RECHERCHE INCROYABLE : Qu’entendons-nous réellement par recherche et comment permet-elle d’éclairer notre compréhension des choses ? Les personnes qui cherchent à ce que des preuves proviennent de toute recherche en science seront tristement déçues.

En tant qu’astrophysicien, je vis et respire la science. Une grande partie de ce que je lis et entends est formulée dans le langage de la science qui, pour les étrangers, peut sembler un peu plus que du jargon et du charabia. Mais un mot est rarement prononcé ou imprimé en science, et ce mot est « preuve ». En fait, la science n’a pas grand-chose à voir avec le fait de « prouver » quoi que ce soit.

Ces mots ont peut-être provoqué une expression d’inquiétude sur votre visage, d’autant plus que les médias nous disent continuellement que la science prouve des choses, des choses sérieuses avec des conséquences potentielles, comme le curcuma peut apparemment remplacer 14 médicaments, et des choses plus frivoles comme la science a prouvé que la mozzarella est le fromage optimal pour la pizza.

Sûrement, la science a prouvé ces choses, et beaucoup d’autres. Pas du tout !

La voie du mathématicien

Les mathématiciens prouvent des choses, et cela signifie quelque chose d’assez spécifique. Les mathématiciens établissent un ensemble particulier de règles de base, connues sous le nom d’axiomes, et déterminent quelles déclarations sont vraies dans ce cadre.

L’une des plus connues d’entre elles est la géométrie antique d’Euclide. Avec seulement une poignée de règles qui définissent un espace parfait et plat, d’innombrables enfants au cours des derniers millénaires ont sué pour prouver la relation de Pythagore pour les triangles rectangles, ou qu’une ligne droite traversera un cercle au plus à deux endroits, ou une myriade d’autres déclarations qui sont vraies dans le cadre des règles d’Euclide.

Alors que le monde d’Euclide est parfait, défini par ses lignes droites et ses cercles, l’univers que nous habitons ne l’est pas. Les figures géométriques dessinées avec du papier et un crayon ne sont qu’une approximation du monde d’Euclide où les déclarations de vérité sont absolues.

Au cours des derniers siècles, nous avons réalisé que la géométrie est plus compliquée que celle d’Euclide, avec des grands mathématiciens comme Gauss, Lobachevsky et Riemann qui nous ont donné la géométrie des surfaces courbes et déformées.

Dans cette géométrie non euclidienne, nous avons un nouvel ensemble d’axiomes et de règles de base, et un nouvel ensemble d’énoncés de vérité absolue que nous pouvons prouver.

Ces règles sont extrêmement utiles pour naviguer sur cette planète (presque) ronde. L’une des (nombreuses) grandes réalisations d’Einstein a été de montrer que la courbure et la déformation de l’espace-temps lui-même pouvaient expliquer la gravité.

Pour autant, le monde mathématique de la géométrie non-euclidienne est pur et parfait, et donc seulement une approximation de notre monde désordonné.

C’est quoi au juste la science ?

Mais il y a des mathématiques dans la science, vous criez. Je viens de donner un cours sur les champs magnétiques, les intégrales de lignes et le calcul vectoriel, et je suis sûr que mes étudiants conviendront volontiers qu’il y a beaucoup de mathématiques dans la science.

Et l’approche est la même que pour les autres mathématiques : définir les axiomes, examiner les conséquences.

Le célèbre E=mc2 d’Einstein, tiré des postulats de la façon dont les lois de l’électromagnétisme sont perçues par des observateurs différents, sa théorie spéciale de la relativité, en est un exemple parfait.

Mais de telles preuves mathématiques ne sont qu’une partie de l’histoire de la science.

La partie importante, celle qui définit la science, est de savoir si ces lois mathématiques sont une description précise de l’univers que nous voyons autour de nous.

Pour ce faire, nous devons collecter des données, à travers des observations et des expériences de phénomènes naturels, puis les comparer aux prédictions et aux lois mathématiques. Le mot central de cette entreprise est « preuve ».

Le détective scientifique

Le côté mathématique est pur et propre, alors que les observations et les expériences sont limitées par les technologies et les incertitudes. La comparaison des deux est enveloppée dans les domaines mathématiques de la statistique et de l’inférence.

Beaucoup, mais pas tous, s’appuient sur une approche particulière à cela connue sous le nom de raisonnement bayésien pour intégrer les preuves observationnelles et expérimentales dans ce que nous savons et pour mettre à jour notre croyance dans une description particulière de l’univers.

Ici, la croyance signifie la confiance que vous avez dans un modèle particulier étant une description précise de la nature, sur la base de ce que vous savez. Pensez-y un peu comme les chances de parier sur un résultat particulier.

Notre description de la gravité semble être assez bonne, de sorte qu’il pourrait être le favori des chances qu’une pomme tombe d’une branche au sol.

Mais j’ai moins confiance que les électrons sont de minuscules boucles de cordes rotatives et giratoires qui sont proposées par la théorie des supercordes, et il pourrait être un mille à un long-shot qu’il fournira des descriptions précises des phénomènes futurs.

Donc, la science est comme un drame judiciaire en cours, avec un flux continu de preuves présentées au jury. Mais il n’y a pas de suspect unique et de nouveaux suspects sont régulièrement présentés. À la lumière des preuves croissantes, le jury met constamment à jour sa vision de l’identité du responsable des données.

Mais aucun verdict de culpabilité ou d’innocence absolue n’est jamais rendu, car les preuves sont continuellement rassemblées et de nouveaux suspects défilent devant le tribunal. Tout ce que le jury peut faire, c’est décider qu’un suspect est plus coupable qu’un autre.

Que la science a-t-elle prouvé ?

Au sens mathématique, malgré toutes les années de recherche sur le fonctionnement de l’univers, la science n’a rien prouvé.

Tout modèle théorique est une bonne description de l’univers qui nous entoure, du moins dans une certaine gamme d’échelles qu’il est utile.

Mais l’exploration de nouveaux territoires révèle des déficiences qui abaissent notre croyance dans le fait qu’une description particulière continue à représenter fidèlement nos expériences, tandis que notre croyance dans les alternatives peut croître.

Au bout du compte, connaîtrons-nous la vérité et tiendrons-nous entre nos mains les lois qui régissent véritablement le fonctionnement du cosmos ?

Alors que notre degré de croyance en certains modèles mathématiques peut devenir de plus en plus fort, sans une quantité infinie de tests, comment pourrons-nous jamais être sûrs qu’ils représentent la réalité ?

Je pense qu’il est préférable de laisser le dernier mot à l’un des plus grands physiciens, Richard Feynman, sur ce qu’est être un scientifique :

J’ai des réponses approximatives et des croyances possibles à différents degrés de certitude sur différentes choses, mais je ne suis absolument sûr de rien.

Cet article fait partie d’une série sur la compréhension de la recherche.

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