Qu’est-ce qu’une Théorie Scientifique ?
Dans les conversations occasionnelles, les gens utilisent souvent le mot théorie pour signifier « intuition » ou « deviner »: Si vous voyez le même homme monter dans le bus en direction du nord tous les matins, vous pourriez penser qu’il a un travail dans le nord de la ville; si vous oubliez de mettre le pain dans la boîte à pain et que vous découvrez que des morceaux en ont été retirés le lendemain matin, vous pourriez penser que vous avez des souris dans votre cuisine.
En science, une théorie est une affirmation plus forte. En règle générale, il s’agit d’une affirmation sur la relation entre divers faits; une façon de fournir une explication concise de ce qui a été observé. L’American Museum of Natural History le dit ainsi: « Une théorie est une explication bien étayée d’un aspect du monde naturel qui peut incorporer des lois, des hypothèses et des faits. »
Par exemple, la théorie de la gravité de Newton — également connue sous le nom de loi de la gravitation universelle – dit que chaque objet, n’importe où dans l’univers, répond de la même manière à la force de gravité. Les données d’observation du mouvement de la Lune autour de la Terre, du mouvement des lunes de Jupiter autour de Jupiter et de la chute vers le bas d’un marteau tombé sont toutes cohérentes avec la théorie de Newton. La théorie de Newton fournit donc un moyen concis de résumer ce que nous savons du mouvement de ces objets — en fait, de tout objet répondant à la force de gravité.
Une théorie scientifique » organise l’expérience « , explique James Robert Brown, philosophe des sciences à l’Université de Toronto, à Mental Floss. » Cela le met sous une forme systématique. »
Une THÉORIE RÉUSSIE EXPLIQUE
La capacité d’une théorie à rendre compte de faits déjà connus jette une base solide pour son acceptation. Examinons de plus près la théorie de la gravité de Newton à titre d’exemple.
À la fin du 17ème siècle, les planètes étaient connues pour se déplacer sur des orbites elliptiques autour du Soleil, mais personne n’avait une idée claire de la raison pour laquelle les orbites devaient avoir la forme d’ellipses. De même, le mouvement des objets qui tombent était bien compris depuis les travaux de Galilée un demi-siècle plus tôt; le scientifique italien avait élaboré une formule mathématique qui décrit comment la vitesse d’un objet qui tombe augmente avec le temps. La grande percée de Newton a été de lier tout cela ensemble. Selon la légende, son moment de perspicacité est venu alors qu’il regardait une pomme qui tombait dans son Lincolnshire natal.
Dans la théorie de Newton, chaque objet est attiré par un autre objet avec une force proportionnelle aux masses des objets, mais inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. C’est ce qu’on appelle une loi du « carré inverse”. Par exemple, si la distance entre le Soleil et la Terre était doublée, l’attraction gravitationnelle entre la Terre et le Soleil serait réduite au quart de sa force actuelle. Newton, en utilisant ses théories et un peu de calcul, a pu montrer que la force gravitationnelle entre le Soleil et les planètes lors de leur déplacement dans l’espace signifiait que les orbites devaient être elliptiques.
La théorie de Newton est puissante car elle explique beaucoup de choses: la pomme qui tombe, le mouvement de la Lune autour de la Terre et le mouvement de toutes les planètes — et même des comètes — autour du Soleil. Tout cela avait maintenant un sens.
UNE THÉORIE RÉUSSIE PRÉDIT
Une théorie gagne encore plus de soutien si elle prédit de nouveaux phénomènes observables. L’astronome anglais Edmond Halley a utilisé la théorie de la gravité de Newton pour calculer l’orbite de la comète qui porte maintenant son nom. Tenant compte de l’attraction gravitationnelle du Soleil, de Jupiter et de Saturne, en 1705, il prédit que la comète, qui avait été vue pour la dernière fois en 1682, reviendrait en 1758. Bien sûr, il l’a fait, réapparaissant en décembre de la même année. (Malheureusement, Halley n’a pas vécu pour le voir; il est décédé en 1742.) Le retour prédit de la comète de Halley, dit Brown, était « un triomphe spectaculaire » de la théorie de Newton.
Au début du 20e siècle, la théorie de la gravité de Newton serait elle—même remplacée — comme le disent les physiciens – par celle d’Einstein, connue sous le nom de relativité générale. (Là où Newton envisageait la gravité comme une force agissant entre les objets, Einstein décrivait la gravité comme le résultat d’une courbure ou d’une déformation de l’espace lui-même.) La relativité générale a pu expliquer certains phénomènes que la théorie de Newton ne pouvait pas expliquer, comme une anomalie dans l’orbite de Mercure, qui tourne lentement — le terme technique pour cela est « précession » – de sorte que, alors que chaque boucle que la planète emprunte autour du Soleil est une ellipse, Mercure trace au fil des ans une trajectoire en spirale similaire à celle que vous avez peut-être faite enfant sur un Spirographe.
De manière significative, la théorie d’Einstein a également fait des prédictions différentes de celles de Newton. L’une était l’idée que la gravité peut plier la lumière des étoiles, ce qui a été spectaculairement confirmé lors d’une éclipse solaire en 1919 (et a fait d’Einstein une célébrité du jour au lendemain). Près de 100 ans plus tard, en 2016, la découverte des ondes gravitationnelles a confirmé une autre prédiction. Au cours du siècle entre, au moins huit prédictions de la théorie d’Einstein ont été confirmées.
UNE THÉORIE PEUT ÉVOLUER, FUSIONNER OU ÊTRE REMPLACÉE
Et pourtant les physiciens pensent que la théorie d’Einstein cédera un jour la place à une nouvelle théorie plus complète. Il semble déjà entrer en conflit avec la mécanique quantique, la théorie qui fournit notre meilleure description du monde subatomique. La façon dont les deux théories décrivent le monde est très différente. La relativité générale décrit l’univers comme contenant des particules avec des positions et des vitesses définies, se déplaçant en réponse aux champs gravitationnels qui imprègnent tout l’espace. La mécanique quantique, en revanche, ne donne que la probabilité que chaque particule se trouve dans un endroit particulier à un moment donné.
À quoi ressemblerait une « théorie unifiée de la physique », qui combine la mécanique quantique et la théorie de la gravité d’Einstein ? Vraisemblablement, cela combinerait le pouvoir explicatif des deux théories, permettant aux scientifiques de donner un sens à la fois au très grand et au très petit dans l’univers.
UNE THÉORIE PEUT AUSSI ÊTRE UN FAIT
Passons un instant de la physique à la biologie. C’est précisément en raison de son vaste pouvoir explicatif que les biologistes tiennent la théorie de l’évolution de Darwin — qui permet aux scientifiques de donner un sens aux données de la génétique, de la physiologie, de la biochimie, de la paléontologie, de la biogéographie et de nombreux autres domaines — en si haute estime. Comme l’a dit le biologiste Theodosius Dobzhansky dans un essai influent en 1973, « Rien en biologie n’a de sens sauf à la lumière de l’évolution. »
Fait intéressant, le mot évolution peut être utilisé pour désigner à la fois une théorie et un fait — ce que Darwin lui-même a réalisé. « Darwin, quand il parlait d’évolution, faisait la distinction entre le fait de l’évolution et la théorie de l’évolution », explique Brown. « Le fait de l’évolution était que les espèces avaient, en fait, évolué — et il avait toutes sortes de preuves pour cela. La théorie de l’évolution est une tentative d’expliquer ce processus évolutif. »L’explication que Darwin a finalement trouvée était l’idée de la sélection naturelle — en gros, l’idée que la progéniture d’un organisme variera et que la progéniture avec des traits plus favorables sera plus susceptible de survivre, transmettant ainsi ces traits à la génération suivante.
NOUS AVONS CONFIANCE DANS LES THÉORIES
De nombreuses théories sont solides: les scientifiques ont autant confiance dans les théories de la relativité, de la mécanique quantique, de l’évolution, de la tectonique des plaques et de la thermodynamique que dans l’affirmation selon laquelle la Terre tourne autour du Soleil.
D’autres théories, plus proches de la pointe de la recherche actuelle, sont plus provisoires, comme la théorie des cordes (l’idée que tout dans l’univers est composé de minuscules cordes vibrantes ou de boucles d’énergie pure) ou les différentes théories multivers (l’idée que notre univers entier n’est qu’un parmi tant d’autres). La théorie des cordes et les théories multivers restent controversées en raison du manque de preuves expérimentales directes pour elles, et certains critiques affirment que les théories multivers ne sont même pas testables en principe. Ils soutiennent qu’il n’y a aucune expérience concevable que l’on puisse effectuer qui révélerait l’existence de ces autres univers.
Parfois, plus d’une théorie est avancée pour expliquer les observations de phénomènes naturels; on pourrait dire que ces théories « rivalisent », les scientifiques jugeant laquelle fournit la meilleure explication pour les observations.
« C’est ainsi que cela devrait idéalement fonctionner », dit Brown. « Vous mettez en avant votre théorie, je mets en avant ma théorie; nous accumulons beaucoup de preuves. Finalement, l’une de nos théories pourrait s’avérer évidemment meilleure que l’autre, sur une certaine période de temps. À ce moment-là, la théorie de la perte tombe en quelque sorte. Et la théorie gagnante livrera probablement des batailles à l’avenir. »