La démarche scientifique : hypothèse, expérience, conclusion

La démarche scientifique est une façon de répondre à une question en se donnant les moyens d'avoir tort. On part d'une observation qui intrigue. On propose une explication, l'hypothèse, formulée de telle sorte qu'une expérience ou une observation puisse la contredire. On réalise ce test en contrôlant ce qui peut l'être. Puis on conclut : l'hypothèse tient, ou elle tombe. Dans les deux cas, d'autres refont le travail pour vérifier.

Le schéma « hypothèse, expérience, conclusion » résume bien l'idée, à condition de ne pas le prendre pour une recette. Les chercheurs reviennent sans cesse en arrière, reformulent, recommencent. Ce qui ne change pas, c'est la règle du jeu : l'expérience a le dernier mot. C'est d'ailleurs l'un des fils rouges de la rubrique Sciences et société.

D'où vient le schéma en étapes

En 1865, le physiologiste Claude Bernard publie son Introduction à l'étude de la médecine expérimentale. Il y décrit un raisonnement qui part d'une idée préconçue, l'hypothèse, que l'on soumet ensuite à l'expérience. Il insiste sur l'expérience comparative et sur la contre-épreuve : si l'on retire la condition supposée responsable d'un phénomène, le phénomène doit disparaître. Il prévient aussi que observation, hypothèse et expérience sont, dans la pratique, mêlées au point qu'il serait vain de vouloir les séparer.

Le philosophe Karl Popper ajoute une pièce en 1934, dans Logik der Forschung (traduit en français sous le titre La Logique de la découverte scientifique). Sa question : qu'est-ce qui distingue une théorie scientifique d'une affirmation qui n'en est pas une ? Sa réponse est la réfutabilité. Une hypothèse est scientifique si l'on peut imaginer une observation qui la contredirait. « Tous les cygnes sont blancs » est réfutable : il suffit d'un cygne noir. Une affirmation qu'aucune observation ne pourrait jamais démentir sort du champ de la science, ce qui ne dit rien de sa valeur par ailleurs.

Les étapes une à une

Observer et poser une question

Tout commence par un constat qui ne colle pas avec ce qu'on attendait, ou par une simple curiosité. Le clou laissé dehors rouille, celui du tiroir non. Pourquoi ? La question doit être assez précise pour qu'on puisse y répondre par un test. « Pourquoi le fer rouille ? » est vaste ; « l'eau seule suffit-elle à faire rouiller un clou ? » se teste.

Formuler une hypothèse testable

L'hypothèse est une réponse provisoire, et surtout une réponse qui prend un risque. « Un clou ne rouille pas sans oxygène » annonce un résultat précis : un clou privé d'air restera brillant. Si l'expérience montre le contraire, l'hypothèse tombe. Une hypothèse floue, du genre « l'environnement joue un rôle », ne peut être prise en défaut par aucun résultat, et c'est justement son défaut.

Une bonne habitude consiste à écrire, avant l'expérience, ce qu'on s'attend à voir si l'hypothèse est vraie et ce qu'on verrait si elle est fausse. Les documents d'accompagnement des programmes publiés sur Eduscol insistent sur ce point : une hypothèse s'accompagne de ses conséquences observables.

Concevoir l'expérience : un facteur à la fois

Le cœur du métier est là. Pour savoir si l'oxygène compte, on prépare deux montages identiques en tout point, sauf pour l'oxygène. Si l'on change en même temps la température, le type de clou et la quantité d'eau, on ne saura jamais ce qui a produit l'effet.

Le montage où rien n'est modifié s'appelle le témoin. C'est lui qui permet de dire « la différence vient de là ». Et un seul essai prouve peu : on répète, parce que le hasard, un clou mal nettoyé ou une erreur de lecture peuvent créer un écart trompeur.

Analyser les résultats et conclure

On compare ce qu'on observe à ce que l'hypothèse prévoyait. Si les deux concordent, l'hypothèse est corroborée, pour reprendre le mot de Popper : elle a survécu à un test, elle n'est pas démontrée pour toujours. Si les résultats la contredisent, il reste à vérifier que l'expérience était correcte, puis à abandonner ou modifier l'hypothèse.

Une expérience qui « rate » n'est pas perdue. Elle élimine une piste, et c'est souvent comme ça que la recherche avance.

Communiquer et faire vérifier

Un résultat qui reste dans un carnet ne compte pas. Les chercheurs publient leur méthode et leurs données pour que d'autres puissent les critiquer et refaire l'expérience. Le Comité national de la recherche scientifique du CNRS présente l'examen par les pairs comme le fondement du processus collectif de validation des connaissances nouvelles, dans un communiqué de 2020 sur la science ouverte.

Cette relecture ne suffit pas toujours. Lors d'une journée d'étude de l'Urfist de Bordeaux en 2019 sur la reproductibilité, les intervenants rappelaient que la relecture par les pairs ne garantit pas, à elle seule, qu'un résultat sera retrouvé par une autre équipe. D'où l'importance des tentatives de reproduction, qui font partie de la démarche autant que l'expérience initiale.

Un exemple historique : le puy de Dôme

Au milieu du XVIIe siècle, une question agite les savants. Dans un tube de verre rempli de mercure et retourné sur une cuvette, le mercure descend, mais s'arrête à une certaine hauteur. Qu'est-ce qui le retient ? L'explication ancienne invoque l'« horreur du vide » de la nature. Blaise Pascal en défend une autre : c'est la pression de l'air qui pèse sur la cuvette.

Son hypothèse a une conséquence testable. S'il s'agit du poids de l'air, il y en a moins au sommet d'une montagne, et la colonne de mercure doit y être plus courte. Le 19 septembre 1648, à sa demande, son beau-frère Florin Périer monte au sommet du puy de Dôme avec un tube. Un second tube reste en bas, à Clermont, sous la surveillance d'un religieux qui le relève pendant la journée. C'est le témoin : si la météo avait changé, il l'aurait montré.

Résultat : au sommet, la colonne est plus basse de plusieurs centimètres ; en bas, le témoin n'a pas varié. Périer raconte l'expérience dans une lettre datée du 22 septembre 1648. Pascal en publie le récit la même année. La pression qu'exerce un fluide, air ou eau, se retrouve d'ailleurs derrière la poussée qui fait flotter les bateaux, décrite dans notre article sur la poussée d'Archimède.

Ce que la démarche n'exige pas

Il n'y a pas toujours d'expérience au sens du laboratoire. En astronomie, en géologie ou en écologie, on ne peut pas recommencer l'histoire de la Terre. On teste alors une hypothèse par l'observation : si elle est juste, on devrait trouver tel fossile dans telle couche, telle étoile à tel endroit du ciel. Les participants aux programmes de sciences participatives, qui comptent des oiseaux ou photographient des insectes, fournissent précisément ce genre de données d'observation.

La démarche n'exige pas non plus qu'on parte toujours de l'observation. Newton, face à la lumière blanche, a imaginé une expérience décisive : faire passer une seule couleur, issue d'un premier prisme, dans un second prisme pour voir si elle se décomposait encore. Elle ne se décomposait pas. Ce que ses prismes ont révélé de la lumière est expliqué dans notre article sur l'arc-en-ciel.

À l'école, les programmes parlent de démarche d'investigation. Les ressources pédagogiques précisent qu'elle ne se réduit pas au modèle hypothèse-expérience-conclusion et que toutes les étapes n'ont pas à être parcourues à chaque séance. Le schéma reste une aide pour vérifier un raisonnement : ai-je une hypothèse qui peut échouer ? Ai-je un témoin ? Ai-je changé une seule chose à la fois ?