Galilée est né d'un fils de musicien, à Pise en 1564. Il y étudia la médecine et les mathématiques, puis devint professeur de mathématique à l'université de Pise puis de Padoue en 1592. Son apport à la physique fut majeur et à biens des égards il peut être considéré comme le père de la physique moderne.     Cliquez sur l'image pour l'agrandir

 

Ses grandes découvertes seront fondamentales pour la compréhension de la gravitation. Elles peuvent se répartissent en deux champs :

• L'observation du ciel avec la première lunette astronomique de l'histoire lui fait découvrir les richesses insoupçonnées du monde "céleste ", et lui donne l'intuition de la profonde unité du monde terrestre et céleste.
• L'étude du mouvement des corps à l'aide d'expériences avec des plans inclinés lui fait découvrir la notion de Force et surtout lui permet la première formulation du principe d'inertie. Ces deux contributions révolutionneront totalement la physique et l'astronomie, elle feront basculer la vision du monde Aristotélicienne et imposeront finalement le système Copernicien.

En 1609, arriva en Italie la nouvelle que les Hollandais utilisent une sorte de tube avec deux lentilles pour faire apparaître plus proches les objets lointains. Galilée  s'informant puis expérimentant lui-même améliora le procédé et construit la première lunette astronomique, avec un grossissement de 20. En la pointant vers le ciel, il fit une myriade de découvertes, et vit alors ce qu'aucun homme n'avait vu.

 

Lunette de Galilée

 

• La mystérieuse Voie Lactée, alors seulement visible comme une traînée blanche dans le ciel, apparu alors comme composée en fait de millions de petites étoiles semblables aux plus brillantes déjà connues. Cela confirmait ce qu' Aristote lui-même avait déjà imaginé deux mille ans avant.
• Les planètes apparaissaient dans le télescope comme des disques, donc élargies par la lunettes comme il pouvait s'y attendre. Cependant, cela n'était pas vrai pour les étoiles. Il fallait alors conclure à leur extraordinaire éloignement, ce qui allait dans le sens des Coperniciens qui expliquaient l'absence de parallaxe annuelle des étoiles par leur grand éloignement.

La lune jusqu'alors était imaginée comme une grande sphère parfaite, rigide et polie, sans imperfection ni rugosité à sa surface. Galilée, après l'avoir observé pendant l'hiver 1609, détruisit complètement cette vision en dessinant les cratères multiples, sa surface complètement irrégulière, semblable à ce que l'on voit...sur Terre. Dessin original de Galilée, fait entre le 30 et 18 décembre 1609 (cliquez sur l'image)

• La découverte majeure de Galilée fut cependant celle des satellites de Jupiter. En pointant sa lunette vers cet objet les 7, 8 et 10 janvier 1610, et comme à son habitude, il fit des croquis pour fixer ses observations. Il observa tout d'abord le 7, deux petites étoiles à l'Est de Jupiter et une à l'Ouest. Ensuite, le 8, les trois petites étoiles à l'Ouest de Jupiter, et plus aucune à l'Est.

Le 9, la configuration avait encore changé. Il crut tout d'abord que ces étoiles faisaient juste partie du fond étoilé devant lequel Jupiter se déplaçait. Cependant, en renouvelant ses observations, il dut bien admettre que ces petites étoiles suivaient Jupiter dans son mouvement, comme la Lune suivaient la Terre. Dessin de Galilée représentant les 7,8 et 10 janvier 1610, Jupiter les trois petits satellites.

La Terre n'était plus alors une anomalie du système solaire, étant la seule à posséder un satellite: Jupiter en possédait aussi. Cette découverte fut d'une telle importance, que Galilée y consacra presque la moitié de l'ouvrage dans lequel il relate ses observations : " Le messager des étoiles "

Après la parution du "messager des étoiles ", l'opinion publique était assez incrédule, s'étonnant qu'un tube avec deux verres suffise à percer les mystères du cosmos. Mais une aide décisive vint de quatre astronomes Jésuites de Rome qui publièrent un texte confirmant la totalité des découvertes de Galilée.

Galilée essayait dans son livre de ne pas paraître trop Copernicien pour éviter la censure de l'église. Cependant, en privé, il était un ardent défenseur de la cause Copernicienne, ce qui le mena pourtant devant les tribunaux, comme on le sait.

L'observation à la lunette apporta deux faits supplémentaires qui devaient porter un coup majeur au système de Ptolémée et d'Aristote :

• En regardant le soleil, il observa les taches solaires, mettant par-là en évidence un semblant d'imperfection des corps célestes. Le Soleil lui-même pouvait présenter des irrégularités, et cela allait à l'encontre même des fondements de base de la vision d'Aristote.
• Enfin, en observant Vénus sur plusieurs nuits, il vit un cycle de phases complet, semblable à celui de la Lune (pleine lune, premier quartier etc.). Si on se réfère au système géocentrique d'Aristote, cela ne peut s'expliquer, car la Terre étant au centre, Vénus et le Soleil orbitant autour, on devrait toujours observer Vénus comme "pleine ", c'est à dire avec la totalité de sa surface illuminée.

Cependant, dans le Système de Copernic, le Soleil étant au centre, et Vénus étant entre la Terre et le Soleil, sa surface illuminée vue depuis la Terre est constamment changeante en fonction de la position relative de la Terre et de Vénus.  Dessin des phases de Venus par Galilée. Cliquez sur l'image

Les observations de Galilée montrent en définitive qu'il n'y a pas de séparation fondamentale entre le monde Terrestre et Céleste, et que cette division de l'univers en deux mondes n'a plus lieu d'être. De plus, le système de Copernic qui avait mis si longtemps à s'imposer trouvait dans ces observations une justification éclatante.

Les travaux de Galilée visent également la compréhension du mouvement et de la chute des corps. Egalement sur ce plan, Galilée transforme la vision des choses en allant à l'encontre des conceptions Aristotéliciennes et en établissant le premier principe d'inertie (plus tard repris et corrigé par Newton).

4.2 Le mouvement des corps

Galilée, en voulant étudier avec précision le mouvement des corps, compris, qu'il fallait pour cela isoler au maximum le phénomène physique à étudier, et le libérer de tous phénomènes parasites. C'est là, la base de toute la démarche expérimentale en physique. Pour cela, il construit une série de petites expériences simples.

La chute des corps : La célèbre expérience de la chute des corps depuis la tour de Pise est bien connue (il est probable qu'en fait, Galilée n'a jamais fait cette expérience depuis la tour de Pise), son objectif consiste à mesurer le temps de chute de corps de différentes masses et de différentes natures. Galilée arriva à la conclusion (aujourd'hui classique), que ce temps de chute est le même pour tous les corps, quelque  soient leur poids, leur taille et leur nature. En d'autres termes, la vitesse de chute libre est la même pour tous les corps. Cela allait clairement à l'encontre de l'intuition, et Galilée l'expliquait par un raisonnement simple par l'absurde : Supposons qu'un corps plus massif tombe plus vite qu'un corps léger, alors, si on attache à l'aide d'une ficelle une grosse pierre et une petite et qu'on les lâche, la grosse pierre devrait être ralentie dans son mouvement de chute par la petite qui à priori tombe moins vite. Donc le couple petite pierre + grosse pierre tombe moins vite que la grosse pierre toute seule.

Or, le couple petite pierre + grosse pierre est plus lourd que la grosse pierre toute seule, et donc devrait en fait tomber plus vite, ce qui est en contradiction avec ce que l'on a dit plus haut en appliquant un autre raisonnement fondé sur la même hypothèse. Cela est donc incohérent, et notre hypothèse de départ est fausse.

Le principe d'inertie : C'est peut-être là le plus grand apport de Galilée à la physique. En faisant des expériences avec des billes qui roulent sur des plans de différentes natures, il observe que si le plan est très rugueux, la bille s'arrête rapidement, par contre, si le plan est très lisse ou recouvert d'huile par exemple, la bille parcourt une distance beaucoup plus grande avant de s'arrêter. Galilée eut alors l'idée de forces de frottement : le plan rugueux frotte très fortement sur la bille et l'oblige à s'arrêter rapidement, en revanche, sur le plan lisse les forces de frottement sont très faibles et n'empêchent pas la bille de rouler. Dans la vie de tous les jours, les forces de frottement sont partout présentes et obligent les corps à stopper leur mouvement, c'est pour cela que pour entretenir ce mouvement on doit constamment appliquer une force extérieure à un corps pour contrebalancer ces forces de frottement : par exemple, on doit tirer une charrette pour la faire avancer, pour contrebalancer les frottements dus aux pièces mécaniques dans les roues, et également dus au contact avec le sol.

Mais si on pouvait réduire ces forces de frottement à zéro, alors, le corps conserverait son mouvement indéfiniment. C'est en faisant une telle extrapolation que, Galilée donne une première formulation du principe d'inertie : tout corps possède une certaine "inertie " qui l'oblige à conserver sa vitesse, à moins qu'une force extérieure, une force de frottement par exemple, ne l'oblige à arrêter ce mouvement, i.e. à modifier cette vitesse.

Le principe d'inertie sera repris par Newton, qui en fera la pierre angulaire de son oeuvre. C'est une loi dont les conséquences ne sont pas limitées à l'étude de la gravitation, mais qui touche la totalité de la physique.

De ce principe, découle naturellement la notion de force, la plus fondamentale en physique : une force est ce qui modifie le mouvement d'un corps, tant en vitesse qu'en trajectoire. En l'absence de force, le corps poursuit sa trajectoire et conserve sa vitesse. Si une force est appliquée dessus, alors, l'objet modifiera cette trajectoire.

Le principe d'inertie permet d'expliquer également une incohérence apparente du système Copernicien : si la terre n'est pas fixe et possède un mouvement propre dans le système solaire, on ne comprenait pas alors pourquoi, sur Terre, nous ne sentions pas du tout ce mouvement. Comment comprendre que les objets restent collés au sol, même quand rien ne les y rattache ? Par exemple, si je tire une flèche à la verticale, comment comprendre que cette flèche retombe pile à l'endroit d'où elle a été tirée, et pas légèrement à coté, dû au mouvement propre de la Terre par rapport au Soleil ?

Copernic et Kepler eux même n'avaient pas d'explication à cette apparente incohérence, car ils ne connaissaient pas le principe d'inertie. Si nous ne ressentons pas les effets du mouvement de la Terre, c'est que nous sommes entraînés par elle dans l'espace : quand nous sommes reliés à elle sur sa surface, elle nous communique la vitesse qu'elle a par rapport au soleil, et le principe d'inertie nous dit que nous devons conserver cette vitesse, donc ce mouvement. Si la flèche retombe à la verticale, c'est par ce que son inertie l'oblige à suivre la Terre : pendant sa chute, la Terre s'est déplacée par rapport au Soleil, mais la flèche a fait de même, donc au total, la flèche ne s'est pas déplacée par rapport à la Terre.

Enfin, il est important de noter également un résultat moins célèbre de Galilée, mais qui aura une importance fondamentale pour la relativité de Newton, et un principe que reformulera Einstein, celui de la relativité galiléenne. On peut le concevoir également comme une conséquence du principe d'inertie. C'est celui de composition des vitesses. Galilée est le premier à l'avoir formulé mathématiquement, et c'est un résultat bien connu :

Soit un observateur dans un référentiel R1 qui regarde se déplacer un objet C à la vitesse V. Alors, un observateur dans un référentiel R2 qui se déplace par rapport à R1 avec la vitesse Vr, verra se déplacer C à la vitesse V-Vr (les vitesses sont ici des vecteurs). C'est le principe de composition des vitesses classique.

 

Le bilan scientifique de Galilée est extraordinaire : il révolutionne la vision du monde en observant le ciel, montre que la Terre et Jupiter partage des caractéristiques communes, détruisant ainsi l'idée de la position privilégiée de la Terre dans le Système Solaire, en impose le système de Copernic (après plusieurs batailles avec l'église). Sur le plan de la physique, il a, comme nous l'avons vu, initié la physique expérimentale, et bâti le principe d'inertie qui sera le fondement de toute la physique. C'est sur celui-ci que Newton, va enfin réussir à expliquer le mouvement des corps, non seulement dans le ciel, mais aussi sur la Terre, et donner la première formulation de la gravitation.

 

Dessin du système solaire par Galilée. Il y inclut les satellites de Jupiter.  (cliquez sur l'image)