lundi 12 septembre 2016

Observation et expérimentation

Eagle(owl)-eye - modified

Cet article a été rédigé en grande partie sur la base du livre « L'observation scientifique » de Vincent Israël Jost, que je conseille aux lecteurs souhaitant approfondir ces questions.

L'une des caractéristique importante de la science est la méthode par laquelle elle parvient à produire une connaissance du monde. S'il n'est pas certain qu'il existence une unique méthode scientifique partagée par toutes les disciplines, de la sociologie à la physique, on peut au moins s'accorder sur un point : la confrontation systématique à l'expérience, par nos observations, y joue un rôle central. Pour cette raison, il peut être intéressant de se pencher philosophiquement sur la notion d'observation scientifique, et sur l'expérimentation en général.

« Observation » est un terme du langage courant qui fait référence à la perception directe de phénomènes par la vision. On peut imaginer que cette notion était pertinente en science il y a quelques siècles, quand, en effet, les scientifiques observaient la nature à l’œil nu pour confirmer leurs théories, ou utilisaient des instruments comme les loupes et les lunettes qu'on conçoit assez facilement comme de simples extensions de notre vision naturelle. Mais aujourd'hui ? Quand une équipe du CERN affirme avoir observé le boson de Higgs, il ne s'agit certainement pas d'une observation directe : la complexité des appareillages et des traitements informatiques est telle que, finalement, ce ne sont jamais que des rapports produits par des ordinateurs que nous observons directement, et finalement, l'observation au sens originel, à l’œil nu, ne joue qu'un rôle minime, en bout de chaîne, dans les expériences du CERN.

De manière général, on a vu se développer de manière importante au 20ème siècle l'instrumentation scientifique : nous savons désormais détecter des rayons X ou infrarouge par exemple, et ceci nous permet d'observer les os de notre corps sans procéder à une dissection. La technique nous permet à la fois d'étendre le champ de ce qui est observable, c'est à dire de découvrir de nouveaux phénomènes, et d'offrir de nouvelles perspectives ou de nouveaux accès sur des phénomènes ou objets déjà connus (comme les os).

A text-book of radiology (1915) (14571034679)
On a vu également, plus récemment, se développer l'informatisation des instruments : les images issues des télescopes ou des microscopes passent désormais par des capteurs qui les convertissent en données numériques. Ces données peuvent être traitées, puis restituées sous forme d'images ou de graphes sur des écrans d'ordinateur, parfois avec des couleurs artificielles destinées à nous faire voir des choses qu'on ne pourrait normalement voir à l’œil nu. Le traitement numérique sert à nettoyer les données (à éliminer le bruit), à les sélectionner, à les interpréter (en leur appliquant par exemple des équations théoriques), à les présenter…

Tous ces aspects introduisent des couches intermédiaires entre les phénomènes que nous mesurons et l'observation directe, et nous éloignent de l'idéal de la confrontation directe à l'expérience, dont l'exemple typique est l'observation à l’œil nu, que les philosophes entretenaient traditionnellement avant ces développements techniques.

Dans cet article nous allons commencer par nous interroger sur cette notion idéal d'observation directe. Nous allons voir qu'elle n'a vraiment rien d'évident. Puis nous nous pencherons sur tous les problèmes que soulève une notion d'observation étendue aux instruments. Finalement la question pourrait être : où s'arrête l'observation, et où s'arrête la théorie ? Et il n'existe aucune réponse claire à cette question : théorie et observation sont, en général, mêlées l'une à l'autre et ne sont pas vraiment séparables.

L'observation idéale

Traditionnellement en philosophie, notamment dans la tradition empiriste, le concept d'observation vise à éclairer le rôle de l'expérience dans l'acquisition de connaissance. L'observation peut nous servir à apprendre des choses, ou à réfuter des hypothèses. Les empiristes conçoivent que l'observation doit faire autorité sur nos croyances théoriques, qu'elle doit servir de fondement ultime à la connaissance.

On parle à ce sujet de fondationnalisme (nous en avions déjà parlé dans cet article) : il s'agit de voir la connaissance comme une organisation hiérarchique, un peu comme une pyramide avec, à sa base, l'observation, et les autres croyances, hypothèses, concepts ou théories se construisant sur cette base suivant des couches de plus en plus abstraites. Ce type d'idée peut servir à justifier le fait que la science serait le meilleur moyen d'acquérir de la connaissance : justement parce qu'elle procéderait à une confrontation méthodique de nos croyances à la base de l'expérience, à notre observation directe de la nature.

Barometre aneroide
Pour que l'observation puisse jouer ce rôle de fondement, elle doit être en quelque sorte auto-justifiée, autonome vis-à-vis du reste de la connaissance, et pour ceci, idéalement, elle doit être :
  • directe (les intermédiaires étant source d'erreur),
  • non théorique (pour pouvoir réfuter les théories),
  • passive (l'observateur n'affecte pas ce qu'il observe),
  • neutre (l'observateur ne projette pas ses attentes).
C'est cet idéal qui était entretenu par les empiristes logiques. Ceci n'interdit pas de prendre en compte les instruments de mesure : s'il faut que l'observation soit directe, on peut concevoir que quand des instruments comme les thermomètres ou les baromètres sont utilisés dans l'expérimentation, alors nous n'observons pas la température ou la pression directement, qui sont des grandeurs théoriques, mais plutôt des nombres sur cadran, à partir desquels nous inférons une température ou une pression.

Remarquons toutefois que l'observation, même directe, est suspecte : je peux très bien être victime d'illusions et d'hallucinations. Je peux croire voir un chien alors qu'il n'y a qu'une pierre dans le brouillard, par exemple. Pour que l'observation puisse être objet de certitude à propos du monde, il faut pouvoir justifier que les conditions d'observation (la luminosité, la proximité de l'objet observé…) sont normales, que mes yeux fonctionnent correctement, etc. Tout ce qui concerne les bonnes conditions d'observation relève de connaissances qui ne sont pas directement données dans l'observation, mais qui sont issues d'un apprentissage : je sais, par expérience, que certaines conditions sont trompeuses.

Enfin le langage qui me permet de décrire ce que je vois détermine lui-même des catégories pertinentes, qui sont elles-aussi issues d'un apprentissage : si je vois un chien, c'est que je possède le concept de chien. Ou encore, je peux voir un outil quelconque là où un artisan plus spécialisé que moi verra une scie à métaux.

Nebelostfriesland

Le mythe du donné

Tout ceci implique que l'observation au sens courant (je vois un chien, ...) ne répond pas à l'idéal d'observation directe et neutre des philosophes. L'observation courante est déjà source potentielle d'erreur, elle est déjà contaminée par les croyances et connaissances de l'observateur.

Pour éviter ces difficultés et obtenir une notion idéale d'observation, certains philosophies ont envisagé de se retrancher dans une conception purement subjective de l'observation : ce que je perçois, ce ne serait pas les objets de la vie courante, ce serait de pures sensations (non pas un chien ou une pierre dans le brouillard, mais une tâche grise). Les objets seraient eux-même inférés... L'idée est qu'on pourrait reconstruire l'ensemble de la connaissance sur cette pure base subjective.

C'est Carnap qui a mené ce projet de reconstruction de la manière la plus aboutie, mais ce projet s'est vite avéré limité, et on peut suspecter qu'un langage dont la base serait exclusivement constituée de référence à des sensations serait bien trop pauvre pour fonder les sciences, ou nos connaissances communes (il n'y aurait pas de notion de causalité par exemple, ni même forcément d'objet).

Sleeping Pups
Par ailleurs, l'idée même qu'il puisse exister un langage pour décrire de pures sensations données dans l'expérience a été critiquée par différents philosophes. Contrairement aux sensations qui sont privées, le langage est public et sert à communiquer (Wittgenstein a essayé de montrer que la notion de langage privé est absurde). On peut douter qu'on puisse faire la moindre inférence ou fonder le moindre raisonnement sur la base de pures sensations.

Sellars parle à ce sujet du « mythe du donné » : l'argument est assez abstrait, mais il nous dit, en substance, que les sensations ne sont pas de la même nature qu'un énoncé linguistique qui utilise des concepts. Or seul un énoncé linguistique peut servir de base à un raisonnement, à une inférence scientifique, pas une sensation. Selon Sellars, dès que nos sensations sont transcrites dans un langage, ceci suppose un arrière-fond de croyances, de concepts pour les exprimer, et ces concepts et croyances précèdent l'expérience elle-même : disposer de concepts pour recevoir nos sensations est un pré-requis pour que cette transcription puisse servir de base à des inférences ou à un raisonnement. Il n'existe donc pas de pur donné qui puisse servir de base à la connaissance.

La charge théorique de l'observation

Un problème assez directement lié aux remarques précédentes, pour le fondationnalisme, est ce qu'on appelle la charge théorique de l'observation. Nos anticipations, nos croyances, peuvent altérer nos perception (nous avions évoqué ceci à propos de la perception des couleurs).

Kuhn donne l'exemple d'une expérience de psychologie, au cours de laquelle on montre des cartes à jouer à des sujets. Certaines de ces cartes ont pour signe un cœur noir. Ce signe n'existe pas dans les jeux de carte classiques, et il se trouve que quand les cartes sont montrées très rapidement aux sujets, ceux-ci ne reportent pas avoir vu des cœurs noirs, mais des piques. De même quand on place des trèfles rouges, ils croient les voir marrons ou pourpres. Ainsi leurs attentes (le fait qu'ils ne s'attendent pas à ce qu'une carte de cœur soit noire) modifient leurs rapports d'observation.

A studio image of a hand of playing cards. MOD 45148377
Si nos croyances influencent nos observations, en quoi l'observation serait-elle fiable pour fonder la science ? Bien sûr, cette expérience ne fonctionne que parce que les durées sont très courtes. Si les sujets examinent longuement le jeu de carte, ils finissent par s'apercevoir qu'il y a des cœurs noirs et qu'il ne s'agit pas d'un jeu classique. Mais ceci indique au moins que les conditions d'observation sont à prendre en compte, et que l'idée d'observation "pure", non influencées par le contexte et par nos croyances, ne va pas de soi.

De manière générale, nos croyances et nos observations s'influencent mutuellement, ce qui mine le projet fondationnaliste : peut-être faudrait-il plutôt adopter un cohérentisme, et envisager que ce qui justifie nos croyances, ce n'est pas un fondement indubitable, mais plutôt le fait qu'elles forment, avec nos observations, un tout cohérent. Suivant le cohérentisme, la fiabilité de nos observations peut faire l'objet d'une investigation, par essais et erreur, au même titre que les hypothèses théoriques. Nos connaissances, théoriques ou observationnelles, ne sont jamais à prendre de manière isolées : il faut tenir compte de leur cohérence d'ensemble. Un peu comme un joueur de mots croisés qui remplit une grille est d'autant plus assuré du mot qui se trouve à tel endroit que celui-ci est cohérent avec le reste de la grille.

Données et phénomènes

Jusqu'ici nous avons parlé de l'observation en général. Intéressons nous maintenant plus particulièrement à l'observation scientifique, et à l'usage d'instruments de mesures ou de traitements informatiques. De manière général, nous allons voir que tout ce que nous avons remarqué à propos des observations directes est valable aussi à propos des instruments de mesure.

Lead heated in a candle flame
Dans un article célèbre ("Saving the Phenomena"), Bogen et Woodward prennent l'exemple de la mesure de la température de fusion du plomb. Cette température a une valeur théorique bien précise, mais quand on tente de s'en assurer par des mesures, une multitudes de facteurs interviennent : la pureté du plomb, le bon fonctionnement du thermomètre, la manière dont il est utilisé... Et même ainsi les données obtenues seront variables, car la mesure de la température est indirecte. On aura recours à des traitements statistiques pour éliminer les fluctuations (sans avoir besoin de connaître leur origine précise).

Ainsi pour Bogen et Woodward, l'idée que les théories scientifiques puissent avoir pour rôle d'expliquer les données observées est illusoire : les données dépendent de multiples facteurs contextuels, propre aux instruments particuliers utilisés, à leur sensibilité, ou au lieu précis de l'expérience (le taux d'humidité dans la pièce, une autoroute à proximité du laboratoire qui perturbe les instruments). Les instruments doivent être calibrés avant une expérience. Mais tous ces aspects n'ont que peu d'intérêt scientifique : ils visent seulement à s'assurer que nos observations sont fiables.

Pour cette raison, Bogen et Woodward distinguent les données et les phénomènes : les données brutes sont les résultats directement obtenus à l'issue d'une expérience (les températures de fusion mesurées), mais ce ne sont pas les données qui sont intéressantes, mais les phénomènes (la température de fusion du plomb en général). Ceux-ci sont connus à l'issue d'un traitement des données : les données sont sélectionnées (on élimine les artefact ou le bruit), corrigées (on tient compte de perturbations de l'environnement), interprétées (on tient compte du fait que la mesure est indirecte). Les théories scientifiques ne visent pas à expliquer toutes les données particulières qu'on peut mesurer, mais les phénomènes qu'on obtient à l'issu de ce traitement.

An old microscope
Cependant les phénomènes sont rarement décrits dans un langage d'observation théoriquement neutre : ils sont décrits en utilisant le vocabulaire de la théorie. La conséquence de ceci est que l'idée que les théories scientifiques sont simplement confrontées à l'expérience, comme si on se contentait de recevoir des données et de les comparer aux prédictions de la théorie, est beaucoup trop simpliste.

Un problème de régression expérimentale ?

Nous avons parlé de la charge théorique de l'observation : observations et croyances s'influencent mutuellement. C'est vrai aussi, peut-être plus encore, quand il est question d'observation scientifique à l'aide d'instruments.

En effet, tout un ensemble de connaissances interviennent pour mener à bien une observation scientifique :

  • une connaissance de nos instruments, qui peut être pratique (savoir faire la mise au point d'un microscope, savoir reconnaître un artefact) ou théorique (savoir qu'un thermomètre mesure la température)
  • une connaissance du contexte expérimental (qui intervient dans le calibrage des instruments, l'utilisation du taux d'humidité de la pièce pour corriger les données)
  • une connaissance du phénomène observé lui-même (savoir reconnaître un neurone au microscope)

MRI brain.jpg
Un exemple assez frappant est celui de l'imagerie par résonance magnétique (IRM), qui nous permet d'observer l'activité du cerveau. Une IRM fonctionne comme suit : des impulsions magnétiques produites par des aimants sont envoyées sur un cerveau ou un autre corps. Ces impulsions magnétiques réagissent avec les protons qui renvoient un signal électromagnétique mesurable. Ce signal sera différent dans les zones où l'hémoglobine est chargée en oxygène, l'oxygénation étant corrélée à l'activité des cellules. Pour connaître la localisation du signal, on appliquera un gradient aux impulsions électromagnétique dans l'espace, et un traitement informatique complexe (une transformée de Fourier inverse) nous permet de connaître la localisation du signal et de reconstruire informatiquement une image du cerveau.

On voir que l'IRM repose sur un très grand nombre de connaissances théoriques portant à la fois sur l'instrument de mesure et sur l'objet observé : des connaissances physiques (l'électromagnétisme), chimiques (les réactions de l'hémoglobine oxygénée), biologiques (la relation entre oxygénation et activité cérébrale), auxquelles s'ajoute un traitement informatique qu'il serait pratiquement impossible d'effectuer manuellement, mais sans lequel les données seraient inutilisables. Le résultat de notre observation est une image construite par un ordinateur, parfois avec des couleurs artificielles. Nous sommes vraiment très loin de l'idéal de l'observation directe à l’œil nu.

Le problème philosophique que cela pose est le suivant : comment donc nos observations scientifiques peuvent-elles réfuter ou confirmer nos théories si elles dépendent à ce point des théories elle-mêmes ? C'est un problème en particulier quand la théorie qui est confirmée est elle-même utilisée dans les instruments de mesure : comment, par exemple, peut-on confirmer la thermodynamique à l'aide de thermomètres, sachant que c'est la thermodynamique qui nous dit que la hauteur du liquide dans le thermomètre est un indicateur de sa température ? On parle à ce sujet de régression expérimentale.

Peut-on éviter la régression expérimentale ?

Lab mouse mg 3263
Certains philosophes se basent sur le problème de la régression expérimentale pour avancer que les objets que nos théories postulent sont des "constructions", ou que des aspects sociologiques jouent un rôle déterminant dans la confrontation des théories à l'expérience (nous en avions parlé ici). Ce type de problème semble en effet omniprésent. Ainsi, prédire la trajectoire d'une planète à l'aide de la théorie de Newton nous demande de connaître la masse du soleil mais celle-ci ne peut être connue... qu'en observant la trajectoire des planètes. On trouve un autre exemple dans les expériences récentes visant à démontrer l'existence d'ondes gravitationnelles : la preuve vient de ce que certains motifs caractéristiques des ondes gravitationnelles sont observés dans les données issues des télescopes, mais ces motifs sont eux-même dérivés de la théorie. Enfin il est fréquent de s'assurer de la fiabilité de nouveaux instruments de mesure sur la base des théories elles-mêmes.

Est-ce à dire que l'on ne trouve jamais ce que l'on cherche, et que, finalement, les expériences ne confirment rien du tout ? Pas forcément. S'il est vrai que dans certains cas une théorie bien établie peut faire autorité sur nos expériences (par exemple, lors de l'expérience OPERA, des signaux plus rapides que la lumière ont été mesurés, mais on a poussé l'investigation pour voir d'où venait l'erreur, tant la théorie de la relativité est bien établie), il est certain que certaines observations ne peuvent être accommodées avec les théories : si, par exemple, les planètes avaient des durées de rotation autour du soleil incohérentes avec la théorie de Newton.

On peut en général s'assurer de la robustesse des observations indépendamment de nos théories. Ainsi Lavoisier et Priestley savaient se mettre d'accord sur leurs observations, comme la durée après laquelle une souris meurt dans un récipient fermé dans lequel se trouve une bougie, même s'ils défendaient des théories différentes (Priestley parlait de phlogiston, et Lavoisier d'oxygène pour expliquer la même observation).

Crossword (6857403699)
De manière générale, ce qui permet d'arriver à une stabilité des résultats expérimentaux est la multiplication des accès aux phénomènes : le fait d'utiliser des appareils dont le fonctionnement est différent pour mesurer les mêmes phénomènes par exemple (un microscope optique et un microscope électronique), ou le fait que nos appareils s'appuient sur des théories qui sont vérifiées indépendamment au préalable. On cherchera à répliquer les résultats dans des conditions différentes. Les scientifiques eux-même n'ont pas attendu les philosophes pour discuter du risque de circularité entre théorie et observation, et ce type de sujet est parfois discuté dans la littérature, jusqu'à ce qu'un consensus se forme sur la robustesse des résultats expérimentaux.

En résumé, s'il faut abandonner l'idée qu'il existe des observations parfaitement neutres qui jouissent d'une autorité parfaite sur les théories, il reste raisonnable de penser qu'on parvient finalement à stabiliser nos observations par un jeu d'essai et d'erreur. Au final, l'observation n'est peut-être pas le juge impartial des théories qu'on imagine naïvement, mais ceci n'empêche pas d'aboutir à un ensemble cohérent entre théories et observations, ces dernières jouissant généralement d'une certaine stabilité qui leur permet de faire autorité sur nos hypothèses.

2 commentaires:

  1. Merci pour l'article intéressant!
    Je voudrais signaler
    un faute de frappe
    >Un mircoscope optique

    RépondreSupprimer