Alexandre Koyré, Galilée et l'expérience de la Tour de Pise (à propos d'une légende)

Alexandre Koyré, Etudes d'histoire de la pensée scientifique, PUF, 1966 et NRF Gallimard, 1973

Galilée et l'expérience de la Tour de Pise

Notes de lecture

Alexandre Koyré démonte minutieusement dans cet article une légende tenace : l'expérience dite "de la Tour de Pise" qu'aurait, aux dires de l'un de ses premiers biographes, Vincenzo Viviani, effectué Galilée pour prouver expérimentalement la Loi de la chute des corps contre la conception aristotélicienne des "graves". Koyré montre que cette histoire est un mythe, d'ailleurs basé sur une interprétation erronée de cette loi.

"Les historiens de Galilée - et les historiens de la science en général - attribuent aux expériences de Pise une grande importance ; ils y voient habituellement un moment décisif de la vie de Galilée : le moment où celui-ci se prononce ouvertement contre l'aristotélisme et commence son attaque publique de la scolastique ; ils y voient également un moment décisif de l'histoire de la pensée scientifique : celui où, grâce justement à ses expériences sur la chute des corps effectuées du sommet de la Tour penchée, Galilée porte un coup mortel à la physique aristotélicienne et pose les fondements de la dynamique nouvelle." (p. 213)

Alexandre Koyré donne des exemples qui vont dans le sens de cette interprétation : Angelo de Gubernatis, M.J.J. Fahie, Emile Namer, M.L. Olshcki....

"Nous aurions pu multiplier à volonté ces citations et ces exemples, conclut A. Koyré. Nous n'avons pas cru devoir le faire. A quoi bon, en effet, alourdir inutilement notre exposé ? Inutilement, car partout nous eussions trouvé les mêmes éléments du récit : attaque publique de l'aristotélisme, expérience publique exécutée au sommet de la Tour penchée, réussite de l'expérience s'exprimant dans la chute simultanée de deux corps, consternation des adversaires qui, néanmoins, malgré l'évidence, persistent dans leurs croyances traditionnelles ; le tout "encadré", ou, si l'on préfère, enjolivé, selon la fantaisie de l'auteur, par des traits plus ou moins réussis.

(...) Or, ainsi que l'a d'ailleurs déjà exposé Wohlvill, le récit de Vincenzo Viviani sur lesquel s'appuient ces différents auteurs n'est lui-même fondé sur rien. Les expériences de Pise sont un mythe.

A. Koyré donne ensuite le texte de Vincenzo Viviani (V. Viviani, Racconto istorico della vita du Galilei, Opere, ed. Naz. vol. XIX, p. 606) :

"En ce temps-ci (1589-1590), il fut convaincu que l'investigation des effets de la nature exige nécessairement une connaissance vraie de la nature du mouvement, conformément à l'axiome la fois philosophique et vulgaire ignorato motu ignoratur natura (celui qui ignore ce qu'est le mouvement, ignore ce qu'est la nature) ; c'est alors que, à la grande indignation de tous les philosophes, il démontra - à l'aide d'expériences, de preuves et de raisonnements exacts - la fausseté de très nombreuses conclusions d'Aristote sur la nature du mouvement ; conclusions qui, jusqu'alors, étaient tenues pour parfaitement claires et indubitables. Ainsi, entre autres, celle que les vitesses de mobiles de même matière, mais inégalement lourds et se mouvant à travers le même milieu, ne suivent aucunement la proportion de leur gravité, ainsi qu'il est dit par Aristote, mais se meuvent tous avec la même vitesse. Ce qu'il démontra par des expériences répétées, faites du somet du clocher de Pise, en présence de tous les autres professeurs et philosophes de toute l'Université. (Il démontra aussi) que les vitesses d'un même mobile tombant à travers différents milieux ne suivent pas non plus la proportion inverse de la densité de ces milieux, en inférant ceci à partir de conséquences manifestement absurdes et contraires à l'expérience sensible."

A. Koyré montre que les successeurs de Viviani ont enjolivé son texte et ne l'ont pas compris : "Il est superflu d'insister sur l'expansion subie par le texte, très sobre et très bref de Viviani, sous la plume de ses successeurs (...) Un peu de réflexion et de bon sens, un peu de savoir historique, un peu de connaissances physiques auraient suffi pour en reconnaître l'invraisemblance. Et même l'impossibilité."...

"Ainsi, personne ne semble avoir compris l'importance du fait qu'il s'agissait de graves de même matière. Or c'est là un point capital : en effet, à Pise, le jeune Galilée croyait encore - comme Benedetti - que les graves de matière et de poids spécifiques différents tombaient avec une vitesse différente. Il avait raison !" (note 1, p. 218)

Il fait ensuite un sort à la légende selon laquelle le corps entier de l'Université, professeurs et étudiants, se serait déplacé pour assister à une expérience "ridicule", faite par le dernier en grade et le plus mal payé des "maîtres auxiliaires".

Il souligne le fait que Galilée n'était pas le seul à remettre en cause l'enseignement d'Aristote ("On ne faisait que cela depuis cent ans") et que,  contrairement à ce que prétend Viviani, les arguments à l'aide desquels Galilée remet en cause cet enseignement étaient utilisés par d'autres savants, comme Benedetti ou Jacopo Mazzoni et connus de l'aristotélicien Bonamici.

Dernière objection : comment se fait-il que cet expérience tellement importante et tellement décisive ne soit connue que par le recit qu'en fit Viviani soixante ans plus tard ?

A. Koyré pose la question de savoir ce qui se serait passé si Galilée avait réellement laissé tomber du haut de la Tour penchée les deux balles de 10 et de 1 (ou de 100 et de 1) livres.

L'expérience a été réellement faite, notamment par Riccioli, non pas, en ce qui concerne ce dernier, du haut de la Tour de Pise, mais de la Torre degli Asinelli, à Bologne, en mai 1640, août 1645, octobre 1648 et janvier 1650.

"Et l'on trouva que deux globes d'argile, de même dimension, dont l'un, évidé, ne pesait que dix onces, tandis que l'autre, plein, en pesait vingt, qui partaient au même moment du sommet de la tour, arrivaient au sol à des moments différents. Et que, notamment, le plus léger restait de quinze pieds en arrière."

Conclusion :

L'affirmation que "tous les corps tombent avec une vitesse égale" vaut, selon Galilée, pour le cas abstrait et fondamental du mouvement dans le vide et (non pour le mouvement dans l'air).

"Galilée n'avait pas besoin d'attendre l'élaboration des Discorsi pour savoir que la résistance de l'air étant, grosso modo, proportionnelle à la surface (donc, dans la cas d'une balle, au carré du rayon) et le poids à la masse (donc à son cube), elle serait, pour une balle de mousquet, relativement plus grande que pour un boulet de canon.

(...) Aussi, s'il pouvait - et devait - s'attendre à ce que les corps plus ou moins lourds tombent avec des vitesses tout autres que celles, proportionnelles, à leurs poids, qu'ils auraient dû avoir selon Aristote, s'il devait prévoir que le corps moins lourd (la balle de mousquet) tombera beaucoup plus rapidement qu'il n'aurait dû le faire, il y avait quelque chose qu'il ne pouvait admettre ; ce quelque chose, c'était leur chute simultanée. Et c'est là la dernière raison pour laquelle Galilée n'a pas fait l'expérience de Pise ; et ne l'a même pas imaginée."

La Loi de la chute des corps (rappel) :

Loi selon laquelle, en un même lieu et en absence de résistance de l'air, tous les corps ont le même mouvement de chute libre s'effectuant avec la même accélération g, quel que soit le corps pesant. (g est l'accélération de la pesanteur au point considéré.)

Dans la mesure où g peut être considéré comme constant, le mouvement est uniformément accéléré, s'effectue selon la verticale et a pour équations :

v = gt et       ,

où t est la durée depuis le début de la chute, v la vitesse et d la distance parcourue. La résistance de l'air masque en général cette loi en y apportant des modifications qui dépendent des corps.