27 Fevrier 2004Lycee St Francois, Ville-la-Grand1 Incertitude expérimentale et démarche scientifique Quest-ce que la science? D. Verkindt, LAPP

27 Fevrier 2004 Lycee St Francois, Ville-la-Grand 1

Incertitude expérimentale et démarche scientifique

Qu’est-ce que la science?

D. Verkindt, LAPP



• Pour poser des questions sur le mondeQu’est ce que la réalité? Qui sommes-nous?

• Pour offrir des réponses incertaines et partiellesLimiter les certitudes et les attitudes dogmatiques

• Pour aller au-delà de nos sensNos sens ont l’habitude de certaines échelles de temps, de longueurs, d’énergie, etc...

La science, pourquoi existe-t-elle?


• Longueurs (mètres)10-15 m = taille d’un noyau d’atome1 m = vous4.10+16 m = distance qui nous sépare de l’étoile Alpha Centauri

• Temps (secondes)10-23 s = durée de vie de la particule Z0

1 s = vous10+17 s = durée de vie du soleil

• Energies (Joules)10-19 J = energie d’un photon émis par une lampe10-7 J = atterrissage du moustique 10+9 J = vos repas de la journée10+16 J = bombe atomique de 1 Mégatonne10+26 J = énergie lumineuse du soleil… à chaque seconde!

Quelques ordres de grandeur



Pour la science, le langage est important:

• Utiliser un langage universel: les mathématiques

• Tenter de définir objectivement et quantitativement ce dont on parle: - Chaleur (« c’est chaud! ») --> Energie (la main a reçu 3000 Joules) - Couleur (« c’est rouge! ») --> Longueur d’onde (0.8 microns) - Inertie (« c’est difficile à faire bouger! ») --> Masse (100 kilogrammes)

Définitions et langage universels


• Des observations et des interrogations

• Des modèles théoriques pour: - tenter d’expliquer les observations - donner une vision plus cohérente et unifiée de la nature.

• Des expériences, pour valider ou remettre en cause les modèles

Mais qu’est-ce que la science?


théorie

expérience

Incertitudes des modèlesDomaine de validité

Incertitudes expérimentalesInterprétations des résultats

La science sur deux pieds

On parle de science, lorsque les théories élaborées pour décrire la nature sont réfutables par

des expériences



La théorie

Source de la science


La théorie: source de la science

Les motivations d’une théorie sont multiples, souvent artistiquesfoi, imagination, désir de connaître, envie de beauté, de simplicité,besoin d’assembler les pièces d’un puzzle expérimental

La théorie vient avant l’expériencecomme l’œuf vient avant la poule!...

La théorie est soumise à la loi de l’expérienceavec les moyens techniques d’une époque donnée


La théorie: seulement des modèles

Un modèle qui a tenu 300 ans: la gravitation selon Isaac NewtonOn s’en sert encore aujourd’hui pour envoyer des sondes sur Mars

Un modèle qui a tenu 10 ans: l’atome selon RutherfordGrâce à lui, on s’est posé les bonnes questions qui ont conduit à la Mécanique Quantique


Domaine de validité d’un modèle théorique

Résistance électriquedépend de la températureanomalie --> Supraconductivité

Courbe de rotation des galaxiesanomalie --> Matière noire

-270oC


L’expérience

Base de la science


L’expérience: base de la science

L’expérience suppose des mesures identiques et reproductibles, dans les mêmes conditions, pour différents observateurs… mais

Conditions expérimentales souvent difficiles à contrôler« Le battement d’aile d’un papillon... »

Les appareils de mesure sont imparfaits (nous y compris!)Peut-on faire des appareils parfaits?

La nature est statistique et le temps est irréversible« On ne se baigne jamais 2 fois dans le même fleuve »

Les résultats d’une expérience sont interprétés à la lumière des théories existantes…Peut-on se passer d’une interprétation?


LEP (CERN)

Conditions expérimentales: exemple du LEP















valeur moyenne A0Quantité mesurée A

Nom

bre

d ’e

ssai

s

Distribution des mesures de A

A0+2A0-2

La nature est statistique

largeur de la distribution = incertitude statistique


Exemple: les atomes radioactifs

Source de Molybdène émettant des rayons X a 17 keV EN MOYENNE


Exemple: les atomes radioactifs

Datation au Carbone 14Grâce au carbone 14, on peut remonter jusqu'à desdizaines de milliers d'années dans le passé (0-40000 ans).

Le carbone, entrant dans la composition de la moléculeconstitutive du gaz carbonique, présent dans l'atmosphère,est très répandu dans notre environnement.Ce carbone est constitué principalement de carbone 12,qui est stable, et d'une très faible proportion de carbone 14qui est radioactif avec une période de 5730 ans(le carbone 14 est produit en permanencedans l'azote de l'air par le rayonnement cosmique).Les divers échanges (respiration, photosynthèse, alimentation)qui se produisent entre l'atmosphère et le monde "vivant »ont pour effet d'équilibrer le rapport entre la quantité decarbone 14 et celle de carbone 12. Mais, dès qu'unorganisme meurt, le carbone 14 qu'il contient n'estplus renouvelé puisque les échanges avec le mondeextérieur cessent. Sa proportion se met alors peu à peuà diminuer. La mesure du rapport carbone 14 /carbone 12permet donc de connaître la date de la mort d'un organismebien après que celle-ci ait eu lieu. Moins il reste de carbone14 dans un échantillon à dater, et plus sa mort est ancienne.









Observation expérimentale et interprétation

Observation du spectre d’absorption d’une étoile:

Raies identiques aux raies d’émission de certains éléments sur TerreDonc la chromosphère de l’étoile contient de l’Argon


Démarche scientifiqueExpérimentation Interprétation Validation

Le réel est complexe:Atmosphère, frottements, forme de l’objet, gravité variable, etc…

Expérience supposée faites dans des conditions idéales:Vide, masse ponctuelle, gravité constante

Utilisation d’un modèle théorique de base qui fonctionne dans les conditions idéales:Lois de la gravitation de Newton

Par approximations successives, mieux décrire le phénomène:Corrections en tenant compte de la forme de l’objet, de la résistance de l’air, du vent, etc...

Le résultat est imparfait mais ca marche:Les deux objets tombent dans le temps prévu par la théorie


Hypothese:L’écoulement du temps est le même partout

Expérience:Comparer une horloge au sol et une horloge dans un avion

Utilisation d’un modèle théorique qui accepte l’hypothèse:Espace et temps absolu, transformations de Galilée

Résultat et interprétation:Les deux horloges donnent des heures différentes.Un paramètre inconnu a fausse le résultat OU la théorie n’est pas valide

Changement de théorieLa relativité restreinte

Démarche scientifiqueExpérimentation Interprétation Validation


Protocole expérimental

Expérience: connaître l’effet d’un médicament

100 souris avec placebo (souris P)100 souris avec médicament (souris M)

IMPORTANT: - Expérience en double aveugle (ni la souris, ni l’expérimentateur qui analyse les résultats ne sait quelle souris a reçu du placebo)- Contrôler le mieux possible les conditions expérimentales

Résultat:

90 souris M (ayant reçues le médicament) sont guéries.25 souris P (ayant reçues le placebo) sont guéries.

le médicament a un effet (avec un certain niveau de confiance)


Théorie : valide dans un domaine restreint possède souvent des paramètres libres (ajustables) incertitudes du modèle théorique dues aux paramètres libres ou à des incertitudes expérimentales

Expérience : reproductibles statistiquement seulement incertitudes de mesures toujours présentes protocole expérimental et interprétation des résultats inséparables de l’expérimentateur.

• Les réponses fournies par la science: - sont toujours partielles et jamais définitives. - mais produisent des applications concrètes qui marchent.

Science: le pays des incertitudes


théorie

expérience



Applications concrètes : laser, télévision, avions, médicaments, lave-linge, vaccins, prise de courant, fusée, clonage...

La science sur deux pieds… et un peu plus


• Derrière le réfrigérateur, on trouve:une pompe, un fluide caloporteur, un moteur électrique, un thermostatdoncles molécules de gaz, la pression, la thermodynamique (Lavoisier, Boltzmann, Clausius...), un courant électrique qui fabrique un champ magnétique (Faraday, Maxwell...), conductivité électrique et température (Ohm, Drude…)

• Derrière le stylo bille, on trouve:le plastique, l’encre, la pointe qui rouledoncla chimie des hydrocarbures, les liquides, les frottements solides et visqueux

• Derrière le téléphone, on trouve:le plastique, les microphones et haut-parleurs, les transmissions téléphoniquesdoncla chimie, l’ électromagnétisme, le codage de l’information...

Les conséquences dans la vie de tous les jours


Quelques resultats utiles


Quelques resultats utiles?


théorie

expérience



Applications concrètes : laser, télévision, avions, médicaments, lave-linge, vaccins, prise de courant, fusée, clonage...

éthique,avis des citoyens...



Science sans conscience


Science sans conscience






FIN


Confusions, fausses conclusions

Deux écueils difficiles à éviter, en science comme ailleurs:

• Les confusions entre concepts (effet cigogne)

• Les conclusions partielles (taches solaires)

Un miroir aux alouettes impossible à éviter: les pseudo-sciences (qui utilisent largement les deux écueils précédents)

Remède possible: La Zététique


Exemple de pseudo-science: l’Astrologie

Utilise les méthodes, les calculs et le vocabulaire de la mécanique céleste

Interprète les observations expérimentales a la lumière d’une théorie (lien entre la configuration des planètes et votre avenir ou votre caractère) qui n’évolue pas et qui n’est vérifiée par aucune expérience

En astronomie: il existe 13 constellations du zodiaque

En astrologie: il n ’en existe que 12 !! (avec pourtant la même définition)

Paranormal:Il ne suffit pas de voir un phénomène pour qu’il existe



La Zététique

• Du grec zêtêin = chercher

• refus de toute affirmation dogmatiqueet approche scientifique rigoureuse des phénomènes dits paranormaux => méthodologie scientifique

“Le droit au rêve / Le devoir de vigilance”


Henri BrochProfesseur à l’université de NiceDirecteur du laboratoire de ZététiqueEnseigne la Zététique en premier cycle universitaireEnquête scientifiquement sur les phénomènes paranormaux

www.unice.fr/zetetique

Le Cercle Zététique Rhône-Alpes Association fondée en 2001Investigations des phénomène réputés paranormauxSensibilisation à la méthodologie zététiqueDiffusion de la culture scientifique.www.zetetique.ldh.org





La bonne foi n'est pas un argument

Accorder toute son importance à l'incertitude d'un résultat

Quantité n'est pas qualité

L'analogie n'est pas une preuve

L'inexistence de la preuve n'est pas la preuve de l'inexistence

Quelques principes de zététique


• Une théorie scientifique est testable, réfutable« ma théorie est forcement juste puisqu’on ne peut pas faire d’expérience montrant qu’elle est fausse! »

• Personne ne peut se tromper tout le tempsmême Elisabeth Teissier peut faire un jour une prédiction juste

• Une déclaration extraordinaire demande une preuve extraordinaire« la pierre que je lâche va monter vers le ciel… »

• C’est à celui qui affirme d’apporter la preuve de son affirmation « vous ne pouvez prouver que ca n’existe pas, donc ca existe!! »

Quelques principes de zététique


Effet Puits Plus un discours est "profond" (dans le sens de... creux), plus les auditeurspeuvent se reconnaître, et se reconnaître majoritairement, dans ce discours.Exemple: l ’horoscope.

Effet CigogneL'Effet Cigogne consiste à tout simplement confondre corrélation et causalité.

Effet PaillassonL'Effet Paillasson consiste à désigner une chose ou un objet par un mot qui serapporte à autre chose et permet ainsi de tirer des implications erronées.C'est un effet fondamental dans le domaine des phénomènes "paranormaux".

Quelques effets caractéristiques


• Effet gaulois (méconnaissance de la physique)crainte de la foudre, marche sur charbons ardents, publicité radioactive, radioactivité naturelle et centrales nucléaires

• Effet paillasson (ne pas utiliser les mots exacts)prédiction des résultats du loto par une lettre anti-datée

• Effet cigogne (une corrélation n’est pas une causalité)comptage de cigognes en Alsace, républicains américains et taches solaires...

Exemples



• Effet gaulois (méconnaissance de la physique)crainte de la foudre, marche sur charbons ardents, publicité radioactive, radioactivité naturelle et centrales nucléaires

• Effet paillasson (ne pas utiliser les mots exacts)prédiction des résultats du loto par une lettre anti-datée

• Effet cigogne (une corrélation n’est pas une causalité)comptage de cigognes en Alsace, républicains américains et taches solaires...

Exemples


Exemple de conclusions partielles


Vision plus complète!


théorie

expérience



Zététique



FIN

Documents

27 Fevrier 2004Lycee St Francois, Ville-la-Grand1 Incertitude expérimentale et démarche scientifique Quest-ce que la science? D. Verkindt, LAPP