Comment la gravité était expliquée avant la pomme de Newton

L'histoire de la pomme tombant sur la tête du physicien anglais Isaac Newton (1643-1727) est anecdotique.

Mais il est admis que ce qui est devenu la loi de la gravitation universelle , le principe qui explique pourquoi les choses tombent, a été formulé par lui dans l'ouvrage "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica", en 1687.

Bien que, de toute évidence, les choses tombaient déjà avant Newton. Comment alors ceux qui se consacraient à la réflexion expliquaient-ils ce phénomène ? Quelle explication avait, jusqu'au XVIIe siècle, ce que nous appelons aujourd'hui la gravité ?

Bien des années après Newton, le physicien Albert Einstein (1879-1955) disait que "la gravité est la première chose à laquelle on ne pense pas ". Parce qu'il nous semble naturel que l'idée qu'une pierre lancée tombe, qu'un fruit qui n'est pas retiré de l'arbre tombe aussi et, eh bien, qu'un trébuchement stupide est annonciateur d'une chute.

Dans le livre "Pourquoi les choses tombent ? Une histoire de la gravité", paru aux éditions Zahar en 2009, les astronomes Alexandre Cherman et Bruno Rainho Mendonça partent du constat que la gravité est incontestablement "spéciale" .

"S'il n'en était pas ainsi, comment expliquer que les deux plus grands génies de la science, Isaac Newton et Albert Einstein, s'y soient consacrés ? Et pas seulement : ils ont été élevés à ce statut de génie précisément parce qu'ils avaient entrevu une partie de ses secrets" écrit Cherman.

De la Grèce à l'Inde

Selon l'astronome, l'importance de la gravité tient à deux facteurs : elle est universelle , "pour reprendre un terme cher à Newton", et commune , "pour reprendre un terme cher à Einstein".

Universelle et commune. Comment l'expliquait-on alors ?

Si nous devons remonter dans l'histoire de la science, remontons jusqu'à Aristote (384 av. J.-C. - 322 av. J.-C.) car le savant grec est considéré comme l'un des penseurs les plus influents de l'histoire occidentale, et une grande partie de la logique même de la pensée scientifique est due à ses questionnements.

"Il a un peu séparé les phénomènes des éléments et a compris que l'objet appartenant à un certain élément avait une tendance naturelle à retomber sur la position de cet élément", explique à la BBC le physicien Rodrigo Panosso Macedo, chercheur postdoctoral à l'Institut Niels Bohr de l'université de Copenhague, au Danemark.

"Ainsi, si un objet était fait de terre, sa tendance naturelle serait de retomber vers la terre, et il tomberait donc. Un objet fait d'air gazeux aurait une tendance naturelle à retomber dans l'air, et donc à s'élever".

Dans le livre qu'il a cosigné, l'astronome Mendonça remonte un peu plus loin dans le temps et cite quelques références à la compréhension du phénomène par des érudits hindous avant même Aristote.

Une représentation picturale datant probablement du VIIIe siècle avant J.-C. révèle que les philosophes hindous pensaient déjà que la gravitation assurait la cohésion du système solaire et que le Soleil, en tant qu'étoile la plus massive, devait occuper la position centrale dans le modèle.

"Un autre témoignage intéressant de l'Inde ancienne se trouve dans les travaux d'un sage hindou nommé Kanada, qui a vécu au 6e siècle avant J.-C.", décrit-il. "C'est lui qui a fondé l'école philosophique de Vaisheshika".

Rainho Mendonça explique que Kanada a associé le "poids" à la chute, considérant le premier comme la cause du phénomène. "L'intuition du sage hindou était sur la bonne voie, mais il restait encore un long chemin à parcourir en termes conceptuels".

Site naturel

L'astronome reconnaît toutefois que le point zéro du concept de gravité doit être attribué à Aristote, "car bien que ses travaux sur ce sujet ne représentent pas la réalité d'aujourd'hui, les connaissances qu'ils ont diffusées ont perduré de nombreux siècles après sa mort".

"Jusqu'à la modernité, avec les nouvelles recherches et théories développées à la Renaissance (...), la physique aristotélicienne a prédominé dans de nombreux centres d'études de l'Antiquité et du Moyen Âge", a déclaré à la BBC le physicien, philosophe et historien José Luiz Goldfarb, professeur d'histoire des sciences à l'Université catholique pontificale de São Paulo (PUC-SP).

"Il explique la chute des corps par l'idée que la Terre est le centre de l'Univers et que les corps lourds ont tendance à occuper leur place naturelle dans ce centre.

En d'autres termes, Goldfarb souligne que cette idée revient à "dire que les choses tombent lorsqu'elles sont lâches, puisqu'elles ont tendance à occuper leur place naturelle au centre de l'Univers, la Terre".

Étymologiquement, il est intéressant de noter que le mot gravité dérive du latin "gravis" ; il a donc la même origine que le mot tombe (grave en anglais). Son champ sémantique va de "lourd" à "important", en passant par des sens tels que "puissant".

Selon le "Dictionnaire étymologique de la langue portugaise", du philologue et lexicographe Antônio Geraldo da Cunha (1924-1999), le terme "gravité" apparaît dès le XIIIe siècle, mais les variantes "gravitar" et "gravitation" n'apparaissent qu'au XVIIIe siècle, ce qui indique une conséquence de la physique newtonienne sur les terminologies.

Dans un texte signé par Cherman dans "Why do things fall ?", il y a une digression sur le terme sanskrit pour la gravité : "gurutvaakarshan". Notez le début du mot : "guru". C'est précisément le terme utilisé pour désigner les maîtres spirituels et les chefs religieux respectés de l'hindouisme", explique-t-il.

De plus, il est dérivé du grec "barus" (lourd), à l'origine du mot "baryton" (voix grave)", ajoute l'astronome.

Dans un chapitre du même ouvrage, Rainho Mendonça explique que l'utilisation du terme latin "gravis" pour désigner le phénomène de la gravité a commencé au VIIIe siècle, avec les traductions de traités scientifiques du monde arabe vers l'Europe.

"C'est ainsi qu'est apparu le terme qui fait l'objet de notre étude : la gravité", explique le chercheur. Et dans le contexte qui nous intéresse, car pour désigner des objets de poids important, les traductions latines utilisaient le mot dont la racine est l'adjectif "gravis", grave, qui signifie "lourd".

"Il n'est pas possible de déterminer la première fois que ce terme a été utilisé", précise l'auteur. Pour lui, l'émergence des premières universités européennes, où le latin était alors la langue officielle, a contribué à la diffusion de la nouvelle nomenclature. "Dans les universités de Bologne, Paris, Oxford, entre autres, qui utilisaient la plupart de ces ouvrages traduits (en arabe).

Avancées

Bien que la pensée aristotélicienne ait prédominé, en particulier dans le monde occidental, et que le Moyen-Âge ait été surnommé "l'âge des ténèbres" en termes d'évolution des connaissances, il est indéniable que des progrès scientifiques ont été réalisés au cours des 2 000 ans qui se sont écoulés entre Aristote et Newton.

"Aujourd'hui, les historiens des sciences sont capables de détecter des penseurs de l'Antiquité et du Moyen Âge qui élaboraient déjà des idées plus proches de la théorie newtonienne que de la physique aristotélicienne, bien qu'officiellement la théorie du philosophe grec ait prévalu", explique M. Goldfarb.

Le livre "Why Things Fall Down" donne un aperçu de ce scénario. L'astronome Mendonça cite par exemple les recherches du philosophe arabe Abu Yusuf al-Kindi (801-873). Dans son traité "Sur les rayons (solaires)", il affirme que les étoiles exercent une force sur les objets et les personnes.

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"Cette force serait associée au rayonnement des étoiles, qui se propagerait en ligne droite dans l'espace et influencerait les choses sur Terre", explique l'astronome.

Un peu plus tard, le philosophe d'origine juive Solomon Ibn Gabirol (1021-1058) a également abordé le sujet, "avec un raisonnement simple mais naissant", comme le souligne Rainho Mendonça.

Son apport est la notion d'inertie. "Selon lui, les substances lourdes et de grande taille seraient plus immobiles que les substances plus légères", explique-t-il.

Le philosophe et astronome iranien Abd al-Rahman al-Khazini (1077-1155) a avancé l'idée que les corps lourds qui tombent se déplacent toujours vers le centre de la planète. Mais ce qui est encore plus intéressant, c'est sa proposition selon laquelle le "thiql" (terme arabe que de nombreux auteurs traduisent par "gravité") des corps dépend de leur distance par rapport au centre de la Terre", ajoute-t-il.

Forces motrices

Bien qu'il y ait eu de nombreuses théories à cette époque, une idée a prévalu qui, d'une certaine manière, est très proche du concept d'inertie. Comme l'explique à la BBC le physicien Fábio Raia, professeur à l'université presbytérienne de Mackenzie au Brésil, "la théorie la plus répandue (...) était la théorie de la quantité de mouvement (...), selon laquelle le mouvement continu d'un corps est dû à l'action d'une force".

"Lorsque celle-ci cesse, le corps revient à son état de mouvement naturel", explique-t-il.

L'astronome Mendonça souligne, à cet égard, le rôle fondamental du philosophe alexandrin Iohannes Philoponus (490-570).

"Selon lui, lorsqu'il est lancé, un corps reçoit une sorte de force motrice, qui serait transférée du lanceur au projectile, et qui resterait en lui même après la fin du contact. Avec le temps, cette "force" se dissiperait spontanément, entraînant la fin du mouvement", explique-t-il.

Dans le cas de la chute d'un objet, Philoponus avait déjà compris que cette force était causée par ce que l'on appelle aujourd'hui la gravité.

"Selon cette idée, la Terre exerçait une attraction sur les objets, les attirant vers son centre", a déclaré à la BBC le philosophe Andrey Albuquerque Mendonça, professeur à l'Escola Superior de Publicidade e Marketing de São Paulo (ESPM-SP).

Le philosophe rappelle toutefois qu'il y a eu des voix dissonantes, comme celle du philosophe et théologien français Jean Buridan (1301-1358), qui a "proposé une théorie alternative pour expliquer la chute des objets".

"Il soutenait que les objets tombaient à cause d'une force interne qui les poussait vers le bas, mais il ne pouvait pas expliquer la cause de cette force".

Léonard de Vinci (1452-1519) et Galilée (1564-1642) ont tous deux étudié la chute des objets. Comme l'indique Albuquerque Mendonça, le premier "a proposé que la vitesse de chute dépende de la densité de l'objet et de la résistance de l'air", tandis que le second "a déterminé que tous les objets tombaient avec la même accélération, quel que soit leur poids".

Aucun d'entre eux n'a cependant réussi à trouver une loi universelle pour expliquer ce phénomène.La percée de Newton a été brillante parce qu'il a réussi, certes avec les connaissances accumulées par ses prédécesseurs, non seulement à comprendre une force universelle et fondamentale, mais aussi à la transformer en un phénomène explicable.

Il s'agit d'une véritable révolution scientifique. "Il a intégré de nouveaux concepts cosmologiques dans ses théories, s'éloignant de l'univers aristotélicien", résume M. Goldfarb.

"Ainsi, il ne pensait plus à la chute vers le lieu naturel, mais le concept d'attraction entre les corps, la loi de la gravitation, est apparu : la matière attire la matière en proportion directe des masses et par l'inverse du carré de la distance entre les corps".

Selon le professeur, c'est à ce moment-là que l'on a cessé de "penser aux tendances à occuper la place naturelle" et que l'on a commencé à "comprendre les mouvements de chute des corps comme le résultat de l'action de la force que la Terre exerce sur les corps".

"Nous pouvons conclure que la mécanique introduite par Newton a impliqué de profondes modifications dans la manière dont le monde moderne a commencé à concevoir le cosmos, les corps et les lois qui régissent leurs mouvements", conclut-il.