La démarche expérimentale dans les sciences de la nature

1. Le but de la science

Le but de la science, c'est établir des lois générales  qui permettront :
            (1) de comprendre le monde qui nous entoure
            (2) de prévoir le déroulement d’événements à venir

Des exemples :

            Loi générale : Chaque homme possède un matériel génétique qui lui est propre.
Imaginons qu'un crime soit commis avec traces de viol.
La police peut utiliser une analyse génétique pour confirmer l’identité du criminel.

            Loi générale : Un rayon lumineux envoyé sur une plaque métallique produit un courant électrique , c’est l’effet photoélectrique
On peut donc en conclure qu'un obstacle passant devant le faisceau lumineux va annuler la production de courant.
L’effet photoélectrique est utilisé, par exemple,  dans les systèmes automatiques d'ouverture des portes.

            Loi générale : Les lois de la mécanique céleste de Coppernic et Newton
Par le calcul, on peut définir les conditions de vitesse et d'énergie propres à envoyer un satellite et à le maintenir en orbite géostationnaire.


2. La démarche expérimentale dans les sciences de la nature

Les sciences de la nature (sciences du vivant, géosciences, physique, chimie), qu'on appelle encore sciences expérimentales, sont des domaines où on part d' expériences pour accéder à des hypothèses de travail puis en ultime ressort à des lois générales .

2.1. L'erreur à ne pas faire :

Nous allons décrire une méthodologie qui est couramment utilisée dans les sciences de la vie et qui est néanmoins logiquement incorrecte. Pour étudier un problème,on effectue un grand nombre d'observations dans des conditions variées. Puis, à aprtir de ces observations, on cherche des relations pour établir une loi.

On part d'une observation On multiplie les observations
Exemple J'ai observé un corbeau noir Tous les corbeaux que j'ai observés sont noirs
Méthode inductive
On tire de ces observations une loi générale
Loi
Sur Terre, tous les corbeaux sont noirs

A partir de cette loi, on peut déduire une théorie, des explications ou des prédictions : par exemple, si la loi dit que tous les corbeaux sont noirs, si je vois un corbeau, il sera obligatoirement noir.
On remarque ici que si la loi est vraie, la déduction le sera aussi.

Le problème est que la loi qu'on a établie n'est pas forément vraie. Il s'agit d'un défaut de logique est dans ce raisonnement inductif. Bien que j'ai observé moult fois que les corbeaux sont noirs, rien ne dit que sous d'autres latitudes, les corbeaux n'ont pas un plumage d'une couleur différente.

Cette méthode inductive qui consiste de partir d'élements particuliers pour en déduire une loi générale est à exclure, elle n'est pas valide.

L'illustre exemple de cette erreur est fournie par la "dinde inductiviste" de Bertrand Russell.

« Une dinde arrive dans une ferme, est nourrie tous les jours à 9h. En bonne inductiviste elle recueille un grand nombre de données (jour, climat,...) pour établir une conclusion quant à l'heure des repas des dindes. Elle finit par conclure qu'elle est toujours nourrie à 9h du matin,... jusqu'à la veille de Noël où on lui tranche le cou. »

2.2. L'observation « objective » est faillible

Il faut également garder à l'esprit que les résultats de l'observation peuvent eux-même être sujets à caution.
De multiples expériences visuelles peuvent démontrer que ce que l'on pense être une observation indiscutable peut justement être contesté.

Par exemple, à partir des images présentées deux observateurs peuvent voir des objets ou des situations différentes. Après une observation soigneuse, ils peuvent voir alternativement les différentes situations (ou objets). Le cerveau analyse les images et, selon les éléments de l'image pris en compte, il donne les figures globales plausibles qu'il peut construire.
Ces études de la perception ont été développées par les psychologues de la Gestalt.

 Commentaires :

En examinant cette figure, on peut voir un escalier qui descend (si on prend la partie gauche comme premier plan), ou être sous l'escalier et le voir monter (si on prend la partie droite comme premier plan).

Les deux situations sont plausibles et le cerveau les acceptant les deux, on peut passer de l'une à l'autre alternativement.

Commentaires :

Dans cette figure, on peut voir un petit cube déposé au fond d'un parallélépipède ou bien un parallélépipède auquel il manque le coin supérieur gauche.

 

 

2.3. La "bonne" méthode scientifique :

  1. Partir d'une hypothèse de travail
  2. Observer et expérimenter pour tester l'hypothése afin de la confirmer ou de l'infirmer
  3. Modifier l'hypothèse si elle n'est pas vérifiée
  4. Faire de nouvelles expériences pour tester la nouvelle hypothèse

Exemple extrait de Chalmers ....
Problème posé : Etudier le déplacement de la chauve-souris et la façon dont elle évite les obstacles

2.3.1. La méthode inductive à éviter (méthode 1)

  • Je place des obstacles
  • Je lâche la chauve-souris
  • Je compte le nombre de fois qu'elle évite l'obstacle
  • Je compte le nombre de fois qu'elle se cogne
  • Je mesure le nombre de km qu'elle fait pas jour
  • Je regarde si il y a une direction privilégiée
  • Je mesure la vitesse de déplacement en fonction de température, de la pression , du degré d'hygrométrie...
 Je conclus : La chauve-souris se déplace la nuit, elle évite les obstacles, elle fait x km etc...

En définitive, les résultats obtenus dans l'étude peuvent renseigner sur les déplacements de la chauve-souris mais n'apportent rien de fondamental sur son mode de fonctionnement.

Il n'y a pas d'hypothèse formulée avant l'expérimentation.

Remarque : Nombre d'articles scientifiques sont l'illustration de ce type d'approche.

2.3.2 La méthode fructueuse (méthode 2)

Je formule une hypothèse :

Je pars de l'hypothèse que la chauve souris utilise ses yeux (qu'elle a petits) pour voir et éviter les obstacles
  • Je vérifie qu'elle évite les obstacles
  • Je lui bande les yeux
  • Je remarque qu'elle évite toujours les obstacles
 Je conclus que l'hypothèse de départ est fausse
 

Je formule une nouvelle hypothèse :

Je pars de l'hypothèse que la chauve souris utilise l'ouie éviter les obstacles
  • Je recommence l'expérimentation en lui bouchant les oreilles
  • La chauve-souris ne peut pas éviter les obstacles
 J'en conclus que c'est par l'ouie qu'elle évite les obstacles.
Je peux alors imaginer qu'elle émet des ondes sonores et qu'elle évalue la distance par retour de l'onde (comme un sonar).
Je chercherai alors à mettre en évidence et à mesurer ces ondes.

 

Il est évident que la méthode 2 est incroyablement plus riche en idées et féconde en retombées que la méthode 1. Elle est, de plus, beaucoup plus courte en temps d'expériences.

3. Il n'y a pas de vérité scientifique absolue

Les hypothèses pour être scientifiques doivent être falsifiables.
On dit qu'une hypothèse est falsifiable si la logique autorise l'existence d'un énoncé contradictoire, c'est à dire d'un énoncé qui, s'il était vrai, rendrait l'hypothèse fausse.

Exemples d'énoncés falsifiables donc scientifiques
Toutes les enzymes sont des protéines Ce fut une loi scientifique qui fut vraie jusqu'à ce qu'on trouve des ARN qui ont une activité enzymatique (les ribozymes)
L'information génétique va dans le sens ADN>ARN>Protéines Ce dogme de la biologie moléculaire fut une loi scientifique jusqu'à ce qu'on mette en évidence des exemples le contradisant
La terre est plate De l'antiquité à la Renaissance, cette loi a servi de base à la cosmologie jusqu'à ce que Copernic et Galilée fassent comprendre qu'elle était fausse

 

Exemples d'énoncés non falsifiables donc non scientifiques
On peut gagner au loto On peut ..., mais on a aussi de bonnes chances de perdre.
Dieu existe Dieu n'existe pas. C'est une question de foi.
Soit il pleut, soit il ne pleut pas Que dire de plus !


Le corollaire à la falsificabilité est que il n'y a pas de vérité scientifique inébranlable et absolue.
La science évolue par succession d'erreurs -> corrections -> erreurs -> corrections etc...

4. Le scientifique idéal doit donc :

4.1. Poser la bonne question

Einstein a dit : « Poser les questions, c'est les résoudre » et Levi-Strauss a ajouté :« Le savant n'est pas l'homme qui fournit de vraies réponses, c'est celui qui pose de vraies questions »

Poser la bonne question, c'est cibler le point-clé du problème.

Exemple de bonne question:
Est-ce la vue qui permet à la chauve-souris d'éviter les obstacles ?

La question implique déjà la participation des sens de l'animal. On peut vérifier facilement que l'hypothèse n'est pas bonne, mais ce n'est pas grave, une voie fructueuse est ouverte en modifiant l'hypothèse de départ.

4.2. Construire un plan d'expérience qui permette une argumentation efficace

Il faut impérativement partir d'une idée avant d'expérimenter, c'est à dire formuler une hypothèse
Il faut ensuite analyser soigneusement les résultats et réflechir aux conséquences et conclusions qui peuvent être déduites.

4.3. Manifester en permanence un esprit critique

Ne pas prendre ses désirs pour des réalités.

4.4. Quelques conseils supplémentaires aux apprentis chercheurs

Vous disposez de trois ans pour réaliser votre travail de thèse et au cours de ces trois années votre recherche doit avoir suffisamment d'intérêt pour donner lieu à une ou plusieurs publications dans des revues scientifiques sérieuses nationales ou internationales.
Donc, quand on vous propose un sujet de recherche, examinez-le de manière critique. Est-ce qu'il est précis ? L'expérience montre que les sujets vagues, mal cadrés sont fréquents.

Il faut commencer par faire une bibliographie rapide sur le sujet, si possible trouver des articles généraux (de synthèse) qui permettent de situer l'état d'avancement du sujet.
Il faut ensuite définir par quel bout le problème peut être abordé afin de formuler une hypothèse qui permettra de servir de fil directeur aux expériences. Ne vous engagez pas dans les expériences sans avoir défini une hypothèse de travail, c'est du temps perdu.
Avant de commencer, quand vous avez une certaine idée des expériences à mener, complétez très soigneusement la bibliographie pour savoir avec précision ce qui fait. La bibliographie permet en plus de fournir des idées pour de nouvelles expériences par analogie avec ce que l'on a lu.

Enfin, il est utile de rappeler que dans les sciences expérimentales, la modélisation ne dispense pas de l'expérimentation.