’une balle de mousquet. Une expérience que, par souci de simplicité, nous résumons en utilisant des unités de mesure différentes de celles proposées par Galilée. Imaginons que le boulet d’artillerie soit dix fois plus lourd que la balle ; lancé en même temps de la même hauteur de 100 mètres, selon la formule aristotélicienne, le plus lourd devrait toucher le sol alors que la balle n’aurait parcouru que dix mètres. Au lieu de cela, Galilée fait remarquer que la distance d’arrivée au sol entre les deux est minime.

S’il était impossible pour Galilée de réaliser correctement l’expérience du “gravi” à son époque, plusieurs siècles plus tard, en 1971, l’astronaute Dave Scott la réitère sous une forme à fort impact scénographique: lors de la mission Apollo 15, il laisse tomber simultanément sur la surface lunaire un marteau et une plume, qui touchent le sol en même temps, en raison de l’absence d’atmosphère, prouvant ainsi que le savant pisan ne s’était pas trompé du tout.

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