Relativité galiléenne

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C'est à Galilée qu'on doit la première analyse fine du mouvement.

Jusqu'alors, on ne distinguait pas bien les notions de vitesse et d'accélération, de puissance et de travail, d'énergie et de vitesse. Sur le plan mathématique, le calcul différentiel n'existait pas. La théorie en était restée aux approximations intuitives d'Aristote, pour qui le mouvement était dû à une force, l'impetus.

En 1632, le Galilée publie le "Dialogue concernant les deux plus grands systèmes du monde" (le système de Ptolémée et celui de Copernic), dans la forme classique des dialogues de Platon mettant en scène Socrate. Il y propose une expérience de pensée, sous forme de questions-réponses, qu'on peut résumer comme suit :

  • Q : pourquoi une bille qui roule sur un sol parfaitement horizontal va-t-elle s'arrêter ?
  • R : parce qu'elle est freinée : par les aspérités du sol, par le vent que produit son déplacement, etc.
  • Q : mais si on imagine qu'on supprime toutes ces causes, ces forces de freinage ?
  • R : Et bien la bille va continuer.
  • Q : Va-t-elle ralentir, perdre de sa force de mouvement ?
  • R : Non, puisqu'elle n'a aucune raison pour cela.
  • Q : Va-t-elle changer de direction ?
  • R : Non plus.
  • conclusion : en l'absence de frottement et de toute autre force extérieure, un corps en mouvement conserve sa vitesse et sa direction indéfiniment, donc il se déplace en ligne parfaitement droite et à vitesse conservée.

Galilée met également en scène un navire, un homme et des petits animaux qui s'y déplace, d'abord lorsque le navire est à l'arrêt au port , puis en mouvement : un expérimentateur dans le navire et un autre au port, conduisant tout deux une expérience mécanique (chute d'un corps, mouvement d'un pendule, etc) verront leurs résultats identiques. Autrement dit, et c'est le principe de relativité galiléenne, les lois physiques de la mécanique sont identiques pour tous les repères inertiels (ceux qui, quelque soit leur vitesse, ne sont pas soumis à une force).

Notons qu'il ne s'agit pas là de démonstrations, mais plutôt d'une application du principe de simplicité combinée à des observations "de bon sens". Galilée ne démontre rien, il énonce un principe, qui se trouve confirmé par l'expérience.

Ce principe de relativité sera généralisé près de 4 siècles plus tard seulement à d'autres type de phénomènes, non mécanique, et conduira à l'idée que les lois de la physique en général (toutes les lois physiques, non seulement celles de la mécanique) sont les mêmes dans les référentiels inertiels.

Pour en revenir au navire, il n'y a aucun moyen de savoir si le navire se déplace ou non, à moins de faire référence à un objet extérieur. Cela implique qu'aucune expérience de mécanique à l'intérieur du navire ne peut permettre de déterminer la vitesse du navire : il faut faire référence à un objet extérieur. Le concept même de vitesse n'a de sens que relativement à un repère, un point fixe indiqué arbitrairement.

Par exemple, on peut mesurer la vitesse d'un véhicule par rapport à la Terre, ou celle de la Terre par rapport au Soleil, ou celle du Soleil par rapport à la Voie Lactée, mais ultimement il n'existe pas de vitesse absolue et indiscutable.

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