Combien d'expériences ont-elles été faites ?

 Dans  un livre sur les expériences fondatrices de la science moderne, l'auteur évoque "des milliers, voire des millions d'expérience qui ont été faites depuis le début des activités scientifiques".

Evidemment, quand on me présence des nombres tels que ceux-ci, je me pose évidemment la question de savoir comment ils sont proposés, sur quelles bases sérieuses, quantitatives, ils ont été proposés... et ce qu'ils signifient, parce que, au fond, des milliers ne sont pas des millions !

Ce que je sais, personnellement, c'est que j'avais calculé que l'ordre de grandeur du nombre de pesées que faisait un stagiaire dans le Groupe de gastronomie moléculaire au cours d'un stage de deux mois était de l'ordre de 10000,  de sorte que quand je lis la phrase "des milliers d'expérience", je sais que l'on est bien loin du compte  ! Car s'il y en a 10 000 pour un seul étudiant et que je considère que j'ai encadré le travail d'environ 500 étudiants, on arrive déjà à 5 millions pour moi tout seul.

Cinq millions de pesées, mais évidemment pas 5 millions d'expérience au sens de plan construit et mené à son terme, car la pesée n'est qu'un élément de l'expérience ou du moins
de l'expérience telle que je la pense... et c'est là l'objet de ce billet, qui est de savoir ce que c'est qu'une expérience  : est-ce réduit à une pesée ou bien désigne-t-on aisi toute une chaîne de manipulations et de calculs, de réflexions théoriques, qui aboutissent à une sorte de oui ou non donné par la nature que l'on interroge ?

Dans un billet précédent, je m'interrogeais sur l'importance des expériences, mais ici, il y a lieu  de s'interroger sur leur nature même, car au fond, dans la démarche scientifique, la caractérisation quantitative d'un phénomène, dans une première étape d'un travail, est déjà une expérience, bien que d'une nature différente des tests epxérimentaux des prévisions théoriques.
 
 Et à ces mots,  je vois bien des expériences de différents types, de différentes amplitudes.
 
Reprenons, par exemple, l'expérience que Louis Pasteur publia en 1846 à propos de la séparation de deux des acides tartriques. Il s'agissait  de partir d'un mélange racémique, où les
cristaux des deux types étaient mélangés, et d'observer que certaines de leurs facettes étaient symétriquement opposées. Il s'agit là d'une expérience rapide, qui nécessite une pince et une loupe, mais qui doit être prolongée par la dissolution des cristaux des deux sortes dans  de l'eau et la mesure de la rotation de la polarisation de la lumière que l'on fait traverser la solution. Cela tient facilement dans une petite semaine de travail, car on n'oublie pas que les cristaux avaient été préparés - au terme d'une longue préparations- par avance par Auguste Laurent, comme cela est publié dans les comptes-rendus de l'Académie des sciences, dans un texte de réclamation de Laurent que son élève n'avait pas cité dans sa publication !

Mais passons, et comparons cela à la découverte de la désaimantation adiabatique nucléaire par Nicholas Kurti et ses amis  : cette fois le dispositif expérimental occupait une pièce entière, comme on le voit sur des photographies de l'époque, que Nicholas m'a données, avec des pièces qu'il avait fallu tourner, des électroniques qu'il avait fallu assembler, brancher, alimenter électriquement en fournissant d'ailleurs une énergie  considérable. Bref, il s'agissait du travail de toute une équipe de  physiciens, avec des contributions par les techniciens du laboratoire pour arriver finalement à faire passer du courant dans le système et à courir après l'effet envisagés.
Ce que Nicholas Kurti m'a raconté, c'est que, avec ses amis, ils avaient passé de longues journées à essayer différentes intensités de courant  dans leur système sans obtenir d'effet, jusqu'à ce que l'un d'eux dise "bon, nous avons tout essayé et si on faisait le contraire de ce que nous pensions", et c'est là que l'effet fut observé.
 

Avec cet exemple, on voit combien l' "expérience" est une ampleur supérieure à celle de Pasteur. Et on ne parle pas de la détection des ondes gravitationnelles ou du boson de Higgs, qui ont nécessité des collaborations internationales de très nombreux physiciens, techniciens, ingénieurs, sans compter les équipes administratives, les voyages des uns et des autres pour participer à des réunions de répartition des tâches, les calculs innombrables qui sont faits et ainsi de suite  : on est loin de l'idée romantique du chimiste dans son laboratoire, isolé, obtenant d'un coup un composé nouveau à l'issue d'une réaction simple ;  on ne retient que le dernier instant, celui où l'on obtient de l'information que l'on souhaitait et, d'ailleurs, on passe sous silence tous les échecs alors qu'une carrière de physico-chimie m'a bien montré que 99 % de ce que nous faisons n'aboutit pas, mais  c'est seulement si nous avons fait ce 99 % que nous obtenons le 1 % final,  qui donne la réponse que nous souhaitions.

On voit que je me suis éloigné de la question du nombre d'expériences effectuées depuis les débuts de la science moderne : c'est pour montrer que la question n'avait peut-être pas de sens... parce que, au terme de ce trop rapide examen, je ne sais toujours pas ce qu'est une "expérience".
Par exemple,  faut-il y inclure les calculs théoriques préparatoires ?

Dans les "dsr" du Groupe de gastronomie moléculaire, nos documents de préparation des expériences, nous planifions tout jusqu'aux gestes que nous devons faire en parfaite sécurité :  le plan de sécurité est inclus dans la préparation de l'expérience bien évidemment mais d'autre part, avant cela, nous produisons un modèle de l'expérience pour savoir si elle a une chance d'aboutir, nous y mettons les résultats de la recherche biographique, nous considérons, en les comparant, différentes techniques que nous pourrions mettre en œuvre, et ainsi de suite
Il est bien rare qu'un étudiant  qui fait un stage de quelques mois puisse faire la totalité du travail correspondant à ce que nous nommons une expérience, et même quand une personne particulièrement active et intelligente se met au travail, il est rare qu'il ou elle parvienne jusqu'au point où les résultats expérimentaux sont interprétés, ce qui a mon sens doit faire partie de l' "expérience", d'autant que cette interprétation impose   de nouvelles manipulations, des répétitions de ce que nous avons fait, et cetera

Et ce mot répétition est une nouvelle piste sur laquelle nous devons aller : dans la recherche scientifique, il est rarissime qu'on ne fasse qu'une seule expérience, car il nous faut des confirmations, des validations : si nous avons obtenu un effet, nous devons être sûr de l'obtenir régulièrement avant de publier notre résultat, et il ne faut pas s'étonner que la recherche
scientifique soit si lente : elle doit absolument être pour que l'on soit en mesure de publier quelque chose d'avéré.

D'ailleurs je ne compte pas le nombre de cas où les répétitions nous ont offert des surprises.

Par exemple,  je me souviens d'un cas très simple :  l'étude de la dégradation de l'acide ascorbique en solution dans l'eau chauffée à 100 degrés.
Nous avions fait une expérience qui durait ainsi plusieurs semaines et nous avions mesuré une dégradation assez rapide. Mais quand nous avons répété l'expérience (et cela avait été fait par le même scientifique précis que celui qui avait fait la première étude),  nous avons obtenu une dégradation bien plus lente. Quel résultat était "juste"  ? Les deux, bien sûr : un résultat expérimental est un résultat expérimental, un point c'est tout.

Mais nous avons refait l'expérience, ce qui nous a pris  à nouveau plusieurs semaines, et nous avons obtenu de nouveau la deuxième courbe de dégradation. Nous avons alors répété l'expérience, et c'est à nouveau la dégradation lente qui s'est manifestée.  Pourquoi la première courbe avait-elle été observée,  à l'issue d'un travail pourtant soigneux ? C'est une "anomalie que je ne comprends pas, même s'il y a des hypothèses, et par exemple le fait que nous utilisions des seringues, des verreries et que des contaminations pouvaient modifier la réaction de dégradation de l'acide ascorbique par un effet catalytique par exemple. Mais ce n'est qu'une hypothèse et tant que nous n'avons pas reproduit cette expérience en testant tous les paramètres possibles que nous imaginons, il nous est impossible de bien comprendre ce résultat... qui est un résultat important puisqu'il nous dit que selon les circonstances, on obtient des dégradations plus ou moins rapides de la vitamine C.

Mais il faut conclure en revenant à la question : qu'est-ce qu'une "expérience" ? On en mesurera le nombre quand on saura de quoi on parle !
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À propos de pesto ou de pistou

Pesto et pistou :  les deux préparations sont semblables, et je ne veux pas entrer dans les querelles de "véritables" pestos ou pistous,  car on  sait bien que tout change, d'un village à l'autre.
Ce qui est clair, c'est que les ingrédients  sont le basilic, l'ail, les pignons de pin,  l'huile d'olive, le parmesan ; avec eux, il s'agit d'obtenir une pâte verte qui sert de condiment, par exemple pour des pâtes.
 

Là j'ai refait l'expérience de comparer un pesto qui a été réalisé soit au mortier et au pilon, soit au mixeur :  c'est une expérience que j'avais déjà faite il y a plusieurs années au salon de l'agriculture sur le stand d'AgroParisTech, et j'ai été intéressé de la refaire aujourd'hui pour la énième fois et devant les caméras de mes collègues de l'INRAE qui préparent la fête de la science.
 
J'ai donc utilisé du basilic, des pignons pain, de l'ail, de l'huile d'olive, du parmesan,  et je m'y suis pris d'une façon éclairée par les connaissances que la gastronomie moléculaire et physique m'a données.

En effet, il faut considérer que l'ail et le basilic apportent de l'eau, où l'huile d'olive est émulsionnée.

En effet, quand on broie des tissus végétaux, ail ou basilic, on dégrade ces derniers, composés de cellules végétales cimentées par les parois végétales. Le broyage libère l'eau de ces cellules : les feuilles de basilic sont faites de 99 pour cent d'eau, et l'ail presque autant.

C'est seulement une fois que cette eau est libérée que l'on peut y émulsionner de l'huile, et il vaut mieux, d'ailleurs, le faire après avoir ajouté parmesan et pignons de pins (que l'on broie aussi), parce qu'ils apporteront d'autres composés "tensioactifs", qui favoriseront l'émulsion.

Au mortier et au pilon, l'opération de broyage est assez longue, et  l'on voit  le basilic qui perd progressivement sa belle couleur claire, s'assombrit, parce que le broyage met en contact des composés phénoliques et des enzymes phénoloxydases, qui étaient séparées dans les cellules : les enzymes transforment chimiquement les phénols.
Quand on ajoute ensuite de l'eau, du parmesan et des pignons de pin, la couleur s'éclaircit un peu mais guère,  et quand on ajoute ensuite de l'huile en broyant toujours on obtient donc l'émulsion après un long moment.

Si l'on fait la même chose, mais au mixer, en commençant par tous les ingrédients à l'exception de l'huile, on obtient une couleur d'un verre beaucoup plus printanier, beaucoup plus frais,  et quand on ajoute ensuite de l'huile, on obtient une émulsion qui a une couleur vraiment différente  : pour caricaturer on aurait un vert sapin dans le cas du mortier et pilon, et un vert printemps dans le cas du mixeur.

Mais la couleur n'est pas tout !

Oui, en matière de cuisine, c'est le goût qui importe. Et quand on compare les deux préparations, on constate une différence considérable : au mortier et  au pilon,  l'attaque est faible c'est-à-dire que le goût qu'on perçoit immédiatement en bouche, quand on met une cuillerée de pesto, est faible, et c'est seulement ensuite qu'il se met à croître à mesure que la dent continue d'écraser les morceaux qui subsistent  ; on a donc beaucoup de longueur en bouche mais peu d'attaque.

Pour le pesto au mixeur, c'est  l'inverse  : on a immédiatement une attaque puissante et pas une longueur en bouche extraordinaire.

Conclusion  : il faut mélanger les deux préparations, afin d'obtenir une couleur claire, de l'attaque, et de la longueur en bouche.

Bref, j'ai eu aujourd'hui une énième confirmation de cet effet que j'avais détecté au salon de l'agriculture. Je dis d'ailleurs "énième", parce que ce n'est pas la deuxième ni la seconde fois que je répète l'expérience :  c'est une répétition de répétition de répétition, etc.  puisque je fais cela chez moi chaque fois que je fais un pesto pour accompagner des pâtes.

La moralité de tout cela,  en quelque sorte, est que si on vous demande pile ou face, il faut demander la tranche soyez difficile. Ne cherchons pas à savoir si le mixer est mieux ou moins bien que le mortier et le pilon, mais faisons usage des deux.
D'autre part,  observons que la tradition n'a pas obtenu le "meilleur" :  il y a beaucoup d'améliorations à trouver quand se  retrousse les manches, quand on analyse, quand on cherche à comprendre... et c'est ainsi que la science sera belle et qu'elle sera célébrée pendant cette semaine de la science !

Méfions-nous de nos effets de manche, mais aussi de nos goûts personnels

Dans un livre consacré aux expériences, l'auteur écrit que Michael Faraday aurait été le plus grand de tous les expérimentateurs,  et cette déclaration est une tradition : on disait Faraday le Prince des expérimentateurs.
D'ailleurs, moi-même, qui ai eu et conserve une très grande admiration pour Faraday, je crois avoir été capable de telles déclarations à l'emporte-pièce, voulant faire partager mon enthousiasme à mes amis.

Pour autant, on m'a fait justement observer, il y a quelques années, que, au lieu de dire "le meilleur", "le plus grand", je serais bien avisé de dire plutôt "un des  meilleurs", "un des plus grands", et je crois judicieux de suivre cette règle.

En effet, Faraday a merveilleux merveilleusement expérimenté. A la Royal Institution, il a introduit des conférences du vendredi qui étaient toutes assorties d'expériences, il a fait un nombre considérable découvertes précisément parce qu'il se retroussait les manches et qu'il expérimentait de façon merveilleusement habile et intelligente.

Mais..

Mais  il n'est pas le seul de ce point de vue et l'on pourra faire observer que Lavoisier, s'il est devenu l'un des plus grands chimistes de tous les temps, l'a dû à son intelligence extraordinaire à la fois théorique et expérimentale.
Ou encore Rouelle, dont les cours étaient expérimentaux. Plus généralement, les professeurs  de chimie avaient jadis des "préparateurs", parce qu'ils montraient expérimentalement les phénomènes.

Et on connaît mille expérimentateurs admirables. Michel Eugène Chevreul, par exemple, expérimenta de façon ininterrompue pendant une longue décennie. Louis Joseph Gay-Lussac établit expérimentalement des résultats qui conduisirent à une vision moderne de la chimie par ses expériences extraordinaires. Plus proche de nous, Robert Woodward dirigea une armée de chimistes de talents pour obtenir la synthèse de la vitamine B12. Jean-Marie Lehn, qui fit partie de cette équipe, multiplia ensuite les travaux expérimentaux qui lui permirent des apports théoriques remarquables à propos de la chimie supramoléculaire et des théories de l'auto-organisation.

D'ailleurs, certains physiciens ont assez reproché aux chimistes de manquer d'ambition théorique pour que l'on soit habilité à attribuer à ces derniers une habileté expérimentale considérable.

Bref je pourrais enchaîner ainsi longuement, notamment en considérant les expérimentateurs du CERN, plus près de nous : pensons à Georges Charpak, par exemple.

Mais surtout, pour conclure, je vois mal les critères qui permettent à notre auteur enthousiaste de justifier ses déclarations. Il a bien des raisons pour lesquelles nous pouvons admirer une expérience ou un expérimentateur, mais seul notre goût personnel peut être une base pour justifier de faire partager nos admirations à nos amis. Aucun besoin, en tout cas, de faire des classifications aussi naïves, convenues, qu'injustifiées.

Des expériences "élégantes" ?

On me parle d'expériences qui seraient élégante, nettes, stylées :  nous avons là trois adjectifs, de sorte que, si nous nous conformons à une saine pratique scientifique, nous devons nous interroger pour les remplacer par la réponse à  la question "Combien ?"

Mais il y a mieux, ou pire selon le point de vue :  l'élégance ? Il y a là un jugement de valeur qui ne me plaît guère avec souvent l'hypothèse selon laquelle quelque chose de simple et efficace aurait une beauté particulière. Mais  le baroque, alors avec son accumulation ? Je l'aime personnellement beaucoup et ne suis pas prêt à céder un oukase esthétique, surtout quand il est implicite.

Et puis au fond, du strict point de vue scientifique, c'est le résultat qui compte. Ce qui m'importe, pour une expérience, c'est de savoir quelle était la question posée à la nature par l'expérience, qu'est-ce que l'expérience a permis de récupérer comme information. Et c'est en termes de découvertes que je dois juger les expériences, sans pouvoir mettre autre chose qu'un sentiment personnel pour comparer des choses qui ne sont pas comparables.

Par exemple, la découverte du benzène, par Michael Faraday, cette découverte qui a conduit aux travaux sur l'aromaticité, en chimie, était-elle plus ou moins "importantes" que la découverte de l'induction électromagnétique ? Etait-elle "élégante" ? On s'en moque : ce qui compte, c'est d'avoir découvert le benzène, l'induction électromagnétique.

Je crois qu'à moins d'y mettre des jugements de valeur, nous serions insensés de vouloir comparer des résultats d'expériences qui ne sont pas comparables, sans avoir de boule de cristal assez puissante pour nous permettre de deviner le devenir, les conséquences des idées théoriques ou des découvertes d'objets ou de phénomènes que nous faisons.

Des leçons de sciences du passé

L'analyse des travaux de quelques scientifiques du passé montre des particularités qui doivent nous conduire à mettre en œuvre des stratégies utile à la découverte scientifique.

Pour publier mon livre consacré à Michel Eugène Chevreul, le chimiste qui a a élucidé la structure moléculaire des graisses, j'ai été conduit à relire toutes ses publications, et c'est ainsi qu'il m'est apparu clairement qu'il avait mis en œuvre un programme de recherche expérimentale ininterrompue sur une période d'environ 10 ans.
C'est ensuite qu'il a pu se livrer à des synthèses, reprenant des synthèses partielles qu'il faisait périodiquement. Il s'agissait d'une exploration méthodique, approfondi et le résultat a été  à la hauteur de l'effort.

Ce qui est visible très nettement avec le travail de Chevreul l'est peut-être encore davantage avec Louis-Joseph Gay-Lussac, qui a enchaîné les mesures et les expériences pendant des années avant d'arriver aux découvertes sur les gaz qui l'ont rendu célèbre.

Avec Lavoisier c'est un peu différent, mais on voit bien l'ardeur d'un jeune homme qui ne s'est pas démentie expérimentalement : j'ai lu (mais pas vérifié) que Lavoisier et son épouse étaient très tôt, et très tard, tous les jours, au laboratoire. Là on pourrait dire que les 10 ans de Chevreul se sont étalés sur toute une vie mais avec des synthèses régulières,  par exemple dans le Traité élémentaire de chimie.

Pour Michael Faraday c'est un peu différent parce que son travail s'apparente à celui de Lavoisier mais avec une focalisation expérimentale encore plus nette : si Lavoisier était impliqué à l'Académie des sciences, à faire des rapports, à faire des synthèses théoriques, Faraday est resté expérimentateur. Ses réflexions théoriques se manifestent dans ces expérimentations et leur compte rendu.

Plus près de nous le cas de Pierre-Gilles de Gennes est un peu différent, et d'abord parce qu'il était théoricien,  mais je peux témoigner que dès le début de sa carrière jusqu'à la fin de sa vie, il n'a cessé de se focaliser sur son travail scientifique. Par exemple, au Collège de France, on le voyait partir le vendredi soir avec des résultats expérimentaux qui lui étaient confiée par des membres de son équipe,  et il revenait  le lundi matin avec des calculs faits et un projet d'article, fondé sur ces calculs.

Je pourrais multiplier les exemples mais dans tous les cas, les résultats scientifiques relèvent de ce labor improbus omnia vincit  :  un travail acharné, vient à bout de tout.

Ah, les génies ;-)

Dans un livre d'histoire des sciences, je lis que les scientifiques de génie savent exactement à quoi attendre des expériences...  mais je pense que cette phrase est très fausse.

Je conçois que l'on veuille faire penser au public auquel on s'adresse que certains grands scientifiques sont « géniaux », mais quand même, il ne faut pas tout confondre, et, en particulier, je crois qu'il est pernicieux de laisser penser à une toute puissance de certains individus.

D'ailleurs, l'auteur que je lis se contredit, puisque quelques phrases auparavant, il écrivait que les expériences servaient à interroger la nature :  si l'on interroge la nature,  c'est bien parce que l'on voudrait savoir ce qu'elle peut nous dire et qu'on ne le sait pas, non ?

Il est plus juste de dire que les expériences servent à tester des hypothèses théoriques. Et pas toutes, puisque certaines expériences tout d'abord vivent à établir, à mieux voir, à mieux identifier les phénomènes que l'on explore.
Puis il y a les expériences qui vivent à caractériser quantitativement ces phénomènes.
Puis il y a des expériences de confirmation des mesures, et des expériences de test des ajustements que l'on fait.
Et c'est seulement enfin qu'il y a ces expériences qui testent des hypothèses théoriques.

Décidément, avec tout cela, on est bien loin de l'image fautive qui est donné par l'auteur qui inspire ce billet.

A propos des interprétations théoriques des résultats expérimentaux

Dans les articles scientifiques, la convention actuelle est d'utiliser la méthode IMRAD : I comme introduction, M comme méthodes et matériels, R comme résultats, et D comme discussion.

Il s'agit ici de ce dernier point, parce que j'observe que je suis tout souvent très insatisfait de ce qui est proposé dans les articles scientifiques que je lis.

Dans d'autres textes, j'ai discuté la question des interprétations, signalant que je vois une petite différence entre discussion et interprétations  : je trouve le mot interprétation assez juste quand il s'agit d'interpréter, et j'observe que c'est une manière de discuter très particulière. D'ailleurs, je propose de bien faire la... discussion des discussions dans le cadre clair de l'approche scientifique que je ne cesse de répéter :  il s'agit de commencer par identifier
un phénomène, puis de le caractériser quantitativement, de réunir les résultats de mesure en équations,  de réunir les équations en théories, en y ajoutant des propositions conceptuelles, puis de chercher des conséquences logiques des théories proposées avant de tester expérimentalement ces conséquences  théoriques.

Et c'est là qu'il y a lieu de s'interroger sur les résultats obtenus.
 

Identifier un phénomène,  cela se fait sans doute avec des mots, mais caractériser quantitativement un phénomène, c'est produire des résultats de mesure... à propos desquels il faut s'interroger. 

 

Puis, lors de la réunions de résultats de mesure en équations,  il y a également lieu de faire un travail quantitatif et non pas seulement une discussion en termes de mots. Par exemple considérons le cas simple d'un ajustement à partir de mesures, et supposons qu'on obtienne l'équation d'une droite (une proportionnalité) ;  il y a lieu de s'interroger sur la qualité de l'ajustement, sur la valeur des résidus,  et ainsi de suite. Tout cela doit faire l'objet d'une exploration quantitative. 

 Maintenant si on cherche une théorie,  alors cette théorie est clairement un ensemble d'équations et la proposition de concepts, mais ces propositions doivent être quantitatives ; on ne propose pas des mots sans qu'il y ait  un appui quantitatif essentiel...  puisque les concepts doivent être quantitatifs.
 

Vient maintenant la recherche d'une prévision théorique testable et un test expérimental :  là il y a lieu de s'interroger sur l'adéquation du résultat expérimental à la question posée et donc là encore au-delà de la production du résultat quantitatif, il y a lieu de s'interroger quantitativement sur ce résultat.

Bref, les "discussions" doivent être quantitatives, et pas des séries de phrases qui s'enchaînent. C'est quantitativement que l'on doit s'interroger sur  les résultats expérimentaux qu'on a obtenus.