J’étais l’autre jour dans le métro, assis derrière un gamin de 16 à 18 ans, qui lisait son cours de sciences physiques, plus précisément un chapitre sur l’atomistique et le photon. Il y était écrit plus ou moins la chose suivante :
« Le photon est le support de la lumière. C’est à la fois une onde et une particule : particule qui se déplace en ligne droite lors de phénomènes optiques (lois de Snell-Descartes), onde lors de phénomènes d’interférences, comme la diffraction (tâche d'Airy, fentes de Young). »
Ceci est non seulement faux, mais surtout terriblement trompeur et effrayant quant à la manière d’enseigner et de penser la science.
Une particule est un objet matériel de taille suffisamment petite, dont une propriété essentielle est sa masse, non nulle. Une onde est une perturbation périodique de certaines propriétés physiques d’un milieu, qui transporte une énergie sans transporter de matière. La nature d’un objet physique ne peut donc être à la fois ondulatoire et corpusculaire, c’est à dire à la fois purement matérielle et purement énergétique, puisque ces deux propriétés sont antinomiques. La tentative d’expliquer les transferts de chaleur, au XVIIIe siècle, en faisant intervenir un fluide nommé calorique censé véhiculer la chaleur s’est soldée par une fin de non-recevoir lorsqu’on a défini l’énergie et mis en évidence qu’elle est un mouvement microscopique ou macroscopique de particules et non une particule elle-même :
- électricité : mouvement d’électrons dans une direction donnée,
- chaleur : mouvement de molécules, atomes, et ions dans des directions aléatoires,
- travail mécanique : mouvement de corps dans des directions données,
- lumière (et autres ondes électromagnétiques) : on va y revenir…
En physique newtonienne, toute énergie macroscopique (l’énergie perceptible d’un corps visible à l’œil nu) se résume donc à l’énergie cinétique (liée à la vitesse de déplacement) moyenne des particules microscopiques qui composent ce corps. Le gros problème de la lumière est qu’elle n’a pas besoin de corps pour se déplacer, puisqu’elle nous arrive du Soleil en traversant 150 millions de km de vide. Donc, si le photon est une particule, alors sa masse est nulle. Donc ça n’est plus une particule ?!?
Pourtant, lorsqu’on projette un faisceau lumineux sur un miroir, la lumière se propage de façon rectiligne, uniforme, et est renvoyée de la même façon qu’une grappe de balles rebondissent sur un mur (l’angle d’incidence est égal à l’angle résultant). Dans certains cas, la lumière se comporte donc comme un faisceau de particules matérielles. Le concept capital ici est « se comporte comme ».
Imaginons un cylindre, éclairé dans deux axes différents, et que la seule perception que nous ayons de ce cylindre soient ses deux projections :
Ce que nous voyons de ce cylindre est donc d’une part un carré et d’autre part un cercle. Le cylindre se comporte comme un cube et comme une sphère. Imaginez qu’on retire le cylindre et qu’on ne vous montre que les projections de l’objet. Sans cette information, pensez-vous que l’objet volumique source soit un cube ou une sphère ? Est-il les deux en même temps ? Mais peut-il être les deux à fois sans violer la définition du cube et/ou celle de la sphère ? En l’absence d’information sur la nature de l’objet, on est tenté de superposer deux modèles, deux descriptions partielles et complémentaires de cet objet : une description cubique et une description sphérique.
Les physiciens sont dans la même posture : remplacez le cylindre par la lumière, et ses projections par les propriétés observables du photon. Il doivent tenter de reconstruire la nature de l’objet en utilisant seulement ses propriétés et son comportement observés. En fonction de ce comportement observé, les physiciens établissent des modèles qui ne sont rien d’autre que des tentatives de description des phénomènes observés, dans des termes intelligibles pour la pensée humaine (c’est à dire des mots et des équations).
Le photon possède donc deux modèles à fois, celui de particule et celui d’onde, qui permettent de le décrire dans des situations différentes. Les deux sont incomplets et antinomiques, et sont donc des interprétations approximatives (néanmoins suffisamment précises pour être utilisables). Mais ce qu’il faut retenir ici, c’est que à :
- la dualité onde-corpuscule de la lumière s’applique non pas à sa nature (le cylindre), mais à son comportement (les projections du cylindre). La nature de la lumière ne peut être double, ses propriétés le peuvent,
- les deux modèles reposent sur des hypothèses qui doivent être mentionnées et clarifiées,
- le modèle qui s’applique dépend des conditions dans lesquelles on travaille et du phénomène analysé,
- le photon n’est ni une onde, ni une particule, mais quelque chose d’autre qui présente les caractéristiques d’une onde et d’une particule : un quantum d’énergie résultant de la transition d’un électron entre deux états d’énergie (les détails de cette affirmation sont les fondements de la physique quantique).
La science s’intéresse à la description de phénomènes. Elle n’a pas vocation à les expliquer, elle n’a pas vocation à chercher la vérité, elle n’a d’ailleurs pas de vocation du tout et vouloir lui en trouver une est une dérive idéologique aux conséquences généralement dangereuses. Pour effectuer cette description, les scientifiques crééent des objets conceptuels (particules, flux, mouvement) qu’ils relient ensemble dans des modèles comportementaux. Mais les objets comme les modèles ne sont que des vues de l’esprit. La nature des choses reste inconnue et déduite de leurs manifestations, seules ces manifestations en sont tangibles et observables (en général). Au cours des XVIIIe et XIXe siècles, les scientifiques ont inventé toutes sortes de particules (électron, photon, neutron) que la technologie n’a permis d’observer ou d’invalider qu’à partir du XXe siècle. Encore aujourd’hui, les physiciens crééent toutes sortent de particules dont l’existence réelle n’est que pure spéculation à ce stade (phonons, bosons, gravitons, etc.) mais permettent de produire des modèles comportementaux, dont la validité est assujettie à l’existence de ces particules.
La science n’est pas un catalogue de connaissances. La science n’est pas une encyclopédie. L’encyclopédie est un cliché instantané des modèles scientifiques acceptés à un instant donné. La science est un procédé logique, une méthode, une démarche, une discipline, une façon de raisonner à partir d’observations. Or ça n’est pas de cette façon qu’elle est enseignée à l’école, même pas au niveau ingénieur. Elle est assénée comme des vérités bibliques, réifiée, dénaturée : des constantes, des équations prêtes à l’emploi, des explications simplifiées, voire des métaphores anthropomorphiques, et des lois dont la causalité n’est pas toujours évidente. On fait des « leçons de choses » qui produisent des savants d’occasion, à la tête remplie de connaissances périssables prêtes à consommer, rapidement formés et rapidement évalués. On transforme la science en produit fini.
On trouve dans les livres de physique-chimie beaucoup trop de métaphores antropomorphiques qui visent notamment à personnifier les molécules, atomes et leurs particules pour « expliquer » leur interactions. Ces tentatives des simplification pédagogiques sont inacceptables à plusieurs égards, premièrement parce que cela suppose que « la nature » a un but ou une vocation, deuxièmement parce que cela revient à inférer des liens de causalité qui n’ont aucun fondement scientifique. Exemples classiques :Le story-telling n’a pas sa place en science, il faut rester descriptif et factuel pour éviter de confondre corrélation et causalité. Si l’on peut tolérer le story-telling dans des émissions de vulgarisation pour jeunes enfants (Il était une fois la vie, etc.), de tels procédés n’ont pas leur place dans des manuels scolaires. De plus, il faut s’abstenir d’expliquer l’inexplicable. On ne sait pas pourquoi la gravité gravite, pourquoi les planètes tournent autour du Soleil, pourquoi on tient sur un vélo avec de la vitesse et qu’on en tombe à l’arrêt. On sait seulement, par exemple, que la gravité agit entre des corps pesants, dépend de leur masse, courbe l’espace-temps de façon peu intuitive et que les forces d’attraction qu’elle induit se modélisent par la loi de Newton. La science ne répond pas à la question « pourquoi ? » (dans quel but), elle répond à « comment ? » (par quel moyen). Elle n’explique rien, elle décrit. Commencer à chercher un but à la nature, c’est quitter la science pour la religion.
- l’électron est attiré par son copain le proton : les particules n’ont pas d’attirances affectives,
- les atomes d’un cristal se donnent la main pour diminuer leur énergie interne : un système chimique tend à se stabiliser à son niveau d’énergie minimal. Ça n’est pas une stratégie pour diminuer son énergie, c’est que le système perd de l’énergie pendant la réaction et qu’une fois l’énergie suffisamment faible, la réaction s’arrête. Le lien de causalité est ici fallacieux, ce n’est pas un agent de la matière qui décide de la stratégie thermodynamique à suivre mais les conditions favorables à la réaction qui disparaissent à un moment donné.
- la nature a horreur du vide : la nature n’a horreur de rien, le vide agit simplement comme une pompe qui aspire les éléments environnants jusqu’à équilibre des pressions locales.
En ces temps de faits alternatifs (qu’on appellera donc « mensonges »), on veut se réfugier derrière le fait scientifique comme vérité crédible. Mais le fait scientifique (la preuve) est inintelligible pour le commun des mortels, qui doit se contenter de l’interprétation qui en est faite par des scientifiques, humains donc très imparfaits. Une interprétation qui n’est valide sous certaines conditions seulement, et qui repose sur des hypothèses simplificatrices. Il y a le même danger à refuser l’interprétation scientifique qu’à essayer de lui donner valeur de fait : on change d’église mais on reste dans le dogme et dans la foi. On cite l’expert scientifique avec plus d’assurance et de certitude qu’il n’en a lui-même, pourvu que ses diplômes et ses fonctions soient crédibles.
À l’époque d’Internet, des hoaxs, de Trump, de l’open-access, il faut se demander ce qu’est la connaissance. L’histoire des sciences est pleine de modèles invalidés, d’autres raffinés, certains validés sur des coups de chance. La connaissance n’est pas une liste de modèles séparés de leurs hypothèses, de leurs conditions et limites de validité. Le photon n’est pas à la fois une particule et une onde. La connaissance est un ensemble logique de données, interprétées par des modèles validés par l’expérience, basés sur des hypothèses simplificatrices, valides dans des conditions précises, et utilisées par un cerveau prudent. Et c’est cela qu’il faut enseigner en cours de sciences. Cela suppose d’introduire la philosophie plus tôt dans le cursus, mais aussi d’abandonner le bachotage et la reproduction d’exercices-types pour initier les élèves à la démarche scientifique, à la conduite d’expériences, et à la rédaction de protocoles expérimentaux le plus tôt possible. L’enjeu du XXIe siècle n’est pas l’accès à la connaissance, disponible massivement et gratuitement depuis le fond de notre poche, il est dans le tri, l’analyse et la critique de la connaissance.