Les Sciences physiques

Intérêt
L'appellation « Sciences physiques » (autrefois « Sciences naturelles ») désigne aujourd'hui la Physique et la Chimie. Elles se caractérisent par leur méthode qui est de n'accepter que ce qui est mesurable et répliquable par l'expérience, seule à même de vérifier – en la confirmant ou en l'infirmant - une hypothèse.


1. Introduction


Les sciences physiques se développent à partir de l'expérience sensible. Celle-ci n'en est que le prétexte. L'eau est pour le chimiste le prétexte pour établir sa structure moléculaire. De même, la chute d'un objet est un prétexte pour le physicien pour établir un rapport constant, nécessaire et quantitatif entre l'espace, le temps et l'accélération. Ce qui nous démontre que l'expérience sensible est intéressante dans la mesure même où se surajoute un état d'esprit synonyme de perspective sous laquelle le savant envisage les objets perçus. Pour le chimiste, c'est la combinaison des corps, pour le physicien, ce sont les rapports entre les phénomènes matériels. D'autre part, la réalité sensible doit être rendue intelligible et perdre ainsi ses aspects particuliers. Ce qui est fait par l'utilisation de symboles ou de notions (H,O,m, etc.). Enfin, la spécificité des sciences physiques apparaît essentiellement au niveau de leur objet et de leur méthode.

Objet physique et méthode

L'objet physique n'est pas, d'abord, intelligible comme l'objet mathématique. Il n'est pas, en outre, vivant comme l'objet biologique. Il n'est pas également imprégné de conscience comme l'objet des sciences humaines. Par conséquent, l'objet physique est rendu intelligible par l'activité du savant qui dépouille les phénomènes de leurs qualités, ce qui les rend inerte tout en les laissant capables de subir des réactions et des dégradations. L'objet physique est, enfin, neutre en ce qu'il est exempt de valeur.

Quant à la méthode elle se précise en fonction de l'objet. Lorsque le savant fait abstraction des qualités des phénomènes physiques, son but est de le désindividualiser pour le généraliser. Par ailleurs, la considération de quelques cas particuliers est susceptible d'être universalisée. Il peut enfin pratiquer des modifications sans le détruire comme ce peut être le cas pour l'objet biologique ou sans le fausser comme cela peut arriver pour l'objet des sciences humaines.


2. La constitution progressive du concept physique


Le concept physique n'est pas donné immédiatement. Il subit, au cours de l'histoire, une série d'équations successives. Celles-ci ont pour conséquence de le rendre plus rationnel et de le dégager d'attitudes d'esprit qui relèvent de l'animisme, du réalisme ou d'un rationalisme limité. Le concept physique est fonction de l'état de la science. En ce sens, l'objet physique n'est pas réalisé comme l'objet mathématiques, mais ne cesse de se réaliser en fonction des progrès des sciences physiques .

Bachelard a analysé cette « maturation » du concept physique à partir de la notion de masse. Il montre, tout d'abord, que la considération de la masse est entaché d'esprit animiste : ce qui a une masse est à l'origine ce qui apparaît volumineux et pesant. Le concept est ensuite pris dans un réseau empirique où il bénéficie de l'objectivité de l'instrument. Cette perspective est celle du réalisme vulgaire : a une masse ce qui est susceptible d'être pesé. Lui succède une période où l'aspect concret de la réalité dotée d'une masse disparaît au profit d'un ensemble de notions dans lequel la masse est mise en relation avec la force et l'accélération : l'attitude d'esprit est alors rationnelle en ce sens que la masse est définie dans un réseau intelligible de relations. Mais cet état n'est que passager dans la mesure où la mécanique newtonienne accorde à la masse une fonction externe puisqu'elle est en composition avec d'autres notions. Or, la relativité découvre une structure fonctionnelle interne, à savoir que la masse varie en fonction de la vitesse. Mais si la masse est, chez Einstein, fonction de la vitesse, elle est encore positive. Dirac montrera que la masse a un aspect positif et négatif. Par ailleurs, il convient de souligner que les sciences physiques, parallèlement à la constitution du concept physique, se sont différenciées au cours de l'histoire et cette différenciation est allée de pair avec l'apparition et l'emploi de la méthode expérimentale.

En ce qui concerne les Grecs, on notera que leur parti pris contre la science expérimentale les a éloignés de toute véritable physique. Dans la mesure où la science est considérée dans pureté esthétique, seuls les mouvements des astres étaient dignes d'étude. Ce parti pris s'explique aussi par leur distinction entre le monde supra lunaire où tout est ordonné et le monde subhumain dans lequel règne le chaos. Cette croyance au désordre terrestre les empêchait d'examiner les rapports entre les phénomènes naturels.

Il faut attendre le XXVII° siècle pour voir apparaître la méthode expérimentale. Le préjugé anti-expérimental est alors encore très fort. Descartes pratique davantage une physique a priori qu'une physique expérimentale. On se plaît à raconter des expériences, mais on répugne encore à les réaliser. C'est avec Galilée que la méthode expérimentale fait son entrée triomphale dans la science. Mais le parti pris de l'expérience contre l'intelligibilité radicale conduit à des positions contestables comme la position de Bacon affirmant que nous devons entasser les secrets de la nature. Or, le rôle du physicien ne se borne pas à enregistrer mais aussi à interpréter. Enfin, l'étude des rapports entre les phénomènes naturels allaient être suivis avec Lavoisier de l'étude de la combinaison chimique des corps.


3. Le cycle méthodologique


Description du cycle à travers l’exemple du tube de Torricelli


Les fontainiers de Florence remarquent que l'eau ne monte pas lorsqu'elle est une profondeur pratique de dix mètres environ. Pourquoi en est-il ainsi ? Les physiciens affirment que la nature a horreur du vide. Mais s'il en est ainsi, comment expliquer que l'eau ne soit pas aspirée ? Galilée est consulté : il ne sonne pas d'explication valable, mais il émet l'hypothèse que la hauteur limite est inversement proportionnelle à la densité du liquide. Torricelli reprend l'étude avec un liquide plus lourd et pense que si Galilée dit vrai on doit avoir le rapport suivant : la densité de l'eau est à la densité du mercure hg ce que la hauteur du mercure est à la hauteur de l'eau. Torricelli invente une hypothèse et imagine la solution : il pense que l'air exerce une pression. Il s'agit alors de savoir si cette hypothèse va être confirmée ou infirmée. C'est la phase de la vérification. Le beau-frère de Pascal, Périer, au Puy de Dôme, remarque qu'au plus bas endroit de la ville la hauteur de hg est de 71,2 cm et au sommet du Puy de Dôme cette hauteur n'est plus que de 62,7 cm. Ce qui confirme l'existence d'une pression atmosphérique.

Cet exemple permet de remarquer que le cycle méthodologique se compose de trois phases : Une première observation qui met en évidence un problème ; une hypothèse qui donne une explication momentanée ; une expérimentation qui confirme – ou non – l'hypothèse ;

L’observation : le point de départ est le fait. Mais ce dernier est déjà construit et élaboré par l’observation. Il a perdu sa qualité de fait brut pour pour passer au rang de fait explicable (Cf. le fait scientifique)

L’hypothèse : Le rôle de l’hypothèse consiste à donner une explication anticipée de manière à rendre intelligible le fait observé. Elle se formule sous le forme d’une loi. L’hypothèse représente la loi tant que l’explication n’est pas encore considérée comme vérifiée. Claude Bernard montre qu’elle a, d’abord, un rôle pratique en ce sens qu’elle conduit le savant à l’expérimentation au cours de laquelle elle trouve sa confirmation ou non. Il faut bien remarquer que l’hypothèse, dans le cycle méthodologique, a un rôle provisoire. Elle doit subir l’épreuve de l’expérimentation pour être acceptée ou rejetée. Il convient de ne pas confondre l’hypothèse dans les sciences expérimentales et l’hypothèse en mathématiques. Dans ces dernières, l’hypothèse est un principe posé au point de départ qui permet le raisonnement déductif. L’hypothèse dans les sciences expérimentales a pour but de rendre intelligible le problème posé au niveau de l’observation. Cette intelligibilité est ratifiée - ou non - par l’expérimentation.

L’expérimentation : elle consiste à contrôler par les faits la valeur de l’idée émise au second moment du cycle méthodologique. Il convient de remarquer que l’hypothèse ou idée anticipée qui est l’explication générale doit être vérifiée par des faits singuliers. Cependant l’expérimentation n’est pas uniforme dans toutes les sciences physiques : sa forme dépend de la capacité où se trouve l’observant d’agir ou non sur les phénomènes. En astronomie, par exemple, l’expérimentation comme vérification d’une loi est remplacée par une observation dirigée (par exemple, la découverte de Neptune par Le Verrier 1811-1877). Mais l’expérimentation véritable est celle qui se réalise dans les conditions du laboratoire. Le savant peut régler les conditions de l’expérimentation en provoquant les circonstances les plus favorables. Dans ce cas, l’expérimentation permet de répéter le fait choisi (pour vérifier la pression de l’air, on peut utiliser des liquides différents). Elle permet aussi de changer les conditions (pour examiner les effets de la résistance de l’air, on peut étudier la chute d’un corps dans le vide ou en air libre). Elle permet, en outre, de transformer les conditions (pour étudier les lois de la chute des corps, Galilée s’est servi d’un plan incliné et n’a pas tenu compte de la chute verticale). Elle permet, enfin, d’analyser le phénomène, c’est-à-dire d’établir un choix parmi les aspects qui intéressent l’expérimentation (pour vérifier les lois de la chute des corps, il faut négliger les effets possibles du vent ou encore le pouvoir hydrométrique de l’air).

L’induction

Par l'induction l'esprit dépasse les données sensibles et affirme des lois universelles. L'étude historique de la démarche inductive nous montre une évolution depuis le respect du fait jusqu'à l'intervention active du sujet. Avec Stuart Mill (1806-1873), la méthode inductive consiste à fournir la preuve d'un phénomène en montrant sans antécédent constant. Ainsi dans la méthode des variations concomitantes, on remarque que toute chose restant égale, si l'antécédent constant varie, le phénomène varie : par exemple, si la hauteur de la colonne d'air varie, la colonne de mercure varie elle aussi. Cette méthode suivie par Stuart Mill ne saurait être acceptée car elle suppose des conditions pratiquement impossibles. Comment peut-on isoler un élément ? Peut-on dire qu'un phénomène est causé par un antécédent ? N'y en a-t-il pas plusieurs ? Au lieu de rechercher l'antécédent, ne faut-il pas plutôt codifier les résultats sous la forme d'une loi qui universalise les rapports ? L'induction selon Stuart Mill semble se réduire à un mécanisme devant lequel le servant est passif. Aussi reproche-t-on à Stuart Mill de ne pas mettre en valeur l'activité de l'esprit.

Claude Bernard (1813-1878), tout en respectant les enseignements de l'expérience sensible insiste sur le second moment de la recherche expérimentale au cours duquel le savant établit une ou plusieurs hypothèses, c'est-à-dire des idées anticipées. C'est un passage du fait observé à l'idée anticipée qui frappe la démarche inductive d'un caractère particulier. A ce niveau, le sujet n'est plus passif. Il intervient en assimilant le réel à ses structures mentales.

Le fondement de l’induction pose problème. Il convient de préciser les limites du problème. Laissons de côté l’induction complète telle que la définit Aristote dans les Premiers Analytiques : « Elle va d’un certain nombre de données prises une à une à une conclusion totale. »Mais nous nous attacherons à l’induction amplifiante ou comme le dit Lalande (1732-1807) : « La somme des données énumérées est elle-même moins générale que la formule (la loi). » Cette induction accroît la qualité du jugement du fait qu’on passe du particulier à l’universel et, ensuite, elle change la modalité du fait qu’on passe du contingent au nécessaire. Le problème consiste à se poser la question : comment le savant passe-t-il de quelques-uns (particulier) à tous (général), c’est-à-dire comment lui est-il permis, à partir d’observations limitées, à passer à une loi universelle ? Comment ce passage est-il valable du point de vue logique ? N’y a-t-il pas un paralogisme ? En fin de compte, cela revient à se demander comment l’expérience de quelques cas particuliers constituent la preuve d’une hypothèse qui est universelle. Cette difficulté a conduit les épistémologues à fonder l’induction soit sur le principe de causalité, soit sur le principe du déterminisme selon que l’intention du savant est de préciser les causes ou bien les lois.




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Droits d'auteur © Sophie LAUZON


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