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La méthode scientifique ( histoire de l'épistémologie des sciences)

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scientifique

LA SCIENCE, LES SCIENCES

La science est l'ensemble des connaissances et travaux d'une valeur universelle, ayant pour objet l'étude de faits et de relations objectives vérifiables, selon des méthodes déterminées. Historiquement, la science (du latin, scientia : connaissance) était une branche de la philosophie dite « naturelle » qui cherchait à expliquer le monde. Elle s'en est progressivement détachée au Moyen Âge pour répondre aux « Comment ? », tandis que la philosophie s'intéressait aux « Pourquoi ? ». Face à la diversité des phénomènes à étudier, la science s'est ramifiée en de nombreuses disciplines.

• Les sciences exactes que sont les mathématiques : logique, algèbre, arithmétique, analyse, géométrie.

• Les sciences expérimentales où l'objet d'étude est soumis à l'expérience : physique et chimie.

• Les sciences naturelles qui observent, décrivent et classifient les êtres vivants et les corps dans la nature : biologie, géologie, astronomie, etc.

• Les sciences humaines qui étudient l'homme : psychologie, sociologie, ethnologie, sciences cognitives, etc.

• Les sciences appliquées à finalité pratique : statistiques, informatique, etc.

LA MÉTHODE SCIENTIFIQUE

Toutes ces disciplines, visant à acquérir des connaissances fiables et vérifiables, procèdent d’un ensemble de démarches constituant la « méthode scientifique ». Dans sa phase d'analyse, cette méthode consiste à formuler des hypothèses : des explications plausibles et provisoires, à la fois descriptives (des faits observés) et prédictives (des faits reproductibles). Pour être vérifiées, ces propositions théoriques sont

soumises à l'épreuve des faits, grâce à l'expérimentation. Le protocole expérimental décrit les actions à mener pour reproduire artificiellement un phénomène et détermine les conditions dans lesquelles se déroulent l'expérience, afin d'en contrôler tous les paramètres et de telle sorte que tout chercheur puisse la reproduire. Les résultats d'observations et d'expériences sont rassemblés, analysés, représentés graphiquement et soumis à des traitements statistiques, afin de tirer des conclusions fiables et de confirmer ou d'infirmer l'hypothèse de départ.

Les différentes étapes

• Observation d'un phénomène (questionnement, intuition, raisonnement).

• Formulation d'hypothèses (construction d'un modèle explicatif et déduction de conséquences expérimentables pour tester sa valeur prédictive).

• Expérience vérifiant la validité des hypothèses.

• Conclusion tirée de l'interprétation des données expérimentales.

• Diffusion des résultats.

La phase de synthèse consiste à formuler des lois et des théories, modèles explicatifs reposant sur l'interprétation des données expérimentales. Une loi scientifique est la traduction d'une hypothèse validée par l'expérience. Généralement exprimée par une formule mathématique, elle énonce un rapport constant ou un lien de causalité entre des phénomènes.

Une théorie est une synthèse organisée et cohérente d'un ensemble de lois (hypothèses confirmées) élaborée pour expliquer un phénomène. Soumise à la vérification et la critique permanentes, une théorie est valable tant qu'aucun fait ne remet en question un résultat qu'elle avait prévu.

PREMIÈRES LOIS SCIENTIFIQUES « MONTRÉES »

Thalès de Milet (v. 625 - 547 av. J.-C., philosophe, scientifique,

 

mathématicien) est à l'origine de l'une des premières lois scientifiques de l'humanité. Rapportant l'ombre d'une pyramide à celle d'un poteau ou à sa propre ombre, il établit l’invariance d'un rapport indépendant de leur taille et l'exprime par une formule mathématique. Pythagore de Samos (580 à 490 av. J.-C., philosophe, mathématicien, astronome) jette les bases d'une interprétation mathématique de l'univers et formule le théorème selon lequel, dans un triangle rectangle, le carré de l'hypoténuse est égal à la somme des carrés des côtés de l'angle droit. Les propositions de Thalès et Pythagore sont formulées sous formes d'énoncés dont la mise en évidence est essentiellement visuelle (contemplation de figures géométriques, mesures, calculs, comparaisons de longueurs, d'angles et de surfaces).

Il faudra attendre les réflexions d'Aristote et les travaux d’Eudide définissant les règles de la démonstration, pour que des théorèmes soient

véritablement « démontrés », c'est-à-dire prouvés par le raisonnement et la logique formelle à partir de principes premiers, par essence non démontrables.

Démonstration et raisonnement

LOGIQUE

« Si, dans un premier moment c'est sur le terrain de l'expérience sensible (...) que nous nous situons, dans un second moment, c'est sur celui de la raison et de l'abstraction qu'il s'agit de se placer pour trouver les principes qui gouvernent la réalité. » (Aristote, La Métaphysique). Aristote (384 à 322 av. J.-C., philosophe, naturaliste) fixe les règles de la logique démonstrative et invente la théorie du syllogisme. Il énonce trois principes sans lesquels aucune pensée n'est possible :

• l'identité (A est A) ;

• le tiers exclu (si deux propositions sont contradictoires, alors l'une est vraie et l'autre fausse) ;

• la non-contradiction (on ne peut pas à la fois affirmer deux propositions contradictoires).

Une démonstration consiste à prouver qu'une affirmation est vraie. Elle commence par des définitions et des axiomes (du grec, axioma : évident en soi). Ces prémisses admises comme vraies sont le point de départ d'une démarche logique (du grec, logos : raison, discours) où chaque proposition découle de celle précédemment démontrée et dont la conclusion est la conséquence nécessaire. Eudide d'Alexandrie (325 à 265 av. J.-C., mathématicien, enseignant) synthétise le savoir mathématique de son époque dans un célèbre traité de géométrie : /es Éléments. Il pose les axiomes de base de la géométrie moderne, définit les notions de point, ligne, droite, angle, cercle, parallélisme... Et démontre les théorèmes de Thalès et Pythagore par un enchaînement d'évidences de la raison. Les savants de la Grèce Antique contribuent à l'apparition de la démarche expérimentale (liée aux études en médecine, chirurgie, anatomie et physiologie). Ménodote de Nicomédie (fin du 1er siècle, philosophe sceptique et médecin empiriste) est l'un des premiers à formuler rigoureusement la démarche scientifique comme l'observation des phénomènes en s'abstenant de se prononcer sur la nature de ce qui échappe à nos sens, la confirmation et l'infirmation par l'expérience, et la diffusion des résultats (fondements de la méthode actuelle).

« serviront de base à la révolution scientifique de la Renaissance. Guillaume d'Ockham (1295-1349, franciscain anglais, empiriste) énonce le principe de parcimonie, ou « Rasoir d'Ockham », selon lequel les explications les plus simples sont souvent les meilleures. Retenu par la logique et la science modernes, il consiste à choisir l'hypothèse la plus simple ou la plus facilement démontrable entre plusieurs ayant la même vraisemblance. DU XIV' AU XVI' SIÈCLE : lA RENAISSANCE SCIENTIFIQUE La Renaissance commence en Italie, avec la redécouverte des écrits grecs et la volonté de représenter le monde de façon plus ordonnée. C'est la période des explorations et des inventions techniques (comme l'imprimerie), marquée par les travaux de Lé onat' dde V in d (1452- 1519, artiste, scientifique). Génie technologique et visionnaire, il préconise l'expérien ce« (qui) ne trompe jamais, ce sont nos jugements seuls qui nous trompent» et développe des techniques et méthodes très en avance sur son temps. Les nouveaux moyens d'investigation révèlent des discordances importantes entre les observations et les théories admises pendant plus d'un millénaire, qui entraînent une grave crise intellectuelle. Nicolas Copernic (1473-1543, astronome polonais) est le premier à entreprendre le libre examen d'une doctrine sacrée : le géocentrisme de Ptolémée, selon lequel le Soleil tourne autour de la Terre. Il découvre, grâce aux nouveaux outils mathématiques et l'application d'une démarche scientifique, que les planètes tournent sur elles-mêmes et autour du Soleil. R is q ua nt d 'êt re brû lé vil pour avoir blasphémé les fondements de la Foi, Copernic ne publiera ses découvertes que peu de temps avant sa mort Et le même sort menace Galilée, un siècle plus tard, lorsqu'il remet en question la physique d'Aristote érigée en dogme par l'Église Médiévale. Galilée (1564-1642, astronome italien) invente une nouvelle physique du mouvement inspirée du modèle copernicien : le système héliocentrique, conception de l'Univers qui place le Soleil en son centre (contraire aux Saintes Écritures). Condamné d'hérésie par le tribunal religieux, Galilée affirmera que sa théorie est fausse bien qu'il y croit encore, alors même que s'ouvrent les portes d'une science nouvelle, fondée sur la logique et l'expérimentation. Ainsi, la Renaissance occidentale engendre une profonde révolution bouleversant les conceptions relatives à la nature. La science se détache progressivement de la philosophie et du contrôle des autorités religieuses, en rejetant la vision aristotélicienne et les confusions scolastiques (enseignements religieux). Cette transition entre science médiévale et moderne est appelée la révolution copernicienne. Elle instaure une démarche scientifique qui n'admet plus d'affirmation sans examen ou preuve et applique le doute systématique à tout domaine accessible par la raison. XV II' SIÈCLE : l'AVÈNEMENT DE lA SCIENCE MODERNE Avec le perfectionnement des instruments de mesures, des mathématiques, de l'astronomie et de la physique, l'essor des sciences expérimentales s'accompagne de réflexions sur la place de l'expérience au sein de la démarche scientifique. Apparaît alors la nécessité d'une méthode capable d'unifier les sciences dans une approche objective de la connaissance. EMPIRISME, RATIONALISME ET MtlHODE Francis Bacon (1561-1626, savan� philosophe anglais) considère que l'expérimentation doit être organisée rationnellement et méthodiquement. Il faut rejeter les idées a priori et les intuitions avant d'observer les faits et réaliser des expériences pour dégager des lois et formes constantes de la nature. René Descat1es (1596- 1650, philosophe rationaliste, mathématicien français) convient que l'on " ne peut se passer d'une méthode pour se mettre en quête de la vérité des choses » (Règles pour la diredion de l'esprit, 1628}. Il postule que« la science est une » et que « la méthode mathématique est applicable à toute connaissance », dans le Discours de la Méthode (1637}. Grâce à une logique EXPÉRIENCE DE REDI SUR LA GÉNÉRATION SPONTANÉE � Redi constate que les asticots n'apparaissent pas sur la viande dans les récipients fermés, mais seulement dans les récipients ouverts, lorsque les mouches viennent pondre sur la viande. de l'idée claire et distincte, il énonce les principes d'évidence (douter de tout sauf de ce qui est évident), d'analyse (décomposer en entités simples), de synthèse (ordonner et raisonner par déduction du simple au complexe) et d'énumération (de tous les éléments d'un problème). Il recommande la prudence, la suspension du jugement (pour éviter préjugé et précipitation) et le doute systématique, car « celui qui cherche la vérité doit autant qu'il est possible, douter de tout ». Au cours des XVII' et XVIII' siècles, les expérimentations et les découvertes se poursuivent dans de nombreux domaines. Francesco Redi (1623-1697, médecin italien) applique la méthode scientifique à la biologie et réfute la théorie de la génération spontanée (apparition de la vie sans ascendance) grâce à une expérience contrôlée. Isaac Newton (1642-1727, mathématicien, physicien anglais) éclaircit les mystères de la lumière et de l'optique et invente le calcul différentiel et intégral. Ses travaux sur la dynamique du mouvement, l'inertie et l'attraction des corps, formalisés dans la théorie de la gravitation universelle, sont des piliers de la physique et de la mécanique modernes. l'Académie des Sciences est fondée à Paris en 1666. Composée de savants français et de correspondants étrangers, elle examine l'évolution des sciences, ses applications et favorise la recherche. Tout chercheur peut envoyer un article, qui sera relu, critiqué et éventuellement publié dans les Comptes Rendus de l'Académie, rendant possible une critique constructive entre les savants. XVIII ' SIÈCLE : DIFFUSION DES CONNAISSANCES les philosophes du Siècle des lumières manifestent la volonté de réunir et classer les différentes branches du savoir, afin de diffuser les connaissances auprès du peuple. Les sociétés scientifiques et la publication d'ouvrages de vulgarisation se multiplient. Denis Diderot (1713-1784} et Jean :cc:.c·c:·.-·· , d'Alembert (1717- r·-:--- =--c.,11783 ) publient l'Encyclopé die entre 1750 et 1770. Ce dictionnaire du XVIII' siècle, Emmanuel Kant (1724-1804, philosophe allemand) dépasse le clivage opposant l'empirisme (Bacon) et le rationalisme (Descartes). Il suggère un rationalisme critique qui intègre l'expérience dans la démarche scientifique et où la raison doit reconnaître ses propres limites. La science actuelle demeure conforme à cette perspective, qui repose à la fois sur des critères de validité logicomathématique et de validité expérimentale, dans une approche où l'imagination et la logique fournissent les hypothèses et l'expérience élimine celles qui sont fausses. XIX • SIÈCLE : POSITIVISME ET MÉTHODE EXPÉRIMENTALE Le progrès technique et industriel (électricité, téléphone, chemin de fer) et des découvertes révolutionnaires (comme lo théorie de l'origine des especes, Charles Darwin, 1859} bouleversent les idées reçues et provoquent l'émergence d'un nouvel esprit : le positi­ visme. Auguste Comte (1798- 1857, philosophe français) définit l'esprit positif comme le troisième stade de développement de la pensée humaine, qui coïncide avec la Grèce Antique (l'abandon des explications sacrées et métaphysiques) et recourt à l'épreuve de la réalité et à l'expérimentation pour dégager des relations constantes entre les faits et formuler des lois mathématiques. Auguste Comte ajoute que la méthode des sciences s'applique aussi à l'étude de l'homme et des sociétés, suivant des valeurs positives : réalité, utilité, expérimentation, certitude, précision et organisation. PRINCIPES, PRÉCAUTIONS ET USAGE DES STATISTIQUES Claude Bernard (1813-1878, médecin, physiologiste français) contribue à « faire pénétrer les principes bien connus de la méthode expérimentale dans les sciences médicales dont il résume les principes, en indiquant particulièrement les précautions qu'il convient de garder dans leur application, à raison de la complexité toute spéciale des phénomènes de la vie ». Dans son Introduction à l'étude de la médecine expérimentale (1865), il décompose « le raisonnement à l'aide duquel nous soumettons méthodiquement nos idées à l'expérience des faits », pour établir des connaissances objectives. Suivant ses intuitions et doutant de ses interprétations, l'expérimentateur doit procéder par étapes pour isoler un fait, suggérer une hypothèse explicative et la vérifier par l'expérience. Claude Bernard rappelle le principe déterministe de la science -selon lequel tout événement est provoqué par une cause et que dans les mêmes conditions, la même cause est suivie du même effet (principe de causalité). Ce principe s'applique « chez les êtres vivants aussi bien que dans les corps bruts » et tenant compte de la complexité du vivant, il convient de « ramener les phénomènes à des conditions expérimentales aussi simples que possible». « l'expérience n'est au fond qu'une observation provoquée» où l'expérimentateur identifie les facteurs provoquant un phénomène, isole les variables contrôlées (valeurs fixes de l'expérience) et décide des paramètres qu'il fait varier séparément (variables indépendantes) pour observer leur influence sur les variables dépendantes. L:interprétation des résultats se fait par voie de comparaison, en mesurant (quantitativement lorsque c'est possible) ce qui diffère entre les groupes expérimentaux. Les phénomènes biologiques et les comportements humains étant caractérisés par la variation et l'incertitude, l'emploi du calcul et de la statistique est recommandé -pour mesurer le degré d'incertitude ou de fiabilité des conclusions et faire des généralisations à partir d'expériences menées sur des échantillons. Notons que la démarche scientifique expérimentale ne s'applique pas toujours. En astronomie, tout se joue sur les observations et des simulations numériques. t:t:§ J ii 1111 m ti l'accélération des découvertes résulte de l'amélioration des techniques, de la mondialisation des échanges et du développement de l'informatique (qui permet de traiter des masses considérables d'informations). Les avancées spectaculaires en biologie offrent une meilleure compréhension du vivant (éléments de base, cycle de vie des cellules, rôle des gènes, ADN .. ) et d'importantes découvertes sont réalisées en physique (découverte de la structure du noyau de l'atome, théorie de la relativité, physique quantique ... ). l'objectif actuel est d'élaborer une théorie unifiée expliquant l'univers de l'infiniment grand à l'infiniment petit. MODÈLE STANDARD -THÉORIE DU BIG BANG On appelle modèle standard dans un domaine (ou modèle de concordance), la théorie qui lait l'objet d'un quasi­ consensus par la communauté scientifique. C'est le cas de la théorie du Big Bang -modèle cosmologique dominant depuis les années 1950-qui rend compte le plus économiquement des premiers instants et de l'évolution de l'Un ivers. Son pouvoir explicatif puissan t (des concepts de temps, espace, matière, énergie) est renforcé par des observations conformes à ses prédictions théoriques. Et lorsque de nouvelles observations ne concordent pas avec le Big Bang, des hypothèses ad hoc sont imaginées a posteriori pour parer aux critiques (comme l'hypothèse de la matière sombre si l'Univers est «trop lourd» dans les équations). Malgré des failles, le modèle standard reste le moins contesté. Les alternatives se limitent à des réinterprétations partielles et aucune n'offre un modèle du monde aussi global et cohérent. Mais comme toute théorie établie par la méthode scientifique, le Big Bang est par définition « réfutable ». Il ne doit pas être érigé en dogme de la science moderne et seules les recherches futures pourront le confirmer ou l'infirmer ... « La science est la culture du doute» (Richard Feynman). »

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