Qu'est-ce qu'une théorie ?

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Qu’est-ce qu’une théorie ?

I. INTRODUCTION
II. LA MÉTHODE SCIENTIFIQUE
III. QU'EST QU'UNE THÉORIE ?
IV. LE CAS DE LA VULGARISATION
V. LES EXPÉRIENCES DE PENSÉE
VI. LE STATUT DES MATHÉMATIQUES EN PHYSIQUE
VII. TYPES DE THÉORIES ET EXEMPLES
VII.1. CAS DES THÉORIES VALIDÉES
VII.2. CAS DES THÉORIES « UNIFIÉES »
VII.3. CAS DES MODÈLES
VII.4. CAS DES THÉORIES SPÉCULATIVES
VIII. MAUVAISES THÉORIES
IX. RÉFÉRENCES

I. Introduction

Futura Science est régit par une charte [1]. Le point 6 de la charte, en particulier, a des conséquences importantes : les théories personnelles ne sont pas autorisées et on est prié de suivre des raisonnements scientifiques.

Mais qu’est-ce que cela signifie exactement ? Pour le profane, la signification de « raisonnement scientifique » ne va pas nécessairement de soi. Il peut même en avoir une idée très déformée.

Une théorie personnelle est une théorie qui n’est pas reconnue par la communauté scientifique et qui n’est donc pas publiée dans une des grandes revues scientifiques (comme par exemple Physical Review) où les articles passent par un comité de relecture, composé de scientifiques expert du domaine concerné, avant d’être acceptés.

Lorsque l’on tient des propos qui sont contestés par les autres participants, ou qui s’écartent manifestement de ce qui est largement connu, il est toujours de bon ton d’indiquer les références d’où proviennent les affirmations que l’on tient.

Mais en dehors de cela, il reste la question : qu’est-ce qu’un raisonnement scientifique ? Plus généralement, on voit souvent défiler des « théories » qui en réalité n’en ont que le nom. Elles peuvent même être qualifiées de farfelues ou, comme on dit souvent, de « pataphysique ». Chacun, auteur de ces « théories » est persuadé que ce qu’il a écrit est valable et constitue bien une théorie scientifique. Il est même parfois très difficile de faire comprendre pourquoi ce n’est pas le cas.

Posons-nous alors la question : qu’est-ce qu’une théorie scientifique ?
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II. La méthode scientifique

Les théories, en particulier, et la science en général, suivent ce qui est communément appelé la Méthode Scientifique [2]. C’est un ensemble de règles que suivent les scientifiques et les théories qu’ils établissent.

Nous renvoyons à la référence [2] pour plus de détails, et nous ne donnerons ici que les grandes lignes en nous concentrant sur l’usage en physique ou en astrophysique.

Voici les étapes principales de l’élaboration d’une théorie scientifique.

• On part d’observations et d’expériences. Ces observations se font avec des instruments de mesure précis et les expériences suivent également des règles et des protocoles rigoureux, garantissant la qualité, la fiabilité et la précision.
  
  Dans la suite de cet article, nous parlerons d’expériences dans un sens large, y incluant les pures observations tel que l’on peut en faire en astronomie, par exemple.
  
  Notons qu’on parle bien ici d’expériences réelles. Des expériences vraiment réalisées et non pas d’expériences de pensée (nous y reviendrons) ou imaginaires ou même proposées (mais non réalisées). Des expériences impliquant des mesures réelles et donc des valeurs mesurées et enregistrées.
• On construit ensuite un modèle théorique basé sur ces résultats. On ne part jamais de rien. La physique a pour but d’expliquer le monde qui nous entoure et ne se base donc pas sur de simples idées sans fondement expérimental. Les théories s’appliquent à des systèmes physiques réels, pas à des idéaux.
  
  Plusieurs méthodes existent pour réaliser cette construction. Citons :
  • La déduction. Qui consiste à partir des résultats connus et à effectuer des raisonnements rigoureux qui de proche en proche, en utilisant les règles de la logique formelle, aboutissent à une description théorique.
  • L’induction. La déduction, idéale, n’est pas toujours suffisante ou abordable. On peut alors bâtir des hypothèses plausibles, inspirées des données expérimentales, construire la théorie à partir de ces hypothèses et vérifier que les données déjà connues sont en accord avec la théorie ainsi élaborée.
  
  Le cheminement théorique, et les raisonnements qui le permettent, peuvent être extrêmement complexe, parfois mystérieux, et nous ne tenterons pas d’en décrypter ici tous les rouages.
• La théorie peut alors être utilisée pour modéliser divers phénomènes, afin d’en tirer diverses prédictions. C’est-à-dire les valeurs que doivent prendre les diverses grandeurs mesurables dans telles ou telles circonstances.
• Enfin, vient la phase des vérifications expérimentales. Cela consiste à réaliser des expériences réelles mettant en scène les scénarios étudiés par les prédictions théoriques afin de les vérifier.
  
  Lorsque l’on a fait un certain nombre d’hypothèses, l’idéal est aussi de réaliser des expériences afin de valider ces hypothèses. Il est rare que cela puisse se faire directement. On doit alors mener un ensemble d’expériences dont l’ensemble des résultats ne peut s’expliquer que si l’hypothèse est correcte. Il s’agit alors plus d’un jeu de « éliminons toutes les autres possibilités » que de « vérifions directement l’hypothèse ».

Ce schéma est assez simplifié. Il est fréquent que l’élaboration théorique passer par une série d’aller-retour parmi ces étapes, la théorie s’améliorant et s’affinant au fur et à mesure que les expériences nous en apprennent plus. Il est tout aussi fréquent d’avoir des théories anciennes expliquant déjà les phénomènes concernés par le domaine étudié. Les expériences à l’origine de la nouvelle théorie consistent alors en des phénomènes nouveaux, inexpliqués, ou des résultats connus mais plus précis et s’écartant des prédictions des anciennes théories.

Il est en effet remarquable de constater que la plupart des avancées théoriques dans l’histoire résultent d’une amélioration technique conduisant à une meilleure précision des mesures. Cela montre à quel point les expériences sont vraiment à l’origine de l’élaboration des théories et à quel point la méthode scientifique est bien fondée. Elle s’appelle d’ailleurs souvent Méthode Expérimentale.

Les différentes variantes dans la manière de considérer une théorie seront plus claires après les exemples qui suivront.

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III. Qu'est qu'une théorie ?

Voyons d’un peu plus près l’étape « élaboration de la théorie ». Le moment est venu de répondre à la question « qu’est-ce qu’une théorie ? »

• Tout d’abord, une théorie s’applique à un domaine particulier, un phénomène ou même un système particulier. Par exemple, le domaine peut être tout ce qui concerne « l’électricité et le magnétisme » ou « la chaleur ». Le phénomène peut être « la supraconductivité » [11] ou « l’évaporation ». Le système peut être « le Soleil » ou « l’électron ».
• Ensuite, on a un ensemble de grandeurs. C’est-à-dire des variables (des quantités dont la valeur peut varier selon les circonstances). Ces variables sont liées à la mesure, c’est-à-dire aux valeurs que peuvent indiquer les instruments de mesure dans telle ou telle circonstance. Ce peut être « la température d’un bloc de marbre », « le poids d’un sac de pommes-de-terre », « la vitesse de la nouvelle voiture de mon voisin ».
• On étudie ensuite comment toutes ces variables varient dans de nombreuses situations qui doivent être décrites avec précision. On recherche les relations entre ces différentes variables et les circonstances dans lesquelles elles prennent telle ou telle valeur.
  
  Idéalement ces relations se traduisent par des graphiques ou mieux encore par des équations comme, « la distance parcourue par la voiture de mon voisin égale sa vitesse fois le temps qu’il a roulé ».
• Ces relations sont seulement constatées dans certaines circonstances.
  
  Mais l’accumulation des données, la réflexion, parfois le bon sens ou l’intuition, vont nous permettre de poser certaines de ces relations comme postulats. Ces postulats sont des « vérités établies »… au moins pendant un certain temps (jusqu’à ce que l’expérience montre le contraire, ce qu’on cherchera toujours à faire).
  
  Par exemple, un grand nombre d’expériences menées au dix-neuvième siècle on aboutit à la conclusion : « la vitesse de la lumière dans le vide ne dépend pas de la vitesse de la source ou de l’état de mouvement du dispositif mesurant cette vitesse » . D’autres expériences ont abouti au constat que « les galaxies lointaines s’éloignent de nous avec une vitesse proportionnelle à leur distance » (loi de Hubble). Ou encore « lorsqu’un rayon lumineux se reflète sur une surface plane, l’angle de réflexion est identique à l’angle d’incidence » (loi de Snell-Descartes »). Ces lois sont alors posées comme postulat, parfois appelés aussi axiomes ou principes.
  Notons par exemple que les lois de Snell-Descartes sont restées des postulats imposés par l'expérience tant que Maxwell n'avait pas fondé l'électromagnétisme, lequel permet de les retrouver au sein d'une théorie plus vaste.
• Une fois les grandeurs traduites en objets mathématiques et les relations en équations, on peut élaborer la théorie. C’est un travail essentiellement mathématique et qui peut être ardu et extrêmement sophistiqué.
• Enfin, on peut se servir des équations de la théorie pour prédire la valeur que prennent les variables dans telles ou telles circonstances. Par exemple « si je dispose mes miroirs et mes lentilles de telle manière, je dois voir une image agrandie deux fois de l’objet que le place à tel endroit ».

Notons que la plupart des théories sont des améliorations des anciennes théories. Une tâche essentielle est alors de vérifier que la nouvelle théorie redonne bien les anciennes si l’on effectue les approximations nécessaires. C’est-à-dire les approximations permettant d’ignorer les écarts expérimentaux aux prédictions théoriques anciennes ayant conduit au besoin d’une nouvelle théorie.

Un exemple typique est de retrouver les lois de la mécanique de Newton [5] à partir de la relativité restreinte [6] dans la limite des vitesses très petites devant celle de la lumière.

Notons aussi que l’on ne doit pas se limiter aux données expérimentales nouvelles ayant conduit à l’élaboration de la nouvelle théorie ni aux données issues des expériences réalisées pour la confirmer. La théorie doit être à même d’expliquer toutes les données expérimentales connues entrant dans son champ d’application. Cela peut constituer une quantité de données expérimentales absolument astronomique mais heureusement, le travail précédent (retrouver les anciennes théories) réalise l’essentiel de ce travail puisque ces anciennes théories étaient déjà sensées expliquer ces résultats. Mais il faut à tout le moins se poser la question, en particulier si certains résultats déjà connus ne répondaient pas aux théories connues mais étaient restés en « sommeil » faute des informations appropriées permettant l’élaboration d’une nouvelle théorie.

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IV. Le cas de la vulgarisation

La vulgarisation est une présentation scientifique, généralement fort simplifiée et très visuelle, destinée au profane, au curieux et plus généralement au grand public. C’est typiquement le genre de présentation que vous pouvez trouver dans des documentaires et certains magazines grand public.

Pour expliquer des sujets parfois très difficiles et très pointus, la vulgarisation utilise beaucoup d’images, d’analogies. Elle veille aussi, si possible, à utiliser des termes connus du public cible même s’il n’est pas spécialiste du domaine considéré. Et lorsque certains termes (ou expressions) ont une signification bien différente en physique et dans le langage courant, il convient de bien expliquer la signification. Des exemples de termes « mystérieux » pourraient être « homotopie, tenseur, erreur à 5 sigmas, … », parmi les termes dont la signification littérale pourrait être mal comprise, notons par exemple « trou noir, corps noir, matière noire, champ, horizon, etc. »

La vulgarisation (ou une « théorie vulgarisée ») n’est pas une théorie. Il ne faut surtout pas commettre cette erreur. La vulgarisation est une présentation simplifiée (et même souvent quelque peu déformée) de théories existant par ailleurs mais n’est pas de la théorie en soi.

Pour être qualifiée de théorie au sens propre, il lui manque beaucoup de chose :

• Les aspects quantitatifs (chiffrés, les données numériques tant expérimentales que théoriques).
• La rigueur, et surtout la rigueur mathématique.
• Parfois la signification précise de certains termes, soit parce que l’auteur les considère comme connu ou compris (parfois à tort), soit parce que donner leur signification exacte est pratiquement impossible (le « spin » est par exemple une grandeur très difficile à décrire de manière exacte sans utiliser un formalisme mathématique ; elle se rencontre en mécanique quantique [8]).

Il faut aussi le dire : dans le domaine de la physique et de l’astrophysique, on rencontre énormément de mauvaise vulgarisation. Mauvaise pour diverses raisons : manque de précautions (pour avertir de certaines limites des explications), manque de clarté ou manque d’explications (de certains termes par exemple) ou même des explications trompeuses ou très mal données. Souvent ces défauts résultent de la durée : quand on fait un documentaire d’une demi-heure, on évite les explications qui durent une heure ! Elles peuvent aussi résulter du souhait de l’éditeur d’en donner une présentation plus spectaculaire attirant plus le grand public, quitte à exagérer certains points et à en négliger d’autres d’apparence anodine mais cruciaux pour la théorie.

On trouve malgré tout de jolies perles de ci de là, de la très bonne vulgarisation. Certains auteurs sont ainsi de véritables petits génies de la pédagogie mais aussi de la vulgarisation. Je ne retiendrai à ce titre que Feynman et Rovelli mais il y en a bien d’autres. D’autres bien connus s’avèrent de piètres vulgarisateurs malgré leurs énormes compétences scientifiques, je ne les citerai pas, ne voulant pas faire ici du dénigrement.

La vulgarisation a un double avantage :

• Elle permet au grand public d’accéder à des domaines et informations habituellement réservés aux spécialistes. Elle leur permet de « comprendre ce que fait la science ».
• Elle permet d’apporter une certaine compréhension, limitée, de théories ou de phénomènes physiques parfois extrêmement exotiques (comme les trous noirs, les atomes,…)

Mais elle a aussi un défaut majeur :

• Elle donne parfois l’impression de tout comprendre d’une théorie (le lecteur ne voit que la partie qu’il a comprise et ignore l’existence de la partie cachée de l’iceberg). Et pire encore, elle donne parfois l’impression de maîtriser le sujet et d’être capable d’y tenir ses propres raisonnements. Rien n’est plus faux.

Raisonner « avec de la vulgarisation », c’est-à-dire tenir un raisonnement rédigé de la même manière que de la vulgarisation, est une erreur. Non seulement c’est une erreur, mais en plus, si on ne connait que la vulgarisation, on ne dispose même pas des connaissances nécessaires pour constater que l’on commet là une erreur !

Insistons une dernière fois : la vulgarisation est une traduction incomplète et imparfaite des théories, elle a un but pédagogique, informatif, voire ludique et absolument rien d’autre. Faire de la vulgarisation n’est pas faire de la science !

[A voir en vidéo sur Futura]

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V. Les expériences de pensée

Les expériences de pensée [12] ont un grand succès auprès des amateurs tant par leur caractère généralement facile à comprendre que par le fait qu’elles permettent de « parler d’expériences en restant assis dans son fauteuil ».

Mais insistons d’emblée : les expériences de pensée ne sont pas des expériences réelles. Même si certaines expériences de pensée ont été traduites en expériences réelles (souvent bien plus complexe même dans leur principe, de nombreux impératifs pratiques devant être pris en compte). L’expérience de pensée est alors la prédiction théorique et l’expérience réelle sa confirmation.

Une expérience de pensée est une « mise en image » de la théorie. C’est une présentation graphique ou un scénario, qui applique et traduit les équations. L’expérience de pensée n’apporte absolument rien de plus que d’écrire les équations dans un langage purement mathématique.

Et l’expérience de pensée des ascenseurs d’Einstein ? Ne précède-t-elle pas la relativité générale ? [7] Oui, mais à nouveau, cette expérience n’est qu’une image de quelque chose qui existait déjà : le principe d’équivalence. Elle n’avait pas pour but d’inventer celui-ci. L'expérience de pensée avait ici pour but de présenter et vulgariser une des bases dont Einstein est parti pour construire sa relativité générale [7], cette-fois, avec des mathématiques (et même assez complexes : le calcul tensoriel).

Croire que l’on peut inventer ou réfuter une théorie à l’aide d’expériences de pensées est une erreur. L’expérience de pensée n’est jamais qu’une traduction de la théorie, de ses équations, c’est une autre manière d’écrire les équations et elle ne saurait donc pas être en désaccord avec la théorie : elles sont la théorie. Seules les expériences réelles peuvent mettre en évidence un phénomène inconnu ou réfuter une prédiction théorique.

Un très bon exemple de cette approche fautive est donné par Einstein lui-même ! Dans sa célèbre expérience de pensée dite EPR (Einstein, Podolsky, Rosen), Einstein pensait avoir réfuté la mécanique quantique ou, plutôt, prouvé qu'elle n'était qu'une approximation d'une théorie plus complète, encore à trouver. Mais son raisonnement était fautif (bien que la faille n'était pas flagrante, sinon elle aurait été signalée dès l'époque). Les travaux de Bell puis les résultats de nombreuses expériences (dont on pointera en particulier celle d'Alain Aspect qui a pu prendre en compte l'aspect relativiste de l'objection et celles du groupe Zeilinger qui ont levé les dernières "failles possibles") ont montré que "la mécanique quantique avait raison" contre Einstein. Ceci dit, se poser ces questions n'aura pas été inutile. Mais c'est une excellente illustration qui montre, pour paraphraser la charte, qu'aucune idée géniale soit-elle ne peut se passer de l'expérimentation, même si on s'appelle Einstein.

Les expériences de pensée ont avant tout un but pédagogique, pour celui étudiant une théorie, parfois même en vulgarisation. Ces expériences de pensée peuvent éventuellement être assez élaborée et elles peuvent faciliter le raisonnement pour le spécialiste : il est plus facile de visualiser un graphique qu’une équation abstraite ! Mais on ne peut se passer des équations (d’abord parce que tout ne peut pas se traduire en image mais aussi pour des raisons de rigueur).

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VI. Le statut des mathématiques en physique

La physique est une science quantitative. Elle traite des grandeurs physiques et de leurs comportements. Et ces grandeurs prennent des valeurs numériques bien précises. Nous l’avons vu plus haut, les relations entre grandeurs se traduisent mathématiquement.

Les mathématiques sont alors le langage idéal pour représenter les grandeurs et leurs relations. Ce n’est rien de plus, même si cela peu prendre une forme extrêmement sophistiquée. Les mathématiques sont idéales car elles offrent bien des objets mathématiques avec diverses structures et propriétés pouvant correspondre à ce qui est recherché.

Mais insistons sur un point important : les mathématiques ne sont pas la physique. Si on trouve inévitablement des mathématiques en physique, il faut impérativement ajouter les grandeurs physiques, les moyens de les mesurer, les expériences réelles et, bien entendu, comment tout cela s’articule avec les mathématiques. La physique est une science expérimentale et les mathématiques sont son langage maternel. Pas l’inverse !

Une autre remarque très importante est la définition des termes. Celle-ci peut être très différente en mathématiques et en physique, il faut donc être prudent lorsque l'on voit un terme et toujours bien réfléchir à sa signification exacte. Voici quelques exemples de termes, très employés, ayant une signification considérablement différente en physique et en mathématiques : théorie, modèle, espace, champ, etc. La liste est très loin d'être exhaustive. Cette polysémie des mots est malheureusement fréquente, même au sein de la physique. Savez-vous par exemple que le simple mot métal peut avoir une grande différence de sens entre un chimiste et un astrophysicien. Cela ne simplifie pas les choses et on doit bien faire avec, la langue française (ou de n'importe quel pays) a ses limites. C'est d'ailleurs aussi là que l'intérêt de la rigueur mathématique prend tout son sens.

Nous utiliserons ici, bien entendu, les significations communément admises en physique.

Bien entendu, les mathématiques sont aussi un gage de rigueur. Pour toutes ces raisons, les mathématiques sont absolument incontournables. Mais s’il-vous-plaît, ne confondez pas mathématiques et physique !

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VII. Types de théories et exemples
VII.1. Cas des théories validées

Précisons d’abord que : une théorie n’est jamais prouvée/démontrée. Rappelons-le, ce n’est pas que des mathématiques. Les théorèmes mathématiques utilisés sont démontrés mais tout théorème se base sur des hypothèses et en physique pour qu’une théorie soit valide il faut que la partie mathématique soit démontrée ET que les hypothèses (postulats) correctes.

Par contre, l’expérience permet de réfuter une théorie. C’est-à-dire de montrer qu’une prédiction de la théorie ne se produit pas comme on le pensait. La différence pouvant être qualitative (comportement imprévu, différent ou inconnu) ou quantitative (valeurs mesurées s’écartant des valeurs calculées). L’expérimentation, sa qualité et la chasse aux erreurs expérimentales accidentelles ou systématiques est un art et un métier en soi. Tous les théoriciens ne sont pas de bons expérimentateurs mais ils doivent connaitre les expériences qui se font ou qui ont été faites et il est toujours bon d’avoir mis la main à la pâte. C’est la pratique qui permet de vraiment savoir comment cela se passe. Le dicton « c’est en forgeant qu’on devient forgeron » trouve là sa place. On peut être un bon mathématicien, mais si on en sait pas à quoi servent les appareils de mesure, il vaut mieux éviter la physique.

Les expériences permettent aussi de valider une théorie, en montrant l’inverse de ci-dessus : c’est-à-dire que les résultats sont conformes aux prédictions théoriques et ce dans toutes les situations et configurations imaginables (ou simplement accessibles à l’expérience). Plus il y a d’expériences et plus la confiance sera grande en la théorie.

Lorsque des réfutations sont constatées, cela ne signifie pas nécessairement que la théorie est bonne pour la poubelle. Ces résultats permettent de limiter le domaine de validité de la théorie (domaine où la théorie donne des résultats corrects à une certaine précision près). Ce domaine de validité peut donc être théorique (la théorie par construction ne peut s’appliquer à tout, un Modèle du Soleil ne peut s’appliquer à la Lune) mais aussi expérimental.

Ce n’est que si le domaine de validité s’annule ou du moins devient plus petit que celui des anciennes théories qu’on peut prendre l’ensemble de la théorie et la jeter au bac. Ce n’est pas si rare en histoire des sciences, même si c’est peu connu du grand public car les théories rejetées sont souvent vites oubliées. C’est peut-être dommage. En tout cas, il faut toujours être prêt à abandonner le bébé si chèrement couvé : les expériences sont des juges impartiaux mais aussi implacables et sans cœur !

La découverte des limites expérimentales du domaine de validité est importante car c’est le terreau pour la naissance des prochaines théories, rappelez-vous, c’est la première étape de la Méthode Scientifique. La physique est ses théories sont donc en évolution et amélioration perpétuelles.

Donnons quelques exemples de théories bien validées (il y a eut des milliers d’expériences, et même des millions si l’on tient compte des applications développées à l’aide de ces théories). La liste n’est pas exhaustive, elle est même beaucoup plus longue (à l’image de la richesse et la complexité du monde qui nous entoure) :

• Thermodynamique [3]
• Physique statistique [4]
• Mécanique newtonienne [5]
• Relativité restreinte [6]
• Relativité générale [7]
• Mécanique quantique [8]
• Théorie quantique des champs [9] (elle-même se décline en plusieurs théories).
• Electromagnétisme [10].

Donnons un exemple de domaine théorique : la relativité restreinte [6] est construite sur base des repères galiléens (c’est-à-dire pour des systèmes de référence dont le point de référence se déplace à vitesse constante et uniforme) et en l’absence de la gravitation (c’est-à-dire que les effets de la gravité peuvent être ignorés ou assimilés à une force classique, newtonienne).

Par construction, la théorie ne peut s’appliquer à décrire la nature physique de la lumière (description que l’on trouvera en électromagnétisme [10] et en théorie quantique des champs [9] (*)) ou les effets relativistes de la gravité. Simplement parce que ce n’est pas prévu dans la théorie.

(*) Notons toutefois que l’électromagnétisme [10] et la théorie quantique des champs [9] incluent eux-mêmes la relativité restreinte [6] ! On dit que ce sont des théories relativistes.

Donnons un exemple de domaine expérimental : la mécanique newtonienne [5] s’applique, en principe, à des objets se déplaçant à une vitesse quelconque. Mais l’expérience a montré que pour des vitesses proches de la vitesse de la lumière, on constate des écarts qui ne peuvent s’expliquer que par la relativité restreinte [6].

Mais tout cela n’invalide pas ces théories. Elles restent valides dans leur domaine de validité. Et si l’on se limite parfois volontairement, c’est-à-dire si on garde les anciennes théories ayant un domaine de validité plus restreint, c’est par facilité : ces théories sont souvent beaucoup plus simples. Pour calculer la trajectoire d’un boulet de canon, c’est facile avec la mécanique newtonienne [5], mais c’est un travail ardu en relativité générale [7]. Alors que dans des conditions normales (disons sur Terre pour des vitesses faibles), les résultats sont identiques (ou du moins trop proches pour pouvoir être distingués expérimentalement). Dans d’autres cas, on n’a pas le choix (par exemple, les horloges des satellites GPS sont tellement précises que les effets de la relativité générale [7] sont pris en compte (*)).

(*) Précisons bien qu'ils sont pris en compte de manière native dans les horloges mais qu'on aurait pu s'en passer. Le GPS effectue divers processus de synchronisation pour prendre en compte et corriger divers effets parfois plus importants que l'effet de la relativité générale. C'est juste une facilité d'avoir pu inclure directement une des corrections (absolument !) nécessaires et cela fait du GPS un excellent outil pour mesurer les effets de la relativité générale dans l'environnement terrestre.

[Deedee81]

VII.2. cas des théories « unifiées »

Il est fréquent d’avoir plusieurs théories existantes, bien validées dans un certain domaine, mais incompatibles. Il peut alors être souhaitable d’élaborer une théorie unique recouvrant ces anciennes théories. Le nouveau domaine de validité est même souvent plus grand que la somme des domaines de validité d’origine.

On parle alors d’unification (même si ce terme est souvent réservé seulement à certaines formes d’unifications théoriques, nous n’entrerons pas ici dans ce détail).

L’unification consiste à trouver un formalisme mathématique unique et à vérifier que dans les limites appropriées (liées aux domaines de validité) on retrouve bien les anciennes théories. C’est rarement une tâche facile !

Donnons trois exemples.

• En électromagnétisme [10], Maxwell a unifié les théories / lois physiques de l’époque sur l’électricité et le magnétisme. Pour ce faire, il a introduit le concept de « champ » (ou plutôt, il a repris l’idée de Faraday qu’il a même remercié en lui envoyant personnellement un exemplaire de son livre sur l’électromagnétisme) et a dû rajouter un concept qui manquait : la notion de « courant de déplacement ».
  
  Il a ainsi pu obtenir un ensemble d’équations élégantes (surtout après remaniement par Heaviside), appelées, sans surprise, équations de Maxwell.
  
  Peu de temps après, la nature électromagnétique de la lumière était confirmée (certains aspects étaient déjà connus, comme les « effets électriques » de la lumière) ainsi que l’existence des ondes électromagnétiques, prédiction de sa théorie. Cette confirmation des ondes électromagnétiques (les ondes radios en fait) fut faite par Hertz qui affirma que… cela n’aurait jamais d’applications pratiques. On peut être un grand scientifique et un très mauvais visionnaire !
• Lorsqu’Einstein eut élaboré sa théorie de la relativité restreinte [6], il s’appliqua à adapter les théories connues pour qu’elles soient compatibles avec la relativité. Si cela fut sans difficulté dans la plupart des cas, il rencontra un problème avec la gravité. Pour des raisons que nous n’approfondirons pas ici, la gravité et la relativité restreinte étaient profondément incompatibles.
  
  Einstein s’attacha alors à trouver une formulation relativiste de la gravité, ce qu’il trouva (unifiant ainsi la relativité et la théorie de la gravitation) sous la forme de la relativité générale [7].
• La théorie quantique des champs [9] a permit l’élaboration de nombreux modèles théoriques pour divers phénomènes, dont l’électromagnétisme [10]. On peut ainsi parler d’unification de la mécanique quantique [9] et de l’électromagnétisme [10].
  
  La théorie a aussi permit une description (partiellement) unifiée des l’ensemble des interactions physiques (sauf la gravité).

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VII.3. Cas des modèles

Une distinction est à faire entre « théorie » et « modèle ». Même si la distinction n’est pas toujours parfaitement nette et l’usage des mots « modèles » et « théories » parfois un peu souple. Il n’y a pas vraiment de terminologie « officielle ».

• Une Théorie : c’est une description générale. Elle ne s’applique pas à un système particulier mais à un ensemble possible très large de systèmes. Elle possède peu de paramètres libres (c’est-à-dire de grandeurs constantes inconnues a priori, non calculées mais dont la valeur est fixée par l’expérience) et part d’un ensemble aussi restreint que possible de postulats.
• Un Modèle est une description d’un système particulier (ou au mieux une classe restreinte de systèmes), ce système pouvant être extrêmement complexe ou très grand. Le modèle est avant tout une description de ce système, il utilise les théories proprement dite dans la description du fonctionnement du système et un modèle possède de très nombreux paramètres libres qu’on ajuste aux données expérimentales pour avoir un modèle le plus conforme au système observé.

Les modèles prennent même parfois la forme d’un ensemble d’équations et d’algorithmes prévus explicitement pour un traitement numérique sur ordinateur. Alors que les théories ne sont mise sur ordinateur que lorsque les équations sont impossibles à résoudre « à la main ».

Donnons quelques exemples.

• Un exemple simple est un modèle décrivant le fonctionnement du Soleil.
  
  Ce type de modèle utilisera la physique nucléaire, la thermodynamique, etc.
  Il sera généralement conçu pour être simulé sur ordinateur et contiendra de nombreux paramètres libres (température du cœur, pression, composition chimique,…) ajustés en fonction de la confrontation du modèle aux observations.
• Un exemple très important est le Modèle Standard de la physique des particules [13].
  
  Il est qualifié de « standard » car il constitue l’état de l’art dans ce domaine et il fait consensus dans la communauté scientifique.
  
  Le système est ici « l’ensemble des particules élémentaires » (électrons, photons, etc.)
  Il utilise la théorie quantique des champs [9] comme outil théorique pour décrire ces particules, leurs propriétés, leurs comportements.
• Un autre exemple important est le Modèle Standard de la cosmologie [14].
  
  Le système décrit est ici l’Univers, dans sa globalité, avec ses composants au moins jusqu’à un certain niveau de détail (s’arrêtant grosso modo à la « galaxie » vu comme un objet élémentaire ou presque).
  
  Ce modèle utilise à peu près toutes les théories physiques connues et validées. Il possède de très nombreux paramètres libres ajustés sur l’observation des galaxies et de tout ce qui se passe dans l’univers. C’est un modèle très riche à l’image de l’univers qui est lui-même très complexe.
  
  Ce modèle est parfois appelé « théorie du big bang » (littéralement, « le grand boum »). C’est un nom fort inapproprié pour deux raisons qui trompent parfois le profane :
  • Ce n’est pas une théorie mais bien un modèle.
  • L’évolution de l’univers n’est pas une explosion mais une expansion à partir d’un état dense et chaud. Notons que le modèle ne décrit pas la « naissance », l’origine, dont nous ignorons à peu près tout.
  Big Bang est une expression inventée par Fred Hoyle, un opposant à cette théorie, pour s’en moquer et qui eut finalement un impact médiatique phénoménal (pratiquement tout le monde a déjà entendu cette expression, souvent sans même savoir ce qu’elle recouvre).

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VII.4. Cas des théories spéculatives

En dehors des théories validées et des modèles, il faut aussi ajouter l’existence de théories dites « spéculatives ». Ce sont des théories qui ne sont pas validées ou pas encore validées.

C’est en général des théories du type unification de la relativité générale [7] et de la mécanique quantique [8] ou de la théorie quantique des champs [9].

Citons en seulement deux, parmi les plus connues et celles qui sont le plus développées :

• La théorie des cordes [15].
• La gravité quantique à boucles [16].

Mais ce n’est pas du tout exhaustif.

Citons aussi certains modèles pour des phénomènes physiques encore mal compris comme la supraconductivité haute température. C’est juste le signe de la science en marche !

Toutes ces théories ou modèles sont parfaitement fondés scientifiquement, partent d’hypothèses plausibles et solides et suivent parfaitement la méthode scientifique. Il ne manque que la dernière étape : la validation (et parfois aussi une partie de l’élaboration théorique parfois mathématiquement très difficile).

Il est aussi honnête d’admettre qu’il existe de nombreuses « théories » (les guillemets s’imposent) et modèles extrêmement spéculatifs. Ils concernent souvent les origines de l’univers ou l’existence d’univers multiples ou encore l’existence d’univers dans les trous noirs, mais pas seulement. Ces modèles sont souvent très sérieux, mathématiquement solides mais peu fondé expérimentalement et encore moins validé. Les hypothèses avancées sont souvent peu plausibles (sauf peut-être pour leur auteur) au moins en l’état actuel de nos connaissances.

Pour être complet, il convient de citer les interprétations (généralement de la mécanique quantique [8]. Ce sont plus des explications de la théorie, une façon particulière de la décrire qui (normalement) ne remet pas en cause l’aspect expérimental. L’exemple typique sans doute le plus connu est la « théorie des mondes multiples de Everett » [17].

Le mot théorie est alors un peu fort (la théorie, ici, est la mécanique quantique [8]) puisque l’on ne change pas la théorie de base, ni aucune prédiction expérimentale. L’interprétation ne peut donc être confrontée à l’expérience (pour la départager d’autres expériences). On dit qu’elle est non réfutable (souvent un critère de non scientificité) ou non falsifiable (faux ami tiré de l’anglais).

Cela n’enlève pas un certain intérêt pédagogique voire philosophique. Il peut aussi y avoir un intérêt pratique pour l’élaboration, cette fois, de véritables théories mais qu’il est inutile d’approfondir ici. Il est juste intéressant de savoir que cela existe.

[Deedee81]

VIII. Mauvaises théories

On arrive enfin à ce qui était cité au début. Les théories plus ou moins fantaisistes imaginées par des profanes (pas nécessairement jeunes) curieux et à l’esprit débordant d’imagination (ce qui d’ailleurs, utilisé à bon escient, est une excellente qualité).

Pourquoi la théorie « machin » est-elle de la pataphysique ? Nous citerons quelques exemples fictifs (pas question de pointer quelqu'un du doigt !) en choisissant des situations qui illustrent les cas les plus souvent rencontrés.

Ces exemples violent tout ou partie de ce que nous venons de décrire. Notons que ces exemples ne sont pas nécessairement incompatibles. Il n’est pas rare de trouver des cas mêlant plusieurs de ces mauvais exemples.
[LIST][*] « Je vous présente ma théorie de l’univers. C’est une description révolutionnaire. Elle ne contient aucune mathématique mais explique tout ».

Ce genre de description purement littéraire se présente comme de la vulgarisation. On tombe dans le travers décrit dans la section IV. Ce genre de « théorie » n’a rien de scientifique. Où sont les expériences validant la théorie ? Ou sont les données numériques expérimentales ?

Parfois l’auteur dit qu’il ne comprend pas les maths et qu’il laisse à d’autres le soin de développer ces mathématiques. Autrement dit « faites tous le travail, je signerai de mon nom ». La partie purement littéraire c’est la partie la plus petite et la plus facile dans toute théorie ! Et c’est souvent celle qui vient en dernier car, sans le reste, il est même souvent impossible de lui donner du sens ![*] « Voici un ensemble d’équations qui expliquent ceci et cela ».

Sous-entendu, rien que des équations (ou peu s’en faut) tirées du chapeau d’un magicien. Parfois il peut y avoir pas mal de littérature qui les précède mais sans véritable lien entre la physique et les mathématiques qui suivent.

Mais d’où viennent les variables ? Comment les mesure-t-on ? Avec quels instruments et en suivant quels protocoles ? Comment ces équations ont-elles été trouvées ?

Rappelons que les mathématiques, ce n’est pas de la physique, ce n’est qu’en l’articulant avec les mesures et les expériences réelles que les mathématiques prennent tout leur sens en physique.[*] « J’ai écrit une théorie décrivant l’éther sur base de polissons et de curiosons ».

Sous-entendu que ces « curiosons » ne sont pas clairement définis. Où peut-on acheter un détecteur de curiosons s’il-vous-plaît ?

Ce n’est pas rare dans ce genre de « théorie ». L’usage de termes mal définis ou avec un usage qui ne correspond pas à l’usage commun en physique ou ayant de trop nombreuses significations (c’est le cas de « éther » !) Il est vrai qu’utiliser des noms ronflants ou mystérieux peut donner un verni scientifique. Mais ce n’est que ça, justement : un verni. Les termes utilisés doivent se conformer à leur utilisation habituelle ou être clairement définis, idéalement en rapport avec l’expérience et la mesure.

Rappelez-vous aussi ce que l'on disait plus haut sur le sens des termes en mathématiques et en physique. Jouer imprudemment avec l'ambiguïté du sens que peuvent prendre les mots n'est certainement pas une bonne idée et de plus, face à un lecteur quelque peu averti, ça ne passe jamais inaperçu.
[*] Beaucoup de ces « théories » comportent des erreurs de raisonnement, utilisent des déductions qui semblent superficiellement logique mais qui sont très fausses en réalité pour deux raisons :

• Souvent une telle logique est issue du « bon sens » que nous apprend la vie au quotidien. Malheureusement, les phénomènes physiques accessibles à nos sens et ceux qui influencent notre vie ne représentent qu’une infime partie de l’univers. Il existe bien des choses dont la logique défie l’intuition issue du quotidien.
  
  C’est d’ailleurs pourquoi c’est l’expérimentation, et uniquement elle, qui doit nous dire ce qui est logique et pas un soi-disant « bon sens », pas une éventuelle « philosophie ».
• Les connaissances mathématiques très limitées de certains auteurs les empêchent de se rendre compte de la richesse des possibilités. Ils pensent en énumérant quelques cas avoir fait un tour exhaustif de ce qui est possible. Et ils font alors un choix qui leur parait logique mais… ils se trompent. Comme a dit Shakespeare : « il y a plus de choses sur Terre et dans le Ciel que n’en rêve ta philosophie ».

Pour les mêmes raisons, il peut être très difficile pour le profane de se rendre compte de ses erreurs de raisonnement. Il n’a pas les connaissances qui lui permettent de le détecter. Ces connaissances étant vastes et parfois difficiles, il peut même lui être difficile d’admettre qu’il se trompe.

Il n’y a qu’un seul et unique remède à ce redoutable écueil : étudier la science en profondeur (et pas de la vulgarisation !) et faire ensuite son autocritique sans la moindre complaisance.[*] La plupart des auteurs ont une connaissance faible ou nulle des données expérimentales réelles. Ils en ignorent même souvent l’existence (ou l’importance) ce qui leur donne la fausse impression de « connaitre l’univers ». On peut alors bien se demander sur quoi ils se basent pour construire leur théorie ! Sur les fausses impressions que leur ont donné une connaissance très limitée et parfois la lecture d’une mauvaise vulgarisation (et même sur la science-fiction, je l’ai vu plus d’une fois !) Cela donne une théorie qui, au mieux, décrit parfaitement un univers… qui n’existe pas !

La connaissance des expériences réelles relatives au domaine qui nous intéresse est indispensable. Confronter sa théorie aux résultats chiffrés est indispensable. Toute théorie commence d’ailleurs pour sa création par un immense travail documentaire obligeant le chercheur à écumer les bibliothèques et les revues spécialisées (rarement accessibles gratuitement sur le net). Quelque chose qui n’est pas manifeste pour le grand public, on en parle rarement, mais c’est une réalité et une obligation dont bien des amateurs ne se rendent pas compte de l’importance.[*] « Les physiciens ne savent pas ce qu’est la matière noire. Moi j’ai une théorie qui l’explique ».

La belle affaire ! Il y a toute une série de choses que l’on ignore encore (et sans doute tant mieux, sinon on serait au chômage) mais systématiquement il existe une série de théories spéculatives les expliquant et couvrant un éventail de possibilités et d’hypothèses proprement hallucinant. Vous avez une théorie ? Bravo. Faites la queue. En dernière place s’il-vous-plaît : là-bas, très très très loin.

Ce dont nous avons besoin à ce stade, ce n’est pas des théories mais des observations et des expériences réelles permettant de trancher entre toutes les possibilités. Place aux messieurs en blouses blanches et à leurs instruments. C’est d’eux dont on a le plus besoin. Contrairement à ce qu’on pourrait croire, la théorie, c’est souvent (pas toujours) le plus facile. Même si cela demande des compétences particulières parfois très difficiles à acquérir (c’est-à-dire de solides connaissances en mathématiques).[*] « Regardez ce que j’ai trouvé. Ma logique est irréfutable ».

Quelle logique ? Est-ce vraiment si irréfutable ? Pourquoi ce besoin d’insister là-dessus ? Si c’est logique, n’importe quel spécialiste le lisant s’en rendra compte, nul besoin de le dire. L’art de la logique et du raisonnement sont loin d’être si évident et beaucoup de profanes se font des illusions sur « leur logique ». On retrouve le même travers que celui qui a été décrit plus haut concernant l’incapacité à comprendre ses propres limites et erreurs.

Il n’est pas rare, également, de voir certain imaginer qu’on peut déduire comment fonctionne%

[Deedee81]

VIII. Mauvaises théories (suite)

• Parfois, plutôt qu’une théorie, on voit un amateur qui pense avoir mis en défaut une théorie existante (souvent la relativité restreinte [6], allez savoir pourquoi) à l’aide d’une expérience de pensée.
  
  Absurde ! Reliez la section V.
• Il est fréquent qu’un amateur se base sur une expérience, généralement assez célèbre et emblématique, lui trouve une explication alternative et en déduise que la théorie communément admise est fausse.
  
  On peut prendre pour exemple l’expérience de Michelson et Morley. Nombreux sont ceux qui ont tenté de lui trouver une explication alternative à celle de la relativité restreinte [6]. Ont-ils trouvé ? Oui, ce n’est pas ce qui manque. Et ils en déduisent que la relativité est fausse.
  
  Cette déduction est absurde. Ce n’est pas parce qu’une hypothèse (une explication possible) leur parait séduisante que toutes les autres hypothèses expliquant cette expérience sont fausses. La bonne question à se poser est « pourquoi les scientifiques ont-ils optés pour l’hypothèse conduisant à la relativité restreinte ? » La raison en est que l’expérience de Michelson et Morley n’est pas, et de loin, la seule expérience conduisant à cette conclusion. Les fondations de la relativité restreinte se trouvent dans les expériences de Fourier et Fizeau sur la propagation de la lumière (dans l’air ou dans divers milieu en mouvement), de l’étude de l’aberration stellaire, des expériences (très nombreuses) sur l’électromagnétisme, etc. La liste est assez longue
  
  Ce qui est nécessaire est de trouver des hypothèses qui permettent d’expliquer toutes ces expériences, et pas seulement celle de Michelson et Morley qui fut seulement une des dernières avant l’émergence de la relativité (elle fut donc décisive et c’est sans doute pour cela qu’elle est la cible des « opposants » à la relativité). Et quand on étudie avec rigueur l’ensemble des données expérimentales, la conclusion tombe inévitablement : seule la relativité restreinte peut marcher.
  
  Ce genre de « vision étroite » ne ciblant qu’une infime partie des expériences est curieusement assez fréquent. En astrophysique, il n’est pas rare de voir des détracteurs du Modèle Standard de la cosmologie [14] se focaliser sur une série d’exceptions observées dans les données astronomiques et s’écartant de règles établies par l’observation (comme la loi de Hubble).
  
  Leur reproche : « les cosmologistes ignorent volontairement ces données car elles remettraient en question le dogme » (un discours très conspirationniste, plutôt à la mode de ces temps-ci).
  
  C’est un peu l’hôpital qui se moque de la charité car ce faisant eux-mêmes ignorent volontairement l’immense quantité de données allant dans le sens de ce qu’ils nomment « le dogme ».
  
  De plus, les exceptions sont bien comprises. Il y a des explications à ces exceptions. Oui, les exceptions, cela existe ! Il n’y a que les inspecteurs de police des feuilletons qui ne croient pas aux coïncidences. Surtout quand on a affaire à des observations de millions de galaxies ! La seule manière de vérifier que ces exceptions ne sont pas des anomalies est alors de faire une étude statistique pour calculer à combien d’exceptions on est en droit de s’attendre selon les lois des probabilités. De telles études existent mais là aussi ces détracteurs font mine de les ignorer, cette fois parce que c’est eux qui perdraient leurs précieuses exceptions. Curieux effet miroir n’est-il pas ? C’est extrêmement fréquent. La très grande majorité des objections soulevées par les détracteurs de la science qualifiée « d’officielle » (en fait simplement des consensus sur ce qui a été largement validé par l’expérience) s’appliquent bien mieux à eux-mêmes.
  
  C’est d’ailleurs un examen de conscience que l’on doit toujours faire, même quand on est un scientifique. Est-ce que je tombe dans ce genre de travers « dogmatiques » ? Ce n’est pas un exercice facile. Et c’est quand on néglige de le faire qu’on finit par se retrouver dans le rang des « opposants ». Non messieurs, l’erreur n’est pas que chez les autres. Quel que soit l’auteur, il doit toujours en priorité passer la majorité de son temps non pas à conforter ses idées mais à les démolir. Oui, vous avez bien lu, il doit essayer de démolir ses propres idées, à tout prix. Ce travail de remise en cause est une des tâches primordiales de la science et c’est bien pour cela que l’on voit, encore maintenant, de nombreuses expériences toujours plus précises tentant de trouver des failles dans des théories bien établies et validées de longue date (un exemple typique est la vérification du principe d’équivalence en relativité générale [7]). Rappelez-vous : toute théorie se construit sur des données expérimentales s’écartant des prédictions des anciennes théories. Et tout scientifique cherche à avancer. Tout scientifique élaborant une théorie a déjà dans sa poche le marteau qu’il utilisera pour la démolir.
• Nous terminerons par une phrase trop souvent entendue : « prouvez-moi que j’ai tort ».
  
  Ce renversement de la charge de preuve est trop fréquent.
  
  Dans un tribunal, un prévenu n’a pas à prouver son innocence. C’est au procureur de prouver sa culpabilité.
  
  Mais la science ne fonctionne pas de cette manière pour une raison simple. En justice, on suit des lois établies par des êtres humains et les jugements sont rendus par un jury populaire. Mais en science, c’est la nature qui décide de la véracité d’une hypothèse ou d’une théorie. Rappelez-vous la Méthode Scientifique [2]. Ce n’est pas les humains (et encore moins les auteurs des théories) qui décident si les théories sont valides.
  
  Par conséquent, c’est à l’auteur d’une théorie de :
  • Convaincre qu’il a raison. S’il n’y arrive pas, il ne doit pas se dire « pourquoi sont-ils obstinés à ce point » mais « pourquoi est-ce que, moi, je ne trouve pas les arguments convaincants, où est mon erreur ? »
  • Montrer que les données expérimentales valident sa théorie et qu’aucune ne la réfute.
  
  C’est là et seulement là qu’il sera félicité.

Avez-vous bien lu ? Etes-vous l’auteur d’une théorie géniale, révolutionnaire ou simplement intéressante ? À vous maintenant de juger que vous ne tombez pas dans ces travers et de nous le prouver…. non pas en l’expliquant sur le Forum Futura, n’oubliez par la charte et l’interdiction des théories personnelles, mais en publiant dans une revue à comité de lecture (*) et en nous indiquant la référence. On se fera alors un devoir et même une obligation d’en discuter en profondeur. Sinon, ne vous étonnez pas de voir votre discussion fermée ou votre message archivé.
(*) Une tâche pas si difficile : ces revues se trouvent très facilement sur internet et il suffit de leur envoyer un mail avec un document respectant le format et la présentation qu’ils expliquent sur leur site internet. C’est concevoir une théorie qui est difficile, pas la publier.

IX. Références

[1] Charte du Forum Futura Science.
[2] Méthode Scientifique.
[3] Thermodynamique.
[4] Physique Statistique.
[5] Mécanique Newtonienne.
[6] Relativité Restreinte.
[7] Relativité Générale.
[8] Mécanique Quantique.
[9] Théorie Quantique des Champs.
[10] Electromagnétisme.
[11] Supraconductivité.
[12] Expérience de pensée.
[13] Modèle Standard de la physique des particules.
[14] Modèle Standard de la cosmologie.
[15] Théorie des cordes.
[16] Gravitation quantique à boucles.
[17] Mondes multiples d’Everett.