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Se prévaloir de la science pour asséner une vérité ?

Frank Smith, docteur en épistémologie, est l’auteur d’une thèse intitulée : les enjeux politiques de la vulgarisation scientifique. Il analyse l’évolution des rapports entre l’expérience et la science pour ensuite envisager la vérité scientifique à la lumière des différentes lectures possibles des inégalités de Heisenberg.

Les théories scientifiques ne sont-elles que des inventions de l’esprit humain libre d’interpréter les faits à sa guise ou relèvent-elles d’une réalité objective qui serait découverte ? Dès lors, sommes-nous réduits à l’alternative qui consiste à faire de la science un argument d’autorité ou, étant donné le caractère nécessairement provisoire des théories, à leur dénier toute prétention à décrire la réalité ?

Il est traditionnel d’opposer la vérité aux interprétations. Cette opposition est aussi celle de l’unicité et de la multiplicité. Il n’y a pas une vraie version du requiem de Verdi mais plusieurs interprétations possibles. Il semblerait en revanche que la science qui se donne pour objectif de nous dévoiler le réel ne laisse pas place aux interprétations ; il n’y aurait qu’une vérité scientifique. De fait, il est fréquent d’entendre utiliser la science comme un argument d’autorité : « la science dit que… », « la science a montré que… ». Les connaissances scientifiques seraient un moyen de trancher définitivement le débat. Une telle attitude est-elle justifiée ? Quel crédit accorder à une affirmation scientifique ? Faut-il la prendre pour parole d’évangile ? Je vais ici tâcher de faire valoir combien au contraire, la notion d’interprétation joue un rôle fondamental en science. Pour cela, on pourra procéder en trois temps : on verra d’abord le rôle de l’expérience en science et notamment combien il est délicat de prétendre que celle-ci nous permet d’arriver à une théorie vraie. Les théories ne sont que des hypothèses permettant d’interpréter les faits.
Dans un deuxième temps, on verra comment une branche de la physique comme la physique quantique s’est construite sur une remise en cause de l’interprétation de l’expérience comme expérience cruciale. Et enfin, il s’agira de montrer comment la rupture épistémologique que cette nouvelle physique a instaurée vis-à-vis de la physique classique est elle-même sujette à interprétation (notamment à propos de la question du déterminisme). Cette triple interrogation sur l’interprétation conduit à questionner le statut de la "vérité scientifique". Celle-ci n’a rien du dogme et doit pouvoir être discutée.

D’abord, la première chose que l’on peut noter est qu’il est déjà arrivé que la science se soit trompée. On le voit à travers ses revirements. On peut citer par exemple Jean-Baptiste Dumas, professeur à Polytechnique, à la Sorbonne, à l’école Centrale, secrétaire perpétuel de l’Académie des sciences qui déclarait en 1836 :

« Que nous reste-t-il de l’ambitieuse excursion que nous nous sommes permise dans la région des atomes ? Rien, rien de nécessaire du moins. Ce qui nous reste, c’est la conviction que la chimie s’est égarée là, comme toujours, quand, abandonnant l’expérience, elle a voulu marcher sans guide au travers des ténèbres. L’expérience à la main, vous trouverez les équivalents de Wenzel, les équivalents de Mitscherlich, mais vous chercherez vainement les atomes tels que votre imagination a pu les rêver en accordant à ce mot consacré malheureusement dans la langue des chimistes une confiance qu’il ne mérite pas. Ma conviction, c’est que les équivalents des chimistes, ceux de Wenzel, de Mitscherlich, ce que nous appelons atomes, ne sont autre chose que des groupes moléculaires. Si j’en étais le maître, j’effacerais le mot atome de la science, persuadé qu’il va plus loin que l’expérience ; et jamais en chimie nous ne devons aller plus loin que l’expérience. » [1]

On voit que les atomes n’ont été admis que fort difficilement au point que certains y voyaient un égarement. Il est donc pour le moins risqué de prendre la connaissance d’une époque pour l’établissement d’une vérité définitive.

1) Le rôle de l’expérience en sciences

Pourtant nous avons aussi de bonnes raisons d’avoir confiance en ce que nous dit la science notamment, comme le note Dumas, grâce au rôle de l’expérience. Celle-ci contribue en particulier à vérifier l’exactitude des théories qui ont été élaborées pour rendre compte des observations. « Les faits sont têtus » disait Lénine témoignant par-là combien l’expérience doit être préférée aux spéculations [2]. Bref, ce n’est pas à la réalité de se plier à nos désirs mais l’expérience impose – et c’est heureux – que nous tenions compte des réalités de ce monde. Est-ce à dire qu’il n’y a qu’une vérité à laquelle nous devons nous plier et que l’expérience met en évidence de manière univoque ? Il serait doublement simpliste de le croire.

a) Le caractère construit des faits

La première raison est qu’affirmer cela, c’est admettre cette idée que « les faits parlent d’eux-mêmes ». Remarquons d’abord que, par l’usage qu’elle fait d’instruments sophistiqués, la science moderne met à mal cette croyance. Quiconque ayant jeté un œil dans un microscope ou ayant regardé les images de collisions de particules dans un accélérateur sait qu’il faut d’abord apprendre à voir. On ne voit d’abord que des taches ou des lignes. Les observations demandent à être interprétées c’est-à-dire qu’il faut leur donner un sens. Ensuite, cette idée repose sur une conception erronée de ce que sont les faits scientifiques. Elle présuppose que ceux-ci sont appréhendés directement, indépendamment de tout schème conceptuel sous-jacent. Au contraire, ceux-ci sont toujours déjà considérés sous un certain angle, appréhendés indirectement par l’entremise de concepts ou à la lumière de théories. En effet, pour que j’observe quelque chose, il me faut déjà le remarquer. Autrement dit, je n’observerai que ce qui me paraîtra remarquable. Or un fait ne m’apparaîtra remarquable que s’il me choque, c’est-à-dire s’il heurte une de mes conceptions. Il n’y a donc pas d’observation sans doctrine préalable.
Ainsi par exemple, dire « j’observe que le crayon tombe » et non pas « j’observe que le crayon noir tombe » signifie que l’on a déjà en tête au moment de l’observation une proto-théorie selon laquelle la couleur n’intervient pas dans la chute des corps. L’observation n’est pas impartiale. Les épistémologues ont coutume de dire qu’il n’existe pas de « faits bruts » mais uniquement des faits « chargés de théorie » (ou « construits ») [3].

b) Le problème de l’induction

La deuxième raison est que prétendre que l’expérience permet de vérifier les théories soulève une objection majeure à savoir qu’il y a une infinité de théories possibles qui rendent compte des mêmes faits expérimentaux (en effet ceux-ci sont en nombre fini). C’est ce qu’on appelle la sous-détermination des théories par les faits [4]. Cette thèse affirme qu’à partir d’un ensemble de faits d’observation, on peut élaborer non pas une seule théorie valide mais plusieurs théories toutes aussi légitimes les unes que les autres. Un ensemble de faits ne détermine pas une et une seule théorie.

Dès lors, ces théories qui sont en contradiction les unes avec les autres ne peuvent être toutes vraies. Or par définition, elles sont en accord sur les faits passés ; elles seront donc en désaccord sur les faits à venir. On peut illustrer cela par un exemple simple. Supposons que l’ensemble des faits observés soit celui-ci : A, E, I. On peut émettre la théorie selon laquelle ce sont les voyelles qui sont énoncées et par conséquent prédire que la prochaine lettre sera O. Mais d’autres théories sont possibles : j’énonce les lettres de l’alphabet en ajoutant 4 unités à chaque fois : la première lettre (A), la cinquième (E), la neuvième (I). En conséquence je dois prédire que la lettre suivante sera la treizième à savoir M. Ou encore je suis en train d’énoncer les initiales de la phrase « Albert Einstein Is Back » et je dois m’attendre à ce que la lettre suivante soit un B, etc. On le voit, il y a une infinité de théories qui permettent de rendre compte des mêmes faits. La seule chose que l’on puisse dire avec certitude est que chaque nouveau fait d’observation permet de supprimer certaines théories mais il ne permet pas pour autant de prouver une autre théorie. Si dorénavant ma suite est constituée des lettres A, E, I, O, je peux éliminer les théories concurrentes. La théorie des voyelles est-elle pour autant démontrée ? La réponse est non. Car là encore, je peux envisager d’autres théories : je suis en train d’énoncer les initiales de la phrase « Albert Einstein Is One Scientist », etc. La seule chose que l’on puisse dire à propos de la théorie des voyelles est qu’elle est corroborée – c’est-à-dire que, sans être démontrée, elle paraît à chaque fois un peu plus vraisemblable. Ainsi même si nous admettons que nous avons vérifié une théorie en la confrontant à des faits d’expérience, ce n’est pas parce que la théorie rend bien compte des observations faites jusqu’à présent qu’elle nous dit la vérité.

On voit ainsi qu’il n’y a pas qu’une seule théorie possible mais une infinité. La question n’est pas : laquelle est la vraie ? mais laquelle est la plus plausible ? Dès lors, la question qui se pose est : en vertu de quoi choisir une théorie plutôt qu’une autre ? Cette sous-détermination témoigne du caractère fictif des théories : ce sont des hypothèses imaginées pour rendre compte des phénomènes. On voit que l’expérience ne permet pas de confirmer une théorie ; elle peut tout au plus suggérer que cette théorie est peut-être vraie (la corroborer) ou au contraire l’infirmer. Par exemple, soit la proposition : « tous les nombres sont pairs ». On peut trouver une infinité d’exemples (2, 4, 6, 8…) accréditant ce théorème pourtant évidemment faux.

Bref, même une infinité d’exemples probants ne permet pas de conclure à la vérité d’une théorie. En revanche, un seul contre-exemple suffit à l’infirmer : il me suffit d’exhiber le nombre 3 pour invalider le pseudo-théorème ci-dessus. C’est à cause de cette difficulté à prouver la vérité d’une affirmation tandis qu’il est facile d’en prouver la fausseté que certains ont voulu substituer l’un à l’autre en identifiant la confirmation à une forme d’infirmation : c’est la notion d’expérience cruciale.

2) La notion d’expérience cruciale ou « l’expérience tranchera »

Le philosophe et homme politique anglais Francis Bacon a proposé dans son maître-ouvrage Novum Organum la notion d’expérience cruciale. Une expérience cruciale est une expérience qui doit nous permettre de trancher entre deux hypothèses opposées A et B. A et B sont telles que l’affirmation de l’une implique la négation de l’autre et que la négation de l’une implique l’affirmation de l’autre. Comment procède-t-on ? La théorie A a pour conséquences logiques a, a’, a’’, etc. alors que la théorie B a pour conséquences logiques b, b’, b’’, etc. Par exemple, je veux tester l’hypothèse de la rotondité de la Terre. Si la Terre est ronde (A), alors en partant vers l’ouest, j’arriverai dans une contrée orientale (a) ; si la Terre n’est pas ronde (B), j’arriverai à un grand précipice (b). Or on observe que l’on arrive effectivement en Inde en partant vers l’ouest et non à un précipice. Donc la Terre est ronde. C’est donc en dernier lieu à l’expérience qu’il revient de juger quelle théorie est la bonne et non à des spéculations philosophiques. Du point de vue logique, la notion d’expérience cruciale suppose une implication stricte entre la théorie (A) et l’observable (a) et repose sur le principe du tiers exclu : si ce n’est pas B, alors c’est nécessairement non-B autrement dit A.

Ce rôle dévolu à l’expérience qui consiste à en faire le juge de paix des théories est très répandu et très puissant. C’est précisément cette interprétation de l’expérience comme expérience cruciale que la physique quantique va mettre en crise. En effet, déduire la vérité de B de l’infirmation de A n’est correct qu’à la condition qu’il n’y ait que deux hypothèses possibles. Or cela n’a rien d’évident. [5] Il existe un cas précis infirmant ce point : la double expérience de Foucault et de Lenard sur la nature de la lumière. Ces physiciens se demandaient si la lumière était ondulatoire ou corpusculaire. On avait pu montrer que si la lumière était ondulatoire, alors sa vitesse serait plus grande dans l’air que dans l’eau (car la densité de l’eau étant supérieure à celle de l’air, la lumière y serait davantage ralentie) et son énergie devrait décroître progressivement jusqu’à zéro.

Si en revanche, la lumière est corpusculaire, alors sa vitesse sera plus faible dans l’air que dans l’eau et son énergie décroîtra de façon discontinue. Une expérience cruciale pour déterminer la nature de la lumière consiste donc à comparer sa vitesse dans l’air et dans l’eau. C’est ce qu’a fait Foucault en 1850 ; il a montré que la vitesse de la lumière est plus grande dans l’air que dans l’eau. La conclusion est donc sans appel : la lumière est formée d’ondes. Mais le physicien allemand Philipp Lenard a montré en 1902 dans une autre expérience que l’énergie de la lumière décroissait de façon discontinue. La conclusion de cette expérience elle aussi prétendument cruciale est donc que la lumière est corpusculaire. Deux expériences censées être cruciales ont vérifié deux hypothèses considérées comme contradictoires au lieu de les départager.

La raison est ici que la lumière présente une autre nature et qu’elle n’est ni ondulatoire, ni corpusculaire. C’est donc le principe du tiers exclu qui est infirmé. L’expérience cruciale reposait sur l’hypothèse qu’il y avait deux théories contradictoires. Or ces deux théories sont seulement incompatibles ou contraires (la négation de l’une n’implique pas l’affirmation de l’autre). On s’était enfermé dans un schéma de pensée alors qu’il y avait une troisième voie à laquelle personne n’avait encore songé. La physique quantique a récusé les deux positions et les a remplacées par la dualité onde / corpuscule : en réalité, les particules élémentaires ne sont ni des ondes ni des corpuscules mais sous certaines conditions se comportent comme des ondes et sous d’autres conditions comme des corpuscules.

3) Les différentes interprétations de la physique quantique

La physique quantique est la physique de l’infiniment petit. Elle doit son nom au fait qu’au début du siècle dernier on a mis en évidence que les variations d’énergie à ce niveau ne peuvent pas s’effectuer continûment mais ont lieu de manière discontinue à travers des " paquets " d’énergie, multiples d’une certaine quantité d’énergie élémentaire : le quantum, bref la nature procède par saut. La physique quantique arrive à un certain nombre de résultats tout à fait contraires à la fois au sens commun et à la physique classique. Elle affirme notamment que les « objets » quantiques ne sont ni des ondes ni des corpuscules lesquels étaient les deux seuls types de choses que la physique classique connaissait mais quelque chose qui se présente parfois comme l’un et parfois comme l’autre. Ainsi Louis de Broglie (père de la mécanique ondulatoire) et Erwin Schrödinger vont traiter les particules élémentaires comme s’il s’agissait d’ondes ; Werner Heisenberg se refusera à les traiter comme les objets physiques traditionnels et adoptera une solution radicale : les traiter comme des entités purement mathématiques. Il déclarera la manière de faire de Schrödinger « répugnante » [6], lequel se dira « dégoûté » par celle d’Heisenberg [7]. En 1926, l’Anglais Paul Dirac démontrera pourtant que ces deux méthodes sont équivalentes. Parmi les résultats de la physique quantique, il en est un qui revêt une importance particulière : il s’agit des relations de Heisenberg. Comme on vient de le dire, le comportement des particules élémentaires peut être décrit par certains "objets" mathématiques [8]. Or Heisenberg a pu montrer que, étant donné la nature des entités mathématiques qui les décrivent, il est impossible de mesurer simultanément certaines observables avec une précision aussi grande qu’on le voudrait. Par exemple, si l’on mesure très précisément la vitesse d’un objet, alors il y aura nécessairement un certain flou sur sa position et réciproquement [9].

Se fondant sur les inégalités de Heisenberg, certains physiciens réunis sous le nom d’Ecole de Copenhague considèrent que cette impossibilité ne tient pas à une insuffisance de nos moyens de mesure mais à la nature même de la géométrie de l’espace des états et à la nature de la particule que l’on souhaite observer ; il existe un flou quantique propre à la matière et indépendant de notre savoir et de la précision de nos outils. C’est pourquoi on ne peut parvenir comme avec un corpuscule à une localisation précise. Ils en concluent qu’on ne peut pas observer sans troubler (et donc que le point de vue d’un observateur objectif est une chimère). En effet, toute observation nécessite un dispositif modifiant l’état de l’objet observé. Ainsi pour voir un objet – et donc pour lui assigner une position - il faut l’éclairer, c’est-à-dire le bombarder de photons ce qui a une incidence sur son énergie. Il faut bien préciser que selon cette interprétation, en fait la particule ne possède pas simultanément une position et une vitesse précise, c’est seulement lorsque nous effectuons une mesure que nous en déterminons une. [10] Selon les tenants de cette interprétation comme le physicien Niels Bohr, il n’y a pas de réalité objective indépendante de la mesure. Nombreux parmi ces physiciens considèrent qu’il est bon que la physique quantique exclue ainsi la question de la réalité car celle-ci est inconnaissable. En effet, il serait naïf de croire avoir découvert la réalité quand on en propose une théorie. C’est ce qu’on appelle le positivisme : la science ne prétend pas expliquer ce qu’il en est du réel, elle se contente d’en proposer une description opératoire [11]. Peu importe la réalité des phénomènes ; seule compte la cohérence des relations établies. Il faut abandonner toute prétention métaphysique touchant la nature des choses pour ne plus rendre compte que des relations entre celles-ci. [12] En ceci, ces auteurs sont les héritiers de Newton qui, à propos de la nature de la gravitation, disait « hypotheses non fingo ». [13]

On peut seulement dire que tout se passe comme si la pomme qui tombe était soumise à une force de gravité mais il serait osé d’en conclure à l’existence de cette force. L’objectivité, la réalité mais aussi le déterminisme sont remis en cause. En effet, le déterminisme est la conception selon laquelle un effet est intégralement conditionné par sa cause. En physique, le déterminisme s’énonce ainsi : les mêmes causes produisent les mêmes effets. Or, puisqu’on n’en peut donner de description précise, on est donc limité à une description probabiliste. Et qui dit probabilité dit que l’effet n’est pas intégralement déterminé par sa cause mais qu’il y a une part de hasard. C’est seulement au niveau statistique, quand les particules se comptent par milliards qu’on peut affirmer avec certitude que tant de pour cent seront ici, et tant là.

Un certain nombre de physiciens au premier rang desquels Einstein (mais aussi Schrödinger) vont contester cette interprétation. Einstein était particulièrement choqué par la dimension probabiliste de la physique quantique à laquelle il rétorquait que « Dieu ne joue pas aux dés ». Arguant du fait qu’il est inapproprié de passer de notre incapacité à connaître à une affirmation concernant l’existence (ou la non-existence) des choses, ces auteurs préfèrent parler d’incertitude [14]. Selon eux, les relations obtenues par Heisenberg ne font que traduire une insuffisance de nos moyens de mesure. Mais en droit, il demeure légitime de continuer à assigner une réalité et une localisation précise aux particules. Ce point de vue est notoirement minoritaire aujourd’hui surtout depuis que le Français Alain Aspect a réalisé en 1983 une expérience qui tend à prouver que c’est l’interprétation de Copenhague qui serait la bonne. Les physiciens adoptent plutôt l’interprétation maximaliste de la physique quantique : la remise en cause du déterminisme voire de la réalité. Mais il serait pour le moins paradoxal de prétendre que la physique quantique a été vérifiée par une expérience cruciale alors qu’elle est justement née de la mise en évidence des limites de la notion d’expérience cruciale.

Il y a enfin une troisième interprétation de ces résultats, plus minimaliste que celle de l’Ecole de Copenhague défendue par certains scientifiques comme Paul Langevin ou Evry Schatzman. Pour Langevin par exemple, s’il est exact que certains concepts classiques comme le déterminisme corpusculaire doivent être abandonnés, en fait ce qui pose problème, ce n’est pas tant le déterminisme lui-même que l’imagerie corpusculaire que l’on s’en faisait jusqu’alors. Ces résultats ne traduisent rien de plus que l’inadéquation de certains concepts classiques comme la vitesse ou la position pour parler des particules subatomiques.

On voit ainsi que selon que l’on parle du « principe d’indétermination de Heisenberg », « du principe d’incertitude de Heisenberg » ou de manière plus neutre des « inégalités de Heisenberg », on donne un contenu très différent à ces résultats.

Conclusion

C’est donc du statut à accorder à nos théories qu’il est question. On voit ainsi que la science fait une large place à l’interprétation et que la notion de vérité scientifique est très subtile. Elle ne peut être présentée simplement comme adéquation à un réel donné sinon il faudrait conclure à l’irrémédiable fausseté de la science. Une théorie est avant tout une hypothèse révocable, un outil nous permettant de progresser. Pour autant, les connaissances scientifiques ne sont-elles rien de plus que de simples opinions ? Efficaces certes mais sans rapport avec la réalité ? Il serait hâtif d’en tirer pareille conclusion. En fait on a de bonnes raisons d’y adhérer. Ces connaissances sont fondées en raison. L’expérience, la cohérence, etc. en sont des garantes. Mais surtout, loin d’en constituer une faiblesse, le caractère évolutif de la science en fait la force. C’est cette capacité de la science à se corriger en permanence qui doit nous inciter à nous y fier et qui nous préserve d’une doctrine figée comme celle d’un système idéologique. Au contraire, par nature la science est toujours en évolution. Il serait donc erroné de refuser de mettre telle ou telle théorie scientifique en discussion mais tout autant de prétendre la mettre sur le même plan qu’une croyance religieuse ainsi que le font les créationnistes. Ni simple opinion à laquelle on peut croire ou pas, ni dogme indiscutable, la science relève d’un autre ordre, celui du savoir.

Frank Smith