L’étonnement, premier pas de la démarche scientifique

Nous étonnons-nous en voyant des choses courantes comme le nuage, le filtre à café ou le sablier ?

Platon dans « Théétète » :

« S’étonner, voilà un sentiment qui est tout à fait d’un philosophe. La philosophie n’a pas d’autre origine ».

Aristote dans « Métaphysique » :

« Le commencement de toutes les sciences, c’est l’étonnement de ce que les choses sont ce qu’elles sont…. Ce fut l’étonnement qui poussa, comme aujourd’hui, les premiers penseurs aux spéculations philosophiques. Au début, ce furent les difficultés les plus apparentes qui les frappèrent, puis, s’avançant ainsi peu à peu, ils cherchèrent à résoudre des problèmes plus importants, tels les phénomènes de la Lune, ceux du Soleil et des Étoiles, enfin la genèse de l’univers. Apercevoir une difficulté et s’étonner, c’est reconnaître sa propre ignorance (et c’est pourquoi aimer les mythes est, en quelque manière se montrer philosophe, car le mythe est composé de merveilleux). Ainsi donc, si ce fut pour échapper à l’ignorance que les premiers philosophes se livrèrent à la philosophie, il est clair qu’ils poursuivaient la science en vue de connaître et non pour une fin utilitaire. »

La capacité de s’étonner, base indispensable de toute pensée scientifique

Remarquons qu’aucun d’entre nous n’est spontanément choqué par des faits ou des phénomènes qui sont pourtant en contradiction flagrante avec des présupposés que nous ne remettons pas en question.

Ainsi, nous savons tous que les objets matériels tombent du fait de la gravitation terrestre. Pourtant les masses énormes d’eau des nuages ne tombent pas et cela ne nous étonne que rarement. L’eau monte dans les filtres à café, allant à l’encontre de la gravitation, mais nous n’y songeons même pas.

Cela ne veut pas dire que la gravitation soit à remettre en question bien entendu mais cela montre que nous ne nous posons pas facilement des questions sur le monde qui nous entoure. Ou très rarement.

A part les nuages et l’eau des filtres à café, nous connaissons bien d’autres exemples de choses qui se dressent spontanément à l’encontre de la gravitation sans susciter notre étonnement : les montagnes, les volcans, les arbres, les plantes, les animaux et l’homme….

Qui n’a pas observé un sablier ? Mais qui y a vu quelque chose de renversant ? Ce sont les inventeurs de la « criticalité auto-organisée » : voir ici

« S’étonner », nous dit Platon à la suite de Socrate, « voilà un sentiment tout à fait philosophique. La philosophie n’a pas d’autre origine ».

Et la science est réflexion philosophique !

Pourtant bien des gens disent que la science commence quand on parvient à se départir de tout a priori philosophique…

Henri Poincaré répondait :

« On dit souvent qu’il faut expérimenter sans idée préconçue. Cela n’est pas possible ; non seulement ce serait rendre toute expérience stérile, mais on le voudrait qu’on ne le pourrait pas. Chacun porte en soi sa conception du monde dont il ne peut se défaire si aisément. Il faut bien, par exemple, que nous nous servions du langage, et notre langage n’est pétri que d’idées préconçues et ne peut l’être d’autre chose. Seulement ce sont des idées préconçues inconscientes, mille fois plus dangereuses que les autres. Dirons-nous que si nous en faisons intervenir d’autres, dont nous aurons pleine conscience, nous ne ferons qu’aggraver le mal ! je ne le crois pas ; j’estime plutôt qu’elles se serviront mutuellement de contrepoids, j’allais dire d’antidote ; elles s’accorderont généralement mal entre elles ; elles entreront en conflit les unes avec les autres et par là elles nous forceront à envisager les choses sous différents aspects. C’est assez pour nous affranchir : on n’est plus esclave quand on peut choisir son maître. »

Faut-il une philosophie en sciences ?

Einstein avait-il d’abord des préoccupations philosophiques ?

Quelle était la philosophie d’Einstein ?

On comprend l’étonnement du philosophe devant le monde et devant l’existence ou la conscience humaine mais ici on parle de l’étonnement du scientifique alors qu’on imagine plutôt celui-ci comme un être très rationnel, très peu émotionnel et très peu fondé sur les sentiments, et plutôt un homme pour lequel tout a son explication.

De quoi s’étonne donc le savant ?

On pense souvent que le savant recherche des faits nouveaux, de nouvelles observations et des interprétations de ces faits nouveaux alors que, pour l’essentiel, il s’agit d’interprétations nouvelles de faits connus depuis longtemps mais qui n’avaient pas frappé les autres savants. Celui qui pense que tout est déjà cohérent peut-il trouver des idées nouvelles, peut-il observer de la nouveauté, peut-il penser à des expériences qui vont mettre en évidence cette nouveauté ?

Ainsi, la vitesse de la lumière est connue depuis longtemps quand Einstein en tire sa théorie de la relativité. Et elle découle notamment de sa capacité à s’étonner qu’il existe ainsi une vitesse maximale.

Toujours à propos d’Einstein, prenons un autre exemple.
Quand Einstein raisonne sur la cage d’ascenseur en chute libre et remarque que ce mouvement est interprété différemment par celui qui est à l’intérieur et pas celui qui l’observe de l’extérieur, il n’observe nullement un phénomène différent du commun des hommes mais il s’étonne que l’inertie et la gravitation soient un seul et même phénomène et remarque que cette apparence différente n’est qu’un effet de relativité. Dans l’observation d’Einstein, il n’a rien d’autre que ce que tout le monde voit mais il a la capacité de s’en étonner…

Eh oui, l’un des pas les plus difficiles de la démarche scientifique, c’est l’étonnement. C’est lui qui permet de s’affranchir de l’habitude, de la routine, de la croyance que les anciennes idées ont déjà tout envisagé et tout expliqué. C’est lui qui permet de trouver le point clef, la faille des explications précédentes.

Comment un phénomène physique peut susciter l’étonnement ?

Le botaniste anglais Brown étudie au microscope des grains de pollen de certaines plantes et remarque qu’elles sont dans une agitation permanente. D’autres physiciens vont faire la même expérience avec des boules de matière inerte et de taille équivalente également plongées dans un liquide. Ils constatent également un mouvement permanent. Qu’y a-t-il d’étonnant ? On aurait pu penser qu’un liquide finit par atteindre un état de repos ! Non seulement cette agitation semble éternelle mais elle est tout à fait désordonnée. D’où vient l’énergie de ce mouvement perpétuel ?

Cela peut sembler une étude assez ridicule et pourtant…

L’origine de ce « mouvement brownien » est l’agitation thermique des molécules, plus petites que les grains de pollens mais qui viennent les heurter en permanence et en tous sens.

Et cela mènera à une des lois découvertes par Einstein !

Le penseur et le scientifique habituel pense que « c’est normal » là où le révolutionnaire scientifique cherche ce qui est bizarre. Et pour cela, il faut disposer d’une capacité à regarder et à penser « en coin », avec un rien de soupçon, de curiosité, d’esprit d’enquête.

Einstein écrivait sur les qualités qui avaient fait de lui un savant qui a réussi :

« Ce qui est peut-être un peu négligé, c’est l’irrationnel, l’inconsistant, le bizarre, et même le petit grain de folie que la nature, créatrice intarissable, sème rien que par amusement, semble-t-il, chez un individu. »

Bernard Baruch disait :

« Des millions de gens ont vu tomber une pomme, Newton est le seul qui se soit demandé pourquoi. »

La plus grande difficulté en sciences serait la capacité de s’étonner ! Eh oui, nous sommes trop habitués par les faits courants de la vie pour raisonner dessus !

« La science ne peut satisfaire qu’une seule des aspirations de notre âme : la curiosité. Sous une forme plus subtile : le besoin de comprendre ce qui lie les phénomènes individuels entre eux. Elle a une beauté qui lui est propre et sait combler le connaisseur. »

Lettre d’Einstein à Gladstone de juillet 1944

Pourquoi l’étonnement, sollicité par la curiosité, devrait être tellement enrichissant pour la pensée scientifique ?

Eh bien d’abord ce qui est étonnant nécessite une explication alors que ce qui n’étonne pas ne fait que confirmer ce qu’on croit déjà.

Max Planck dans « Initiations à la physique » :

« Ce que l’on ne voit pas, c’est à quel point la difficulté pour faire progresser la science, c’est que le savant ait la ténacité de maintenir son point de vue. (...) Bien plus, l’austère recherche de la science ne peut progresser que par le libre jeu de l’imagination. Qui ne peut, à l’occasion, ne serait-ce qu’une fois, concevoir des choses apparemment contraires à la loi causale, jamais n’enrichira la science d’une idée nouvelle. (...) Le progrès de la physique n’est pas une évolution continue au cours de laquelle nos connaissances s’approfondiraient et s’affineraient peu à peu ; il a au contraire un caractère discontinu et, en quelque sorte, explosif. L’apparition de chaque hypothèse nouvelle provoque comme une éruption subite ; elle est un saut dans l’inconnu, inexplicable logiquement. »

Dans « La Valeur de la Science », Henri Poincaré rappelle que « Une accumulation de faits n’est pas plus une science qu’un tas de pierres n’est une maison. »

« Douter de tout ou tout croire, ce sont deux solutions également commodes qui
l’une et l’autre nous dispensent de réfléchir. » écrit-il dans « La Science et l’Hypothèse ».

Henri Poincaré écrit dans « Science et Méthode » :

« Comme l’a dit Mach, ces fous ont économisé à leurs successeurs la peine de penser. Or, la plupart des hommes n’aiment pas à penser… C’est par les faits réguliers qu’il convient de commencer ; mais, dès que la règle est bien établie, dès qu’elle est hors de doute, les faits qui y sont pleinement conformes sont bientôt sans intérêt, puisqu’ils ne nous apprennent plus rien de nouveau. C’est alors l’exception qui devient importante... Ainsi, quand une règle est établie, ce que nous devons chercher d’abord ce sont les cas où cette règle a le plus de chances d’être en défaut… Ce que j’ai cherché à expliquer dans les pages qui précèdent, c’est comment le savant doit s’y prendre pour choisir entre les faits innombrables qui s’offrent à sa curiosité… »

En 1896 par exemple, il écrit à Wilhelm Röntgen : « Ma curiosité en est vivement excitée ; c’est un agent aussi nouveau que l’était l’électricité du temps de William Gilbert. » Le physicien allemand venait de découvrir les rayons X.

Alain Laraby écrit ainsi sur Poincaré :

« Mathématicien, Poincaré a un côté Socrate : il sait qu’il ne sait pas, ou peu. Il veut savoir davantage, au-delà des évidences acquises sans pour autant les déconstruire. Sa curiosité est telle qu’il bouscule le ronron habituel du maître qui fait sa leçon. Devenu son propre lecteur, il n’aime guère réciter ce qui devient problème avec le recul. Il n’y a pas de page où il ne demande : Cela a-t-il un sens ? et dans l’affirmative : quel sens cela a-t-il ? Qu’est-ce que cela veut dire ? Comment a-t-elle pu prendre naissance ? Comment donc avons-nous pu être amenés à les distinguer ? Qu’est-ce qu’un point dans l’espace ? Mais suis-je sûr que le corps P a conservé le même poids quand je l’ai transporté du premier corps au second ? Dire que la terre tourne, cela a-t-il un sens ? Aujourd’hui, que voyons-nous ? Pourquoi l’affirmons-nous ? Quand le lecteur aura consenti à borner ses espérances, il se heurtera à d’autres difficultés. Nous cherchons la réalité, mais qu’est-ce que la réalité ? Croira-t-on avoir compris le véritable sens de la démonstration ? Qu’est-ce que la science ? Poincaré fait preuve d’innocence. Comme un enfant, il découvre le monde… Poincaré se penche sur son doigt en considérant l’ensemble des positions qu’il occupe. Même question. Comment savoir si deux points de l’espace sont identiques ou différents ? Je suppose que mon doigt touche l’objet A à l’instant α et l’objet B à l’instant β. Si mon doigt n’a pas bougé entre les instants α et β, je sais reconnaître l’identité des deux points occupés par A et B. Je bouge mon doigt entre les instants α et β. Grâce aux mouvements inverses qui corrigent le changement, j’en arrive à la même conclusion. Mes sensations du doigt, comme celles de l’œil, sont accompagnées de sensations musculaires qui conservent mes impressions. Jusqu’à présent, j’avais expérimenté dans l’œil la notion de groupe mathématique. Maintenant, je la touche du doigt. L’espace visuel, l’espace tactile, l’espace moteur, la conscience de mon corps, me font découvrir la puissance de son action. Ce qui avait été appris par l’esprit, je le revis dans ma chair unie à lui. Mon corps a le sentiment de la direction de chaque mouvement. Ma propre écoute m’apprend comment ses mouvements se corrigent réciproquement, comment il restaure par des mouvements corrélatifs l’identité d’un objet qui semblait perdue. »

Oui, le scientifique doit avoir l’étonnement de l’enfant devant le monde et ce n’est nullement évident tant nous perdons rapidement notre innocence avec tout le bagage de connaissance que nous apprenons et qui nous évite de nous poser des questions, pensant à tort que toutes les questions ont déjà été posées certainement par nos prédécesseurs….

Ce qui caractérise l’étudiant Einstein, c’est son refus de l’appris, de la discipline intellectuelle, de l’a priori, de l’obéissance…

Il écrit à Philipp Frank :

« Je suis persuadé que l’amour est meilleur professeur que l’obligation. »

« Celui qui ne peut plus trouver ni étonnement, ni surprise, est pour ainsi dire mort, ses yeux sont fermés » écrit Albert Einstein dans « Comment je vois ce monde ».

Michel Paty expose dans « La création scientifique selon Poincaré et Einstein » :

« La philosophie, celle des philosophes comme celle des scientifiques (ou des « savants »), s’est, dans l’ensemble, peu préoccupée de la dimension créatrice de la pensée scientifique : d’une part, probablement, à cause d’une conception de la science qui voyait cette dernière dans des formes achevées, « vraies » ou « certaines », plutôt que comme un travail en constant remaniement ; mais aussi, sans doute, en raison de l’apparente contradiction de s’intéresser à des vérités objectives tout en attachant de l’importance aux subjectivités qui en sont la source (et qui ne cessent, en vérité, d’en être le siège). »

S’étonner, c’est rompre avec la routine. Ce n’est pas parce qu’on voit un nuage tous les jours qu’on le comprend ni qu’il n’y a rien de spécial à comprendre.

Regarder en se disant : « c’est curieux » est une capacité rare que les études peuvent effacer plus que cultiver… et que les institutions administratives et bureaucratiques ne savent absolument pas faire.

Les études sont logiques, mathématiques, raisonnent tout droit alors que la recherche de création d’idée en sciences chemine par des petits chemins à peine dessinés, qui se tortillent, semblent se perdre dans la nature….

L’opinion publique des scientifiques, dite consensus de la communauté, n’est pas un moyen de chercher et même plutôt une raison de ne plus chercher des nouveautés fondamentales. Le consensus ne veut pas être étonné mais confirmé….

Ilya Prigogine écrit :

« Au cours des dernières décennies, une nouvelle science est née, la physique des processus de non-équilibre. Cette science a conduit à des concepts nouveaux tels que l’auto-organisation et les structures dissipatives qui sont aujourd’hui largement utilisés dans des domaines qui vont de la cosmologie jusqu’à l’écologie et aux sciences sociales, en passant par chimie et la biologie. La physique de non-équilibre étudie les processus dissipatifs, caractérisés par un temps unidirectionnel, et ce faisant elle confère une nouvelle signification à l’irréversibilité.... L’irréversibilité ne peut plus être attribuée à une simple apparence qui disparaîtrait si nous accédions à une connaissance parfaite. Elle est une condition essentielle de comportements cohérents de milliards de milliards de molécules. Selon une formule que j’aime a répéter, la matière est aveugle à l’équilibre là où la flèche du temps ne se manifeste pas ; mais lorsque celle-ci se manifeste, loin de l’équilibre, la matière commence à voir ! Sans la cohérence des processus irréversibles de non-équilibre, l’apparition de la vie sur la Terre serait inconcevable. La thèse selon laquelle la flèche du temps est seulement phénoménologique est absurde. Ce n’est pas nous qui engendrons la flèche du temps. Bien au contraire, nous sommes ses enfants.... Pour la grande majorité des scientifiques, la thermodynamique devrait se limiter de manière stricte à l’équilibre. Pour eux, l’irréversibilité associée à un temps unidirectionnel était une hérésie... Après mon exposé, le plus grand expert en la matière fit le commentaire suivant : "je suis étonné que ce jeune homme soit tellement intéressé par la physique de non équilibre. Les processus irréversibles sont transitoires. Pourquoi alors ne pas attendre et étudier l’équilibre comme tout le monde ?" J’ai été tellement étonné que je n’ai pas eu la présence d’esprit de lui répondre : "Mais nous aussi nous sommes des êtres transitoires. N’est il pas naturel de s’intéresser à notre condition humaine commune ?" Contrairement aux systèmes soit à l’équilibre soit proches de l’équilibre, les systèmes loin de l’équilibre ne conduisent plus à un extremum d’une fonction telles que l’énergie libre où la production d’entropie. En conséquence, il n’est plus certain que les fluctuations soient amorties. Il est seulement possible de formuler les conditions suffisantes de stabilité que nous avons baptisé "critère général d’évolution". Ce critère met en jeu le mécanisme des processus irréversibles dont le système est le siège. Alors que à l’équilibre et près de l’équilibre, les lois de la nature sont universelles, loin de l’équilibre elles deviennent spécifiques, elles dépendent du type de processus irréversibles. Cette observation est conforme à la variété des comportements de la matière que nous observons autour de nous. Loin de l’équilibre, la matière acquiert de nouvelles propriétés où les fluctuations, les instabilités jouent un rôle essentiel : la matière devient active. »

Qu’est-ce qui nous étonne, nous choque, nous bouleverse, renverse nos convictions habituelles quand on étudie la matière ?

Expériences étonnantes de la physique