Méthode

"La méthode scientifique" ou "méthode expérimentale" ou "méthode hypothético-déductive"

Accueil
Histoire de science
Cours lycée
Cours général (professeurs des écoles- PE)
Références
Archives
(anciens commentaires d'actualité)
La science ?
Méthode

1. Principe de la méthode

Elle se déroule en 4 temps:

  1. on pose un problème (la plupart du temps celui-ci se pose à partir d'observations) qui est le plus souvent une question. Cette dernière est malheureusement très souvent confondue avec l'hypothèse.
  2. élaboration d'une hypothèse par induction ou par déduction: il est préférable que cette hypothèse soit formulée comme une affirmation et non comme une question pour éviter de confondre le problème avec l'hypothèse. L'hypothèse est en fait la réponse proposée au problème de la première étape.
  3. réalisation d'une ou plusieurs expériences ou observations pour tester l'hypothèse: chaque expérience doit comporter des conditions expérimentales précises, un témoin et conduire à des résultats qui sont interprétés. Une expérience peut être une observation complémentaire.
  4. jugement sur la validité de l'hypothèse (l'hypothèse est confirmée expérimentalement, validée ou au contraire est infirmée ou invalidée) et déclaration (déduction) d'une affirmation ou loi qui généralise l'hypothèse (cette loi est donc vraie en tant qu'expérimentable, démontrée par l'expérience mais il reste toujours une partie spéculative, incertaine: toute loi peut être invalidée par une unique expérience qui la remet en cause; on peut même aller jusqu'à dire que c'est finalement le propre de toute loi que d'être remis en cause un jour ou l'autre...): les lois sont ensuite regroupées dans des théories scientifiques. On tend actuellement à préférer le terme de modèle, mais je crois que ce concept recouvre bien la notion de théorie. On distingue alors les modèles internes (qualifiés de "rééls" car ils s'efforcent de décrire le comportement des systèmes rééls c'est-à-dire naturels pour ce qui nous intéresse) et les modèles externes (qui s'efforcent de décrire le "comportement" des observations, c'est-à-dire de notre connaissance, ce sont des modèles logiques) (voir par exemple l'article de Jacques OKSMAN : Mesures et information, Pour la Science, 258, avril 1999, 90-95).

On notera que les théories scientifiques ou les modèles, même les plus enracinés dans les esprits, et considérés dès lors comme des évidences, sont toujours susceptibles d'être invalidés par une seule et unique expérience contradictoire. C'est la modestie du scientifique: se soumettre au réel, à l'expérience.

2. De la méthode expérimentale à l'analyse expérimentale

Munis de cette méthode expérimentale nous explorons la nature : nous sommes des naturalistes. Mais le temps nous manque et nous sommes amenés à utiliser les résultats d'autres expérimentateurs. C'est aussi l'étape nécessaire par laquelle doivent passer les élèves : ils doivent étudier les résultats des autres avant de pouvoir eux-mêmes expérimenter. La démarche expérimentale se transforme alors en analyse.

L'analyse expérimentale est une interprétation critique d'une expérience réalisée selon la méthode expérimentale.
Elle peut se faire à partir de la description compléte d'une expérience (schémas, résultats...) ou d'un texte, ou d'un graphique.

Remarque : la plupart du temps il manque de nombreuses données dans la description de l'expérience et aucune critique n'est possible, on doit faire confiance à l'expérimentateur, ce qui n'est pas un comportement scientifique.... Ce qui est compréhensible dans des livres scolaires l'est par contre beaucoup moins pour des revues scientifiques. C'est pourtant le premier intérêt d'une publication : rendre accessible à la critique une expérience qui doit pouvoir être de nouveau réalisée par d'autres.

Le problème peut aussi être formulé en ces termes : doit-on former les élèves à la méthode expérimentale ou à l'analyse ou aux deux ? L'analyse est une technique assez littéraire et contrairement à ce que l'on pourrait penser, je crois pouvoir affirmer, de par mon expérience d'enseignant, que nombre d'élèves, vraiment doués pour l'analyse, ne sont pas du tout de bons expérimentateurs et inversement. Les qualités sont différentes pour les deux types de démarche.

Un exemple pour montrer la différence entre une démarche expérimentale et analytique : les abeilles et les fleurs

  1. Le naturaliste réalise une démarche expérimentale:
  2. L'élève ou le naturaliste de bibliothèque analyse une expérience:
    (exercice n°5 p 80, Bordas, Biologie (STBG) Seconde, 1987)
    Dans une colonie d'environ 25.000 abeilles, six butineuses ont été nourries avec une solution de sucre contenant des éléments radioactifs. Cinq heures plus tard, la radioactivité est décelable chez 62% des butineuses et 18% des autres ouvrières. Au bout de 24 h ces proportions passent respectivement à 76 et 43%. (Pour interpréter ces résultats il faut savoir que la radioactivité ne se transmet pas d'une abeille à l'autre par simple contact; pour qu'un individu soit radioactif il faut qu'il ait consommé le sucre radioactif).
    L'information entre parenthèses est essentielle. Elle remplace le témoin qui manque souvent dans ces exercices. Seriez vous capable de retrouver les étapes de la démarche expérimentale ? Quelle est l'hypothèse formulée ? A la suite de quelles observations ? : le problème posé est probablement l'interprétation de la signification du comportement des abeilles qui réalisent de fréquents contacts entre elles au moyen de leur pièces buccales: l'hypothèse d'un échange de nourriture peut être testée à l'aide de cette expérience. Mais il faut être très prudent sur la nature de l'élément radioactif choisi et son devenir au sein de l'organisme de l'insecte. Un sucre marqué au 14C par exemple peut être respiré pour une bonne part et donner du 14CO2 excrété par la respiration, ce qui est intéressant pour l'interprétation. En effet, la quantité de 14C qui est transmise d'abeille à abeille est donc le résultat de la différence entre la quantité totale de radioactivité initiale et celle des abeilles a un instant donné. Elle peut donc servir à mesurer la quantité de sucre métabolisée par chaque animal. Mais ces mesures ne sont pas faciles à réaliser étant donné le nombre d'individus.... Quant à la conclusion, il est donc certain que les abeilles s'échangent de la nourriture entre elles (trophallaxie). Mais il y a un autre problème implicite qui peut aussi être en partie solutionné par l'expérience: la radioactivité augmente plus vite chez les butineuses que chez les autres ouvrières. Il est assez difficile d'en déduire quoi que ce soit si l'on a pas formulé le problème au départ. Les butineuses ont-elles des contacts plus fréquents ou plus longs entre elles qu'avec les autres ouvrières ? A-t-on essayé de nourrir à la pipette d'autres ouvrières ? ... etc. En fait cette expérience et surtout sa relation n'est pas assez précise si l'on veut répondre à un autre problème que l'échange de nourriture de façon très générale.  

3. Une blague

Il existe une blague qui circule depuis fort longtemps mais qui illustre assez bien un certain type de raisonnement erroné:

Vous prenez une puce qui, comme chacun sait, possède 3 paires de pattes, comme tous les Insectes. Vous lui dites bien fort "saute !"... elle saute. Vous lui enlevez une patte et recommencez l'expérience: "saute !"...elle saute. Vous passez à la seconde patte puis à la troisième et ainsi de suite. Vous ôtez enfin la cinquième patte et criez "saute !", péniblement la puce, sur une patte, se traîne et... réussit à sauter. Dernière et triomphale étape, vous ôtez la dernière patte et hurlez "saute !"... malgré toute sa bonne volonté, la puce ne saute pas. Conclusion de cette expérience: lorsqu'on lui ôte toutes ses pattes, une puce devient sourde.

L'analyse de la blague n'est peut-être pas inutile: le comique vient essentiellement de l'hypothèse expérimentale qui n'est pas affirmée au début d'où un quiproquo: l'hypothèse de celui qui expérimente (audition) n'est pas la même que celle de l'auditeur (saltation). Sans compter les conditions expérimentales (non stéréotypées) et le stimulus déclencheur du saut (voix non signifiante et non causale) ou même du côté anthropomorphique de la relation (volonté de l'animal).

 

4. Un exemple plus contesté: La génération spontanée

Est-il une loi plus ancrée actuellement dans les mentalités que celle de l'absence de génération spontanée? On peut la formuler ainsi: tout être vivant est issu d'un autre être vivant. Autrement dit, si l'on observe le développement d'un être vivant (génération), on doit trouver un organisme dont il est issu. Un organisme ne peut se former tout seul, sans être issu d'un autre. Il n'y a pas d'autoassemblage de l'être vivant à partir de la matière. Si l'on y réfléchit quelque peu, ce postulat, acquis chèrement à la fin du 19ème siècle, est plus ou moins remis en cause par nombre de personnes qui, aujourd'hui, repoussent le problème dans le temps mais aussi au niveau du développement.
Il s'agit des innombrables scénarios sur l'apparition de la vie et de l'extraordinaire diversification des êtres vivants au cours des temps géologiques. Certaines personnes, qui se gausseraient si quelqu'un leur affirmait avoir réussi à créer une cellule vivante à partir de l'assemblage de molécules chimiques et d'énergie, ne sont pas du tout gênés pour affirmer, qu'à un moment donné, il a bien fallu que cela se fasse. Il est clair que si le problème est posé dans l'actuel il doit être posé dans les mêmes termes pour le passé. Sinon il y a une croyance non affirmée en un hasard créateur. Si quelqu'un dit "il a bien fallu que cela arrive une fois", il est passé du côté des partisans de la génération spontanée. Reculer l'événement dans un passé inaccessible à l'expérience ne change rien au problème philosophique (voir les pages sur la science et l'article de Pierre Lazlo dans La Recherche qui y est cité; on a jamais réussi à assembler une cellule in vitro, même si les coacervats et autre liposomes apportent des données intéressantes sur l'architecture des cellules). On peut citer ainsi Pierre Paul Grassé : «La génération spontanée que notre logique nous impose a été un phénomène historique par excellence ; impossible aujourd'hui, elle s'est pourtant produite sur la terre , encore dans sa jeunesse ou sur une autre planète, hors de notre système solaire, une seule fois et cela a suffi pour lancer l'aventure de la vie dans le cosmos» (L'évolution du vivant, Albin Michel, 1973, p 154). Plus loin encore, on pourrait citer Ernest Haeckel : «Mais quiconque se fera des organismes une idée réellement logique et conforme aux lois naturelles, ne saurait considérer ces formes ancestrales primitives, si extrêmement simples, comme le résultat d'un acte créateur surnaturel ; il ne saurait voir là autre chose qu'un fait de génération spontanée (archigonie ou generatio spontanea) » (Histoire de la création des êtres organisés d'après les lois naturelles, Ernest Haeckel, troisième leçon, p 44, C. Reinwald et Cie, libraires-éditeurs à Paris, 1874 ). Pour soutenir le débat sur un plan métaphysique on peut s'appuyer sur le principe de non-contradiction qui, de bon sens certain, empêche le "moins" de donner naissance au "plus". La réalité ontologique d'une bactérie actuelle, tout comme celle de l'homme, ne peut être incluse dans une cellule initiale sans soutenir le principe philosophique selon lequel un être imparfait, non infini et non éternel, peut donner naissance à d'autres êtres plus parfaits que lui et les maintenir dans l'être, alors que lui-même n'est plus...

Quelques rappels historiques (extrait pour beaucoup de "Microbiologie", Prescott, Harley et Klein, De Boeck Université, 1995) :

<<Francesco Redi (1626-1697) réalisa une série d'expériences sur la viande en décomposition et la capacité à produire spontanément des asticots. Redi mit la viande dans trois récipients. Le premier n'était pas couvert, le second était couvert de papier et le troisième d'une fine gaze qui pouvait écarter les mouches. Celles-ci déposaient leurs œufs sur la viande non couverte et les asticots se développaient. Les deux autres morceaux de viande ne produisaient pas spontanément d'asticots. Cependant les mouches attirées par le récipient couvert de gaze pondaient leurs œufs sur la gaze; mais ceux-ci ne produisaient pas de larves. Ainsi la production d'asticots par la viande était due à la présence d'œufs de mouche et la viande ne générait pas spontanément des asticots comme on le pensait précédemment.>>

 <<La découverte des micro-organismes par van Leeuwenhoek (1632-1723), loin de clore le débat, le relance: pour les partisans de la génération spontanée, les micro-organismes, à l'inverse des grands organismes apparaissent par génération spontanée... Les expériences du prêtre anglais John Needham (1713-1781) non concluantes, furent suivies de celles du prêtre et naturaliste italien Lazzaro Spallanzani (1729-1799) qui scellait des flacons de verre et les plaçait dans l'eau bouillante pendant 3/4 heure; il n'y avait pas de développement des micro-organismes tant que les flacons restaient fermés. Mais les défenseurs de la génération spontanée rétorquèrent que le chauffage de l'air dans les flacons détruisait sa capacité à maintenir la vie >>(ce qui n'était pas faux; en fait ces personnes étaient d'accord avec les interprétations de l'expérience, c'est le support de la vie qu'ils imaginaient être autre qu'une forme bactérienne). Les expériences de Théodore Schwann ( 1810-1882) qui stérilisa l'air par passage dans un tube chauffé au rouge, puis de Georg Friedrich Schroder et Théodor von Dush qui stérilisèrent l'air par filtration à travers une ouate, n'entraînèrent pas la conviction des foules. C'est Louis Pasteur (1822-1895) qui reprit les mêmes expériences en les complétant et emporta l'adhésion générale. Enfin, c'est John Tyndall (1820-1893) qui démontra l'action directe des germes bactériens. <<Ferdinand Cohn (1828-1898) découvrit l'existence d'endospores bactériennes résistantes à la chaleur.>>

On a, à la relation de ces étapes historiques, la nette impression que c'est une problème d'expérimentation et d'observation qui limite les conclusions. Si l'on repousse la taille de l'être vivant jusqu'où arrive-t-on ? Pour obtenir des conditions stériles nécessaires à l'établissement d'un témoin, il est indispensable d'avoir un échantillon dont on a tué toute forme de vie. Mais que veut dire tuer un être vivant alors que l'on a du mal à définir la notion même d'être vivant lorsque l'on repousse les limites de taille vers l'infiniment petit ?

Si l'on prend le cas actuel des prions et de la vache folle on est revenu 100 ans en arrière: on cherche à prouver que seul un agent peut provoquer une maladie, ce qui est louable. Mais le problème n'est pas vraiment le même à y regarder de près. Le prion est une protéine et non une cellule, ce n'est donc pas un organisme vivant (ceci se discute mais je le ferai dans le cours). Il ne se reproduit pas mais provoque un dérèglement dans le fonctionnement d'une cellule. Les méthodes de purification sont insuffisantes pour affirmer que l'on n'injecte pas autre chose que la protéine suspecte. Bref, on est arrivé aux limites de la méthode. Il est peut-être bon de revenir aux postulats de Koch (1843-1910), toujours actuels: une maladie est causée par un micro-organisme (ou agent de la maladie) si (postulats résumés à partir de sa publication de 1884 à l'occasion de ses travaux sur la transmission de la maladie du charbon): 1. le micro-organisme est présent dans chaque cas de la maladie, mais absent des organismes sains; 2. le micro-organisme suspect est isolé et cultivé en culture pure; 3. la maladie se développe lorsque le micro-organisme isolé est inoculé à un hôte sain; 4. le même micro-organisme est à nouveau isolé de l'hôte rendu ainsi malade. Il suffit de lire les compte-rendus d'expériences sur les prions pour voir où le bât blesse; si les techniques ne permettent pas d'isoler un agent il faut alors modestement penser que cet agent n'est qu'hypothèse. Le battage médiatique a empêché le débat scientifique. Les articles de La recherche sont, ce me semble, un bon indicateur du débat. Lorsqu'aux cas cliniques se mêlent les statistiques et les intérêts économiques il est prudent de ne plus parler de science.

En fin de compte, la génération spontanée au sens de Louis Pasteur a été définitivement abandonnée mais elle tente de resurgir par des moyens détournés. 

5. Une erreur de plus en plus fréquente: confondre théorie (modèle) et réalité

C'est dans le domaine de la géologie historique que l'on trouve le plus d'erreurs de ce type; un exemple:

La présence de couches rouges de fer oxydée (fait) datées de 2 Ga (interprétation) est expliquée par la libération d'O2 dans l'atmosphère (théorie).

Bordas, livre de TS, p 286:."Un certain nombre d'indices géologiques montrent qu'atmosphère et hydrosphère ne deviennent oxydantes que... vers -2 milliards d'années. Ce n'est que lorsque les substances réductrices présentes dans le milieu ont été oxydées, que du dioxygène libre en excès a pu apparaître".

Il est significatif et grave, il me semble, de présenter la présence de couches rouges de fer oxydé comme des preuves de la validité de la théorie. C'est un raisonnement trompeur. Les interprétations faisant déjà appel à une théorie sont réutilisées comme des preuves d'une autre, voire de la même, théorie. Le raisonnement se mord la queue. Les faits géologiques sont les roches et non la teneur de l'atmosphère primitive en dioxygène qui est pure spéculation.

6. Pour une histoire naturelle

L'exemple précédent met en évidence qu'il existe une réelle distinction entre les sciences expérimentales qui cherchent à comprendre l'organisation du réel actuel et celles qui s'appliquent à reconstituer le passé. Pourquoi ne pas reprendre le terme ancien d'histoire naturelle qui comprendrait à la fois la géologie dans sa dimension historique : l'histoire de la terre et l'évolution ou l'histoire de la vie.

La géologie n'utilise pas vraiment la démarche expérimentale ou du moins pas avec la même dimension du temps. Il est d'usage de parler de modèles. Le géologue de terrain, naturaliste, observateur pour employer un terme cher à certains amis, récolte, mesure, analyse, compare (il utilise alors les sciences expérimentales, notamment la chimie et la physique). Il construit alors un modèle: ce modèle est comparable à l'hypothèse expérimentale des autres sciences mais, comme il s'affine au fur et à mesure des résultats des expériences, il est en fait putôt comparable à la théorie scientifique. La différence vient ensuite des expériences et des observations qui permettent de valider ou non le modèle. Le temps se mesure ici en millions ou en milliards d'années. Un modèle de géodynamique comme celui de la formation d'un marge continentale ne peut être testé par quelques expériences décisives ; il faudra de nombreuses années d'observations contradictoires, de critiques pour discuter de la validité de ce modèle. En fin de compte, l'acceptation du modèle par la communauté scientifique repose plus sur un consensus plus ou moins conscient que sur une démonstration expérimentale. Un modèle qui ne rend plus compte de la réalité (par exemple le modèle géosynclinal) est petit à petit abandonné. Je pense donc que l'on peut affirmer que la géologie est bien une science expérimentale bien qu'elle présente ses hypothèses sous forme de modèles et que la durée des ses observations et de ses expériences est singulièrement allongée par rapport aux autres sciences expérimentales.

Les géologues ont toujours été conscients et n'ont cessé d'enseigner, que toute reconstitution du passé et donc la validité de la plupart de leurs modèles, reposait sur le principe de l'actualisme ou principe des causes actuelles. On peut l'énoncer simplement ainsi: les lois expérimentales actuelles peuvent être extrapolées au passé. La causalité mise en évidence dans une expérience actuelle (qui repose donc sur le réel en acte) reste donc valable par le passé.

Pour ce qui concerne ce que l'on appelait la géologie historique, on observe maintenant un éclatement en plusieurs domaines ayant chacun une dimension historique: la stratigraphie, la paléontologie,... etc. Il n'est donc plus vraiment nécessaire de parler de géologie historique qui appartient désormais à l'histoire des sciences...Je propose dans le cours de "géologie" de TS de parler d'écologie historique comme le proposent de nombreux écologistes...

Par contre, lorsque plusieurs spécialistes des sciences de la vie et de la terre (paléontologues, sédimentologistes, géochimistes, généticiens, embryologistes....) s'associent pour s'efforcer de reconstituer l'histoire de la vie, on pourrait croire qu'il y a vraiment émergence d'une nouvelle science naturelle, pas toujours très expérimentale par ailleurs. L'étude de l'histoire des êtres vivants a d'abord été le propre des paléontologues car la dimension historique d'une science comme l'embryologie ne me paraît pouvoir être comprise que dans le cadre d'une théorie de l'évolution. On en est donc revenu au problème des géologues qui ont du concilier cette dimension historique de leur science. C'est au tour des autres sciences. Il s'agit donc de développer la dimension historique de la génétique, de la biochimie, de l'embryologie, de l'anatomie, de l'écologie... Est-il besoin d'en faire une science à part ? Cela ne me semble pas utile mais je ne suis pas sûr d'avoir réaison. Par contre, il est souhaitable que les géologues insistent pour bien faire accepter aux nouveaux venus dans l'étude de l'histoire naturelle que tous leurs modèles reposent sur le principe de l'actualisme et ne pourront être testés par l'expérience comme des hypothèses classiques.

Il me semble donc préférable que la dimension historique, évolutive, soit étudiée par chaque science expérimentale particulière sans séparer les conclusions obtenues par chacune pour en faire une science de l'évolution. Il n'est pas certain que l'on puisse imaginer un modèle qui soit accepté à la fois par les embryologistes, les paléontologues, les biochimistes...
Je reviens (27/03/99) sur ces lignes et je crois que finalement je vais essayer de me lancer dans quelquechose qui ressemble assez à ce que je croyais impossible, voir inutile... voir dernier chapitre du cours de terminale S...

Accueil
Histoire de science
Cours lycée
Cours général (professeurs des écoles- PE)
Références
Archives
(anciens commentaires d'actualité)
La science ?
Méthode