Théorie et expérimentation

1. Théories scientifiques et objectivité

 Qu’est-ce qu’une théorie ?

Une théorie est un ensemble cohérent et systématique de croyances, de propositions, permettant d’expliquer les phénomènes d’un domaine donné et de faire des prédictions à leur sujet.

Toute théorie n’est pas nécessairement scientifique. Par exemple, je peux avoir une théorie sur la meilleure façon de planter les choux ou de couper les cheveux (à la pleine lune, etc.), ou sur la façon dont se comportent les corps solides (physique naïve).

Nous pensons couramment qu’une théorie scientifique est plus à même d’expliquer et de prédire les phénomènes de la nature, car elle paraît représenter la nature elle-même bien plus objectivement (= réglée sur l’objet), semble échapper aux délires de l’imagination et n’est pas l’expression des désirs ou des idées personnelles (préjugés) des savants.

Objectif/Subjectif

Mais les concepts des sciences sont « des créations libres de l’esprit humain »(Einstein)  : ils ne nous sont pas imposés par l’expérience. Ex. de concepts : matière / poids ; charge électrique ; champ ; inertie… 

Par l'image de la montre fermée dont on peut se représenter le mécanisme, mais sans que l'on puisse jamais comparer cette représentation avec la réalité, Einstein illustre la difficulté de la confirmation des théories qui dépasse notre expérience sensible.

Dans quelle mesure l’expérience justifie-t-elle les théories scientifiques, si celles-ci sont de libres créations de l’esprit et si la réalité est comparable à une montre fermée ? Quelle valeur accorder à la vérité scientifique ? La vérité ne serait qu’un idéal visé par la théorie.

Idéal/Réel

La démarche expérimentale 

Idée courante : les théories s’appuient sur l’observation et la recherche de régularités naturelles. Mais une théorie est-elle un simple produit de l’observation ?

Réflexion préliminaire  : Etude des observations de Semmelweis sur la fièvre purpérale: 

  • Quel problème théorique Semmelweis cherche-t-il à résoudre ?
  • Quelles sont les différentes hypothèses qu’il envisage ?
  • Comment les sélectionne-t-il ? Retracer brièvement son raisonnement à chaque fois. Quelle en est la forme ?

Bachelard (1884-1962): « L’observation scientifique est toujours une observation polémique ».

Elle est « polémique » c'est-à-dire en lutte contre l’expérience commune et la représentation du monde qu’elle véhicule. Elle contredit quelque chose que l’on croit. Ainsi,le concept de masse en physique se construit contre les concepts ordinaire de masse et de poids. On observe avec l’esprit, contre l’esprit. Une théorie scientifique n’est jamais le résultat de la seule observation (d’une observation neutre). Elle ne prend sens que dans le cadre d'une théorie qui lui sert de cadre.

Exemple : Toricelli et le problème des fontainiers de Florence.

(1) Les faits :

1643 : Les fontainiers de Florence observent que le piston de leur pompe ne parvient pas à élever l’eau au-dessus d'une hauteur de 10,33 m. Or la croyance au XVIIe voulait que « la nature a horreur du vide ». La colonne d'eau devrait donc avoir tendance à remplir toute la hauteur du tuyau de la pompe. Mais si le tuyau ne se remplit pas alors que l'on pompe l'air qu'il contient, alors, il est vide, ce qui contredit la croyance qu' il ne peut y avoir du vide. L'observation des fontainiers est donc un « fait polémique ».

= Incompatibilité entre une image du monde et un fait apparemment inexplicable.

(2) Formulation d’une hypothèse théorique explicative :

L'hypothèse est un principe explicatif inventé librement par le savant pour rendre compte des phénomènes (= ce qui est observé, ce qui apparaît).

Torricelli, disciple de Galilée, suppose que la Terre baigne dans un océan d’air qui pèse sur l’eau. La hauteur à laquelle s’arrête l’eau serait l'effet de la pression maximale de l’océan d’air sur la surface de l’eau.

(3) La recherche de confirmation :

C’est là qu’intervient l’expérimentation.

L'expérimentation, contrairement à la simple observation, est la production artificielle,volontaire des phénomènes à observer. Elle sert non pas à découvrir un fait nouveau, mais à confirmer ou infirmer une hypothèse, à répondre à une question que se pose le savant devant des faits déjà observés.

Expérience de Torricelli : on ne peut pas tester directement l'hypothèse de la relation entre la hauteur de la colonne d'eau et la pression de l'atmosphère (on ne peut pas manipuler les paramètres à cause de la taille de la colonne!); mais si cette hypothèse est vraie, alors la pression de l’air peut aussi faire contrepoids à une colonne de mercure proportionnellement plus courte (puisque le mercure est plus dense que l'eau), dont on peut prédire la hauteur : mercure étant environ 14 fois plus dense que l’eau, la hauteur de la colonne de mercure devrait être de (1033cm/14) soit 76 cm.

Cette nouvelle hypothèse sera mise à l’épreuve avec un dispositif expérimental : une cuve pleine de mercure, une grande éprouvette elle aussi pleine de mercure qu’on bouche avec pouce et que l'on plonge dans la cuvette; puis on retire le pouce et on devrait observer que la colonne de mercure dans le tube descend jusqu’à la hauteur prévue (soit, 76 cm). Et c'est effectivement le cas: l'observation s'accorde avec la prédiction déduite de l'hypothèse.

NB: Ce dispositif est tout simplement l'ancêtre du baromètre à mercure.

Blaise Pascal aura l'idée d’une autre implication observable : si le mercure fait contrepoids à la pression de l’air, la hauteur de la colonne devrait diminuer si la pression de l'air diminue, par exemple quand on s’élève en altitude (car l’air se raréfie). 
L'expérience du Puy de Dôme, réalisée pour Pascal par Périer confirmera cette hypothèse: La hauteur de la colonne de mercure mesurée au pied de la montagne est plus grande de 7,5 cm que celle mesurée en haut, à 1600m d'haltitude.

Conclusion

L’observation ne peut pas être neutre : elle doit être guidée par une conjecture, une hypothèse, autrement dit elle est déjà théorique ; l’esprit est actif. La thèse empiriste historique est suspecte : les « faits » ne parlent pas d’eux-mêmes.

Un autre exemple de démarche expérimentale: la théorie sur formation des continents

NB: Distinguer expérience et expérimentation.

La démarche scientifique se fait contre des habitudes de pensée tirées de l’expérience ordinaire.

2. Que prouve une preuve expérimentale ?

Selon Karl Popper, il n'y a pas de certitude positive en science expérimentale. Une preuve expérimentale ne peut prouver définitivement que la fausseté d'une théorie, jamais sa vérité.

Il faut distinguer vérification et corroboration.

Argument logique : une théorie scientifique n’est pas à proprement parler vérifiée par une preuve expérimentale.

  • « Vérifiée » voudrait dire que sa vérité serait absolument certaine, que l’expérimentation montre bien que la réalité est telle que le dit la théorie.
  • Or la preuve expérimentale montre seulement que l’hypothèse théorique est compatible avec les faits observables qu’on peut prévoir comme conséquences de la théorie.

Logiquement, en effet, observer la conséquence prévue ne peut donner le droit de dire que l’hypothèse est absolument conforme à la réalité.

Le raisonnement expérimental consiste à déduire d’une hypothèse explicative de nouvelles observations que la théorie implique (cf. Toricelli ci-dessus) :

Si la théorie est vraie, 
alors
 on devrait observer tel phénomène dans telles circonstances

Le contrôle expérimental de la théorie consiste à mettre en place une expérience qui permettrait de faire ces observations. Cependant, en toute rigueur, si les observations concordent avec les prédictions de nos hypothèses théoriques, nous ne pouvons pas conclure que la théorie est vraie. En effet, le schéma logique

si P, alors Q  
et Q  
donc P 
ex.: s’il pleut, alors le sol est mouillé
ex.: et le sol est mouillé
ex.: donc il pleut

est invalide. C'est le sophisme de l'affirmation du conséquent. (Intuitivement, disons que le sol peut avoir été mouillé par autre chose que de la pluie, un arrosage, par exemple.)

En revanche, si l’expérimentation prend en défaut la théorie, c’est-à-dire si les observations attendues ne se réalisent pas, on peut en toute rigueur conclure que la théorie est fausse. En effet, le schéma logique

si P, alors Q  
et non Q  
donc non P 
ex.: s’il pleut, alors le sol est mouillé
ex.: et le sol n'est pas mouillé
ex.: donc il ne pleut pas

est valide. Il s'agit du modus tollens.

Par conséquent, la démarche expérimentale ne permet jamais de vérifier une théorie. Par contre elle permet de l’éliminer si elle est fausse, c’est-à-dire si ses prédictions ne se réalisent pas. Il s’agit donc bien d’un processus de conjectures et réfutations selon la formule de Popper. Nos théories scientifiques sont des conjectures (des hypothèses sur le monde) que la démarche expérimentale peut éventuellement réfuter. Une « bonne » théorie est évidemment une théorie qui a résisté jusqu’à date à toutes les tentatives de réfutation.

La vérification d'une théorie ne repose donc pas sur une déduction mais sur une inférence inductive: l'observation répétée d'un certains nombre de cas particuliers qui concordent avec les prédictions de la théorie et lui confère un certain degré de "vérisimilitude". Or, on ne peut conclure à la vérité d’une proposition universelle en partant de la vérité de propositions particulières : une loi générale ne peut être justifiée par un ensemble d’observations particulières.

Universel/Général/Particulier/Singulier

En revanche, ne pas observer une conséquence prévue semble être une bonne raison de rejeter l’hypothèse. Mais que faut-il rejeter au juste ? Jamais une hypothèse isolée. En effet, comme le fait remarquer Pierre Duhem, une expérience scientifique étant une observation ET son interprétation dans le cadre d'une théorie, ce qui est éventuellement invalidé par l'expérience n'est jamais un énoncé isolé, mais toute, ou une partie de, la théorie qui permet de lui donner son sens expérimental : « les théories se présentent en bloc au tribunal de l’expérience ».

Exemple:

  1. Le Verrier (XIXe) observe que les mouvements d’Uranus ne paraissent pas compatibles avec les lois de l’attraction formulées par Newton : son orbite réelle est différente de son orbite théorique. Faut-il rejeter pour autant la théorie de Newton?
  2. Le Verrier fait plutôt l’hypothèse de l'existence d’une autre planète dont il calcule ce que devrait être sa masse et sa trajectoire pour rendre l’orbite d’Uranus conforme aux prévisions.
  3. L'astronome Gall braque son télescope dans la direction de ladite planète et au moment et au lieu prédit par Le Verrier il fait effectivement la découverte d’une autre planète (Neptune).

Quand une théorie est déjà bien établie, on préférera souvent faire des révisions internes à la théorie et de nouvelles hypothèses plutôt que de falsifier directement la théorie mise en difficulté: il n'y a pas d'expérimentation cruciale susceptible à elle seule de ruiner une théorie. Mais si les difficultés persistent, la théorie fautive devra être abandonnée, à condition toutefois qu'il existe une théorie concurrente susceptible de la remplacer avantageusement.

Thomas Kuhn appelle cela une "révolution scientifique " correspondant à un "changement de paradigme". (Thomas Kuhn, La Structure des révolutions scientifiques, 1962)

3. Un critère de démarcation entre démarche scientifique et pseudo-science : la réfutabilité

Selon Popper, la démarche scientifique consiste à chercher à tester une hypothèse en imaginant des conséquences observables qui pourraient ne pas l’être (mise à l’épreuve expérimentale de la théorie). Il ne s'agit pas de chercher des confirmations de l'hypothèse, mais des « cas difficiles » qui éventuellement pourraient la prendre en défaut.

Une théorie qui prétendrait être immunisée contre les tests de ce genre ne serait pas une théorie scientifique. La science est une connaissance qui se sait probable et pouvant être remise en cause par des tests ; un savoir qui se prétendrait infaillible ne serait pas scientifique. Ce qui, par principe, marche toujours n'a aucune valeur explicative. (Ex. : l’astrologie dont les "lois" ne peuvent jamais être prises en défaut car elles tolèrent autant de réajustements "ad hoc" que l'on veut, sans aucune restriction.)

Ainsi, le doute est remis au cœur de la démarche scientifique. Une théorie scientifique ne se caractérise pas par une certitude absolue (ce que Nietzsche avait déjà vu), mais sa force prédictive et sa compatibilité avec les faits.

Conclusion

Plus qu’un ensemble de vérités définitivement assurées, la science et les théories scientifiques sont un effort dynamique de rationalisation du réel : une théorie essaie de rassembler une multiplicité de phénomènes sous des lois qui expriment leur régularité et qui permettent de les expliquer, voire de les prédire. L’effort théorique va au-delà des données des sens grâce aux pouvoirs combinés de la raison et de l’imagination.

Une théorie est une construction toujours provisoire en principe : elle se doit d’être compatible avec les phénomènes observables par expérimentation, mais cette compatibilité ne signifie pas que la théorie est définitive. (Ex.: le passage physique newtonienne / physique relativiste). C'est la raison pour laquelle Popper parle non de vérité mais devérisimilitude et Bachelard d'approximation.

Une théorie vise la vérité ; mais on ne peut pas affirmer qu’une théorie décrit la réalité telle qu’elle est : cela supposerait de pouvoir comparer la réalité en soi à ce que la théorie en dit, ce qui est impossible. Une théorie peut néanmoins être objective, en ce sens qu’elle est compatible avec les phénomènes.

La connaissance est faillible, provisoire, toujours relative à nos meilleurs moyens de justification du moment qui ne peuvent garantir une vérité absolue.

Ce n'est donc pas l'ignorance qui est le contraire de la connaissance scientifique, mais le dogmatisme.

Cf. Popper, Tolérance et responsabilité intellectuelle

 http://www.ac-grenoble.fr/

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