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La notion de mouvement

Parmi les notions qui semblent les plus intuitives mais qui se révèlent particulièrement complexes et fécondes en physique, figure le mouvement, concept le plus simple qui fasse intervenir à la fois l'espace et le temps.

Un mouvement est décrit globalement par la donnée d'une trajectoire, idée d'espace, et de la façon dont celle-ci est suivie, idée de temps.

Autrement dit, le mouvement se différencie de la trajectoire par le fait qu'il contient aussi une information sur la vitesse. Cependant, cette façon de considérer le mouvement est assez moderne puisqu'elle remonte grossièrement à la Renaissance et à Galilée. Il fallut bien des réflexions sur le mouvement pour en arriver là. Un exemple très simple des problèmes qui se posèrent dès l'Antiquité autour de ce thème est la question du mouvement de la Terre : la Terre est-elle mobile ? Si elle l'est, pourquoi ne sent-on pas son mouvement?

Comme le soulignait Ptolémée, si la Terre était réellement mobile ou bien en rotation, il est évident que les choses tombant librement ne le feraient pas de manière rigoureusement verticale. Il y aurait en effet déplacement du sol entre le début et la fin de la chute. Ainsi, cet exemple en apparence anodin, qui préfigure le principe de relativité, illustre bien le danger qu'il y a à se fier aux évidences sur de tels sujets.

Néanmoins, sans même rentrer dans toutes les complications liées au mouvement, il va se révéler être l'un des piliers du principe de relativité. On comprend ainsi d'ores et déjà pourquoi la relecture de ce principe par Einstein impliqua la nécessité de revoir entièrement les conceptions anciennes (datant de Newton) d'espace et de temps. Si la relativité remonte réellement à Galilée, les premières réflexions sur le mouvement sont bien antérieures.

La Grèce Antique et Aristote

Le système géocentrique d'Aristote

Aristote

L'un des philosophes les plus importants de la Grèce antique est Aristote, qui fut également la figure dominante de la physique depuis le IVème siècle avant J.C, au cours duquel il vécut, jusqu'au Moyen-Âge, voire la Renaissance.

Ainsi, même si son modèle du monde ne fut pas le seul développé durant l'Antiquité, et même si nombre de ses contemporains n'y adhérèrent pas, son importance et son influence par la suite furent telles qu'il sera le seul brièvement résumé ici. Selon le système aristotélicien, ou géocentrique, la Terre est le centre de l'Univers, astre autour duquel tous les autres, le Soleil inclus, tournent. Dans cet Univers, il faut ensuite distinguer le monde sensible qui nous environne et le monde céleste, d'essence divine, situé au-delà de la Lune.

La différence fondamentale entre ces deux mondes est dans leur nature même. Le monde sensible est corruptible, constitué de corps matériels altérables composés de quatre éléments (la terre, l'eau, l'air et le feu). Le monde céleste ne comporte que des corps immuables, et puisque la Nature a horreur du vide, ces objets célestes baignent dans un fluide subtil qui emplit tout l'espace. Ce cinquième élément, la quintessence, se nomme l'éther et sera un thème récurrent dans le contexte de la relativité.

Cinématique et mouvement

Par ailleurs, cette opposition entre le monde matériel et le monde supralunaire se retrouve également dans la cinématique (étude du mouvement) d'Aristote. Selon celle-ci, les corps célestes suivent des trajectoires circulaires éternellement répétées, alors que les objets matériels sont soumis aux principes de causalité et/ou de finalité. Ils ne peuvent être mis en mouvement et/ou altérés que par des causes extérieures.

Ainsi, un objet matériel, s'il est déplacé par des forces, reste en mouvement forcé tant que celles-ci s'exercent. Pour Aristote la force est donc la cause directe du mouvement forcé, et la vitesse lui est proportionnelle. De plus, une fois que la force a cessé de s'exercer, l'objet est mû par une propriété interne de finalité qui le ramène vers son lieu naturel de repos. Ce mouvement, dit naturel, est rectiligne vertical, vers le bas pour la terre et l'eau, vers le haut pour l'air et le feu.

Toutefois, cette séparation entre changement de nature (seuls les objets matériels peuvent changer de forme ou d'état) et changement de position serait artificielle pour Aristote. En effet, du point de vue aristotélicien, le mouvement est une qualité intrinsèque aux objets, une qualité qui a une existence propre. Ce que l'on pourrait aussi appeler, à l'aide du vocabulaire plus moderne de la physique, une grandeur absolue. C'est pour cela que, dans le monde divin, le mouvement est naturel et circulaire, alors que dans le monde sensible, le repos est l'état de nature, les objets déplacés cherchant uniquement à regagner leurs places. Ce mouvement naturel de retour vers l'état de repos s'effectue d'ailleurs en accord avec un autre grand principe d'Aristote selon lequel les corps lourds chutent plus rapidement que les corps légers.

Or, ce principe, qui semble bien naturel et vérifié si l'on songe à la chute d'une plume comparée à celle d'une pierre, n'est pas véritablement en accord avec ce que l'on observe dans la nature si l'on effectue suffisamment soigneusement l'expérience. Ainsi, deux objets de masses différentes, mais de formes très proches (pour rendre similaires les effets de l'air), chutent bel et bien de la même façon indépendamment de leur composition et de leur masse. Le fait que, bien souvent, ce n'est pas ce que l'on observe, est uniquement dû à des effets parasites tels que l'influence des frottements de l'air sur la surface des corps. Cependant, pour Aristote, dont la compréhension du monde venait avant tout de la réflexion et de l'observation, mais pas réellement d'une expérimentation scientifique, cet état des faits était loin d'être aisé à déceler, puisque les nombreux effets parasites dominent souvent l'évolution du phénomène.