ajouter un commentaire commentaires (6) créer un trackback recommander
20 juin 2005
La démarche scientifique
| Version 3 du 31/12/98 par . Ce document peut-être copié et distribué libre de tous droits dans la mesure où la source est précisée.
|
Ce texte présente les différentes étapes de la démarche scientifique. Il ne s’agit pas d’une vision absolue qui serait valable de tous temps, mais plutôt d’une analyse de la science telle qu’on la comprend aujourd’hui. Les étapes présentées s’appliquent plus particulièrement aux sciences fondamentales, mais peuvent servir de support à une réflexion sur les sciences de la nature et les sciences humaines. Ces dernières sont principalement basées sur l’observation, leur mathématisation étant plus empirique.
Je tiens à remercier le groupe Romani de l’Association pour la Création et la Diffusion Scientifique pour sa relecture attentive et ses remarques judicieuses qui ont grandement aidé à l’amélioration de la qualité de ce texte.
La science est un des moyens pour obtenir de la connaissance sur la réalité
La science et les autres démarches de connaissance
La démarche scientifique est un des moyens pour obtenir de nouvelles connaissances. Il est difficile de se faire une idée de la validité des autres façons d'obtenir de la connaissance (religions, etc.) en partant d'un point de vue scientifique car il s'agit de démarches différentes.
Tout se passe comme pour des personnes placées autour d'un objet et qui le regardent sous des angles variés. D'où ils sont, ils voient des choses différentes et parfois opposées (par exemple, la pièce vue entre deux personnes est-elle pile ou face ?).
Qu'est-ce que la réalité ?
Les différents moyens proposés par l'homme ont tous pour but de découvrir quelques pans de plus de la réalité. Ce que nous appelons les lois de la nature. Pourtant nous ne savons pas ce qu'est la réalité, si elle existe ou même si elle est unique.
Les succès de la science
La science moderne ne doit donc pas être vue comme l'unique moyen de découvrir la réalité. La démarche aristotélicienne qui prévalait en science avant le XVIIème suivait un parcours différent des étapes présentées ici.
La démarche scientifique est cependant un moyen efficace qui a rencontré de grands succès. Un de ses intérêts majeur est de pouvoir faire des prévisions : Si d'une observation on tire une loi, et si on sait qu'un autre cas de figure est aussi soumis à cette même loi, alors on pourra prévoir son comportement avant même de l'avoir observé.
Par exemple, en connaissant la hauteur d'où est lancé un objet et l'accélération de la pesanteur, il est possible de prévoir la durée de sa chute.
Couvrir l'ensemble de la réalité ?
La science peut-elle traiter de l'intégralité de la connaissance ? Nous ne le savons pas, mais nous verrons plus loin que plusieurs aspects de la réalité nous semblent inaccessibles par la méthode scientifique.
4 étapes pour obtenir une connaissance scientifique
Les quatre étapes
La démarche scientifique a pour but de trouver les lois quantitatives qui produisent les phénomènes observés. Elle est constituée de quatre étapes :
- L'observation
- Une nouvelle vision
- Sa mise en équations
- Des prévisions observables
Le système reboucle ensuite pour observer si la prévision se réalise. Lorsque le cycle est complet, on peut alors considérer la loi proposée comme une vérité scientifique.
Le maillon le plus faible
Chacune des étapes comporte de nombreux pièges qui peuvent conduire à des erreurs scientifiques. De la même façon qu'une chaîne a la solidité de son maillon le plus faible, aucune des étapes ne doit être négligée.
L'observation
Observable et mesurable
En science, tout commence et tout finit par des observations. Les premiers pièges se situent ici. Tout est-il observable ?
Pour pouvoir mettre en équations les lois de la nature nous avons besoin non seulement d'observer mais également de mesurer. Tout est-il mesurable ?
Il nous semble aujourd'hui que plusieurs grandeurs ne sont pas observables ou mesurables et sortent donc du champ de la science telle que nous la décrivons ici.
Ce qu'il reste à observer
Pour les autres grandeurs, nous avons dans les siècles passés étudié une grande part de ce qui était facilement mesurable. Il reste au scientifique moderne a explorer les domaines qui sortent du champ immédiatement appréhendable par l'homme tels que l'infiniment petit, l'infiniment grand ou l'infiniment complexe.
Les statistiques au secours de l'observateur
Un autre cas de figure très courant en science est d'essayer de comprendre un phénomène très faible noyé dans d'autres données. C'est le cas lorsque l'on cherche à trouver une interaction entre certaines particules ou lorsque l'on veut comprendre un aspect des lois économiques dans un monde complexe.
Le scientifique se transforme alors en véritable détective pour retrouver une aiguille dans une botte de foin.
Une solution couramment utilisée est de réaliser un très grand nombre d'observations puis de faire une analyse statistique sur les résultats pour faire émerger l'élément observé et éliminer les autres phénomènes parasites.
L'action d'un médicament, par exemple, peut varier en fonction de beaucoup de facteurs. Il est donc nécessaire de tester un produit sur un grand nombre de sujets pour mieux le connaître avant de le commercialiser. On utilise même des groupes de sujets qui croient recevoir le médicament alors qu'on ne leur donne qu'une substance inactive (un placebo). Les statistiques sur les résultats entre les différentes populations permettent d'observer si les phénomènes psychologiques ne sont pas aussi fort que l'action chimique du produit lui-même !
Les phénomènes non reproductibles
Pourtant, si le recours à un grand nombre d'observation est souvent nécessaire, elle crée des difficultés nouvelles.
Certains phénomènes ne sont pas reproductibles à l'envie, et il faut les observer dans la nature lorsque celle-ci veut bien nous en gratifier.
Certains phénomènes astronomiques se produisent ainsi rarement et rendent complexe l'avancée des connaissances scientifiques.
C'est également le cas des aspects psychologiques qui sont très souvent non reproductibles et brouillés par d'autres phénomènes psychologiques.
De l'observation à l'expérimentation
L'observation se développe grâce à l'avancée des technologies. Celles-ci permettent d'explorer de nouveaux domaines. L'expérimentation peut reproduire autant de fois que nécessaire certains des phénomènes naturels.
L'expérimentation permet de passer d'une simple observation de phénomène naturel à l'observation mieux contrôlée des phénomènes provoqués par le scientifique.
Un excellent exemple du passage de l'observation à l'expérimentation est donné par l'étude des particules. Au début, le seul moyen d'observer de nouvelles particules était d'observer les rayons cosmiques. Aujourd'hui les accélérateurs de particules permettent de mettre en place des expérimentations qui favorisent l'observation de tel ou tel phénomène.
La nouvelle Vision
Changer notre vision du monde
L'étape suivante lorsque l'on a observé quelque chose qui ne rentre pas dans le cadre des lois connues est de changer son point de vue pour prendre en compte ces nouvelles données.
Très souvent il ne suffit pas d'étendre notre vision du monde. Il faut la changer complètement.
Le monde vu de la terre ou du soleil ?
Ainsi, Copernic à pris en compte les observations plus précises des trajectoires des planètes en étudiant leur déplacement non plus autour de la terre mais, autour du soleil.
Cette étape pourrait sembler facultative car il est possible d'obtenir des trajectoires justes en les calculant depuis la terre ou depuis le soleil. La différence est dans la complexité des équations qui régissent ces phénomènes.
Vu de la terre, les trajectoires devenaient de plus en plus compliquées au fur et à mesure que l'observation des planètes devenait de plus en plus précise. Il fallut imaginer des "roues dentées" supplémentaires pour faire fonctionner l'ensemble du mécanisme : Les épicycles.
Vu du soleil, au contraire, les trajectoires des planètes sont admirables de simplicité. Il s'agit de simples ellipses avec le soleil à l'un des foyers.
Retrouver les lois de la nature
Avoir une vision simple des choses comporte deux intérêts :
- Il devient plus facile d'en extraire une loi qui génère ce phénomène.
- Mais également, il devient plus facile de propager la connaissance.
Ainsi, Isaac Newton a-t-il pu déduire de la nouvelle vision du système solaire que les mécanismes célestes suivaient la même loi que les objets terrestres : Tous sont soumis à la gravitation qui est donc universelle.
Pour comprendre ce que cette vision avait de révolutionnaire, il faut savoir qu'à l'époque, le monde était séparé en deux parties soumises à des lois différentes :
- Sur terre, le mouvement de base est la ligne droite. Tout y est modifiable.
- Dans le ciel au contraire, le mouvement est basé sur le cercle et tout y est immuable
L'inspiration en science
L'outil que les scientifiques ont à leur disposition pour obtenir une nouvelle vision du monde est leur propre intuition.
Ceci explique les liens étroits que la science et les arts ont tissés par le passé. Léonard de Vinci a ainsi excellé dans la peinture comme dans les découvertes.
Tout comme n'importe quel art, la science nécessite d'allier l'inspiration et la maîtrise des outils. Si le musicien doit sans cesse faire des gammes, le scientifique doit continuellement parfaire ses qualités d'expérimentateur et ses connaissances mathématiques.
Il n'est pas nécessaire d'être sculpteur pour apprécier une sculpture, de même il est possible d'apprécier l'avancée des sciences sans en comprendre les mathématiques. Il est même possible qu'une nouvelle vision plus juste du monde sorte de l'inspiration d'un néophyte en matière d'expérimentation ou de mathématique. Cependant, pour être validée, cette nouvelle vision devra parcourir toutes les autres étapes du cycle scientifique. Notre néophyte devra alors convaincre des spécialistes de travailler à partir de sa propre vision, ce qui n'est certainement une chose aisée !
Comment avoir une "vision" ?
L'inspiration, l'imagination, et l'analogie avec d'autres phénomènes, guidés par l'intuition, sont les supports qui servent de base à une nouvelle vision du monde.
Le scientifique devra s'imprégner des nouvelles observations qui motivent le changement de vision afin d'imaginer un monde qui serait cohérent à la fois avec les expériences connues et avec les nouvelles observations.
Une des grandes difficultés dans ce genre d'exercice, est de s'abstraire de ses idées préconçues et de celles portées par son époque.
Ainsi, dans notre exemple précédent, Newton a imaginé une action a distance en contradiction avec les principes de son époque, aussi bien pour ce qui se passait sur terre que pour ce qui se déroulait dans le ciel. Il en conclut que dans les deux cas, les corps étaient attirés entre eux.
A la fin du XVIIème siècle inspiré par les idées de Descartes, le monde était très mécaniste et refusait toute idée d'action à distance. Newton dut dépasser tous ces a priori pour énoncer ses lois.
La mise en équations
Tout ne se démontre pas
Cette nouvelle vision du monde va se traduire par de nouveaux postulats mathématiques. Ceux-ci sont le fondement de la théorie mathématique dont va découler toutes les équations qui décrivent le phénomène.
Il peut arriver cependant qu'une part de la théorie ne soit pas mathématisable, c'est à dire que certains aspects ne puissent être déduits des postulats de départ proposés. Dans ce cas, il est nécessaire d'ajouter aux équations des règles supplémentaires appelées principes, qui sont des constatations pour adapter les résultats aux observations. Les principes reflètent donc le caractère incomplet de la vision proposée pour décrire la réalité. Le principe de Fermat en optique, par exemple, "impose" à la lumière de prendre le chemin le plus court sans expliquer pourquoi.
Si la mise en équations mathématiques est un travail de déduction abstrait, les postulats et les principes sont eux issus de la vision proposée et de l'observation et permettent aux équations de "s'accrocher" au phénomène physique
Les mathématiques
Une fois une nouvelle loi identifiée, il est nécessaire de la formaliser pour en obtenir des informations quantitatives.
L'outil utilisé dans ce cas est la mathématique, ou plus exactement une des mathématiques. Il existe en effet de nombreuses façons de décrire un phénomène mathématiquement.
Ce fut le cas au début du XXème siècle, lorsque la mécanique quantique qui décrit le monde des particules élémentaires se développa. Dirac décrivit le comportement des particules à l'aide de l'algèbre des matrices, tandis que Schrödinger utilisa pour le même domaine les équations de champs. Il fallut de nombreuses disputes et des heures de travail ardu pour se rendre compte que les deux théories étaient équivalentes.
D'une mathématique à l'autre
Il est parfois extrêmement complexe de passer d'une mathématique à l'autre. Ceci explique la difficulté aujourd'hui de réunir plusieurs branches de la physique : La physique des particules utilise de nos jours les groupes de lie et les algèbres de Clifford alors que la relativité générale a opté pour l'algèbre tensorielle dans les variétés de dimension 4.
Il faut tout d'abord comprendre parfaitement plusieurs formes de mathématiques, ce qui revient à parler plusieurs langues. Mais il faut également être capable de transcrire une équation d'un formalisme dans un autre. Dans ce cas le problème peut devenir extrêmement complexe, voire quasiment impossible.
Le choix d'une mathématique
Le choix de la mathématique à utiliser pour décrire une loi de la nature n'est pas neutre. Suivant le cas, les équations ou les calculs peuvent être plus simples ou plus complexes. C'est le cas par exemple entre la trigonométrie et l'algèbre des nombres complexes.
Plus grave, le choix d'une mathématique, peut masquer un aspect du phénomène ou le rendre difficilement identifiable. On s'est ainsi rendu compte bien plus tard que l'électromagnétisme dont les lois ont été décrites au XIXème siècle par Maxwell en utilisant l'algèbre vectorielle, étaient relativistes avant l'heure !
Des dialogues de sourds
Cette multiplicité de possibilités pour mettre en équations le monde rend difficile le dialogue entre scientifiques de domaines différents.
Certain chercheurs isolés, suivent un chemin différent du gros des troupes. Leur escapade vers d'autres types de représentation peut ouvrir des voies prometteuses. La difficulté de dialogue entre les différentes "langues" mathématiques fait hélas que peu de personnes se penchent sur leurs travaux et qu'ils restent … isolés.
Bonjour et bienvenue
!
Une réflexion intéressante sur l'amour libre, trouvée sur le site
Critiques et apologies