Impetus

Le problème posé par Aristote

Dans la physique d'Aristote, tout mouvement a besoin d'un moteur, et ce moteur doit être en contact avec le mobile tant que dure le mouvement. Le principe fonctionne bien pour le charriot que l'on tire ou pour la pierre qui tombe, mais il échoue manifestement pour le projectile, qui continue sa course alors que rien ne le pousse plus.

Aristote propose une solution qui déplace le moteur dans le milieu : l'air, mis en mouvement par le lanceur, se referme derrière le projectile et le pousse. Cette explication, que l'on désigne parfois par le terme d'antipéristase, a été très tôt jugée insatisfaisante. Elle rend le milieu à la fois résistant et moteur, ce qui est embarrassant. Elle n'explique pas qu'une flèche vole mieux qu'une plume, ni qu'un projectile parte plus loin quand il est lourd. Et elle implique que le mouvement s'arrêterait aussitôt dans le vide, ce dont Aristote tirait d'ailleurs un argument contre l'existence du vide.

Jean Philopon et la force imprimée

La première critique véritablement destructrice vient d'Alexandrie, au VIe siècle, sous la plume du commentateur chrétien Jean Philopon. Son objection est simple et expérimentale dans son esprit : si l'air était le moteur, il suffirait d'agiter l'air derrière une pierre posée au sol pour la faire partir, ce qui n'arrive pas.

Philopon propose à la place qu'une puissance motrice incorporelle soit communiquée au projectile par le lanceur. Elle réside dans le mobile lui-même et s'épuise progressivement, ce qui explique que le mouvement cesse. Conséquence importante : le milieu n'est plus nécessaire au mouvement, il ne fait que le gêner. Le mouvement dans le vide redevient pensable, et Philopon en tire explicitement cette conclusion.

Il ne faut pas moderniser cette idée. Chez Philopon comme chez ses successeurs médiévaux, la force imprimée reste une cause qui maintient le mouvement. Elle s'épuise d'elle-même. Rien n'indique qu'un mobile puisse continuer indéfiniment sans cause : c'est exactement ce qui séparera l'impetus de l'inertie.

Le passage par le monde arabe

La critique de Philopon circule dans le monde islamique, où elle rencontre les préoccupations des commentateurs d'Aristote. Avicenne développe la notion d'inclination, mayl en arabe, une qualité acquise par le mobile et qui le porte. Il distingue plusieurs espèces d'inclination, naturelle, violente et psychique, et il semble admettre que, dans le vide, cette inclination ne s'épuiserait pas. Abû l-Barakât al-Baghdâdî, au XIIe siècle, poursuit l'analyse et s'intéresse à l'accélération de la chute.

Ce relais est essentiel : c'est par les traductions arabo-latines que le problème et ses solutions parviennent aux universités européennes.

Buridan et la mesure de l'impetus

Au XIVe siècle, à la faculté des arts de Paris, la théorie reçoit sa formulation la plus aboutie. Le franciscain François de la Marche lui donne un premier état, puis Jean Buridan en fait un instrument d'explication d'une grande portée.

Buridan avance trois thèses. D'abord, le moteur imprime au mobile un impetus, c'est-à-dire une qualité réelle inhérente au corps mû, qui le fait se mouvoir dans la direction imprimée. Ensuite, cet impetus est d'autant plus grand que la vitesse communiquée est grande et que la quantité de matière du mobile est importante. On reconnaît là une parenté de structure avec ce que la mécanique appellera la quantité de mouvement, ce qui a beaucoup frappé les historiens. Enfin, et c'est le point décisif, l'impetus ne se dissipe pas de lui-même : il est détruit par la résistance de l'air et par la tendance naturelle du grave à descendre. Sans ces obstacles, il durerait.

Buridan en tire des explications remarquables. L'accélération de la chute libre s'explique parce que la gravité engendre à chaque instant un impetus supplémentaire qui s'ajoute au précédent. La toupie et la meule qui continuent de tourner reçoivent un impetus de rotation. Et surtout, dans un passage souvent cité, Buridan suggère que Dieu, en créant les cieux, leur a imprimé un impetus qui s'y conserve indéfiniment puisqu'il n'y rencontre aucune résistance, ce qui dispense d'invoquer des intelligences motrices pour mouvoir les sphères. L'hypothèse ne va pas jusqu'à unifier la physique céleste et la physique terrestre, mais elle ouvre une brèche dans leur séparation.

Nicole Oresme et Albert de Saxe reprennent et discutent ces analyses, Oresme s'intéressant notamment à l'oscillation d'un corps qui tomberait dans un tunnel traversant la Terre.

De l'impetus à l'inertie

Le jeune Galilée emploie encore un vocabulaire d'impetus dans ses premiers écrits sur le mouvement, de même que Giambattista Benedetti avant lui. Le passage à la physique classique ne se fait donc pas d'un coup.

Mais le changement, quand il survient, est de nature et non de degré. Descartes puis Newton posent qu'un corps en mouvement rectiligne uniforme ne requiert aucune cause pour persévérer : le mouvement n'est pas un processus qui demande un moteur, c'est un état. L'impetus devient alors superflu. Ce que la mécanique appelle quantité de mouvement n'est plus une force logée dans le corps mais une grandeur qui le caractérise, et la force sert à expliquer le changement de mouvement, non son maintien.

L'écart est considérable. Tant que l'on cherche ce qui maintient le mouvement, on reste dans le cadre aristotélicien, même en le corrigeant. L'inertie consiste à cesser de poser la question.

La querelle des précurseurs

Cette histoire a été, au XXe siècle, le théâtre d'un débat historiographique important.

Pierre Duhem, qui redécouvre les textes parisiens du XIVe siècle au début du siècle, y voit la naissance de la mécanique moderne et fait de Buridan et d'Oresme les véritables précurseurs de Galilée. Sa thèse, dite de la continuité, conteste l'idée d'une rupture scientifique au XVIIe siècle.

Anneliese Maier, puis Alexandre Koyré, ont contesté cette lecture. Leur argument porte précisément sur le point relevé plus haut : l'impetus demeure une cause du mouvement, inscrite dans une physique des qualités et des natures. Le concept d'inertie exige d'abandonner cette physique, et cet abandon est une révolution, non un perfectionnement. Koyré insistait en outre sur le rôle de la mathématisation, absente des analyses médiévales du mouvement.

Le débat n'est pas clos, et les positions se sont nuancées. On reconnaît aujourd'hui aux maîtres parisiens une originalité réelle et une influence difficile à mesurer, sans leur attribuer une physique qu'ils n'ont pas écrite. Cet épisode est devenu un cas d'école en épistémologie historique : il montre comment la question « qui a trouvé le premier ? » peut empêcher de voir ce que chacun cherchait.

Pourquoi ce concept reste intéressant

Trois raisons, pour finir.

L'impetus est un bon exemple de concept intermédiaire, c'est-à-dire d'une notion qui corrige une théorie de l'intérieur sans la quitter. De telles notions sont fréquentes dans l'histoire des sciences et elles sont souvent sous-estimées parce qu'elles ne ressemblent ni à l'ancien ni au nouveau.

Il illustre ensuite la force des explications mécaniques fondées sur une qualité interne, et la difficulté qu'il y a à s'en passer. Les études de psychologie cognitive ont montré que les intuitions spontanées des adultes sur le mouvement des projectiles ressemblent davantage à la théorie de l'impetus qu'à celle de l'inertie. L'erreur médiévale est aussi la nôtre.

Il rappelle enfin qu'une théorie fausse peut être féconde. L'impetus a permis de poser correctement l'accélération de la chute, de rendre pensable le mouvement dans le vide et de retirer aux sphères célestes leurs moteurs spirituels. Ce n'était pas la bonne réponse, c'était un déplacement utile de la question.