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27/03/2010

Expériences de pensée

Comment ne pas être fasciné par les « Expériences de pensée » ? Quel pouvoir d'imagination, quelle économie de moyens et quelle liberté de créativité !


Mais de quoi s’agit-il exactement ?

Une expérience de pensée (Thought experiment, ou Gedankenexperiment) est une méthode pour résoudre un problème scientifique ou philosophique en utilisant la seule puissance de l'imagination et de la pensée humaine, afin de substituer à l’expérimentation réelle une expérimentation accomplie par l’imagination.


Cette méthode remonte initialement à Galilée, mais a été utilisé par de nombreux scientifiques de Newton à Einstein. Elle a été étudiée en détail par Ernst Mach, dans La Mécanique[1], puis dans La Connaissance et l’erreur, Paris, 1919, où il en retrace le développement historique et lui donne une justification épistémologique.


La démarche générale qui préside aux expériences de pensée se formule par la question : que se passerait-il si... ? De nombreuses expériences de pensée portent sur les paradoxes de notre connaissance, mais elles peuvent porter sur des situations réelles, possibles physiquement.


Illustrons cela par l’exemple bien connu de la poussée d’Archimède :

« Considérons un fluide au repos. Délimitons, par une expérience de pensée, un certain volume de forme quelconque au sein de ce fluide. Ce volume est lui aussi au repos : malgré son poids, ce volume ne tombe pas. Cela signifie donc que son poids est rigoureusement équilibré par une force opposée, qui le maintient sur place, et qui provient du fluide extérieur. Remplaçons maintenant, toujours dans notre expérience de pensée, ce volume par un corps quelconque. Comme la force qui maintenait le fluide en équilibre est une force de pression agissant à la surface du volume, il est possible de supposer que cette même force s'applique encore au corps immergé : elle est toujours opposée au poids de fluide déplacé. C'est la poussée d'Archimède. »


Une expérience de pensée est généralement composée de trois étapes :


1. L’expérimentateur conçoit un scénario imaginaire dans son esprit afin de répondre à une question définie qui est généralement liée à une théorie spécifique.
2. Suite à l’exploration du scénario, il obtient par la seule pensée un résultat.
3. Enfin, de ce résultat, il tire les conclusions de son expérience de pensée.


Les modes de raisonnement impliqués peuvent être :
- pré factuel : Que se passerait-il si A arrivait ?
- contrefactuel : Que se passerait-il si A arrivait eu lieu de B ?

- de substitution : Que se passerait-il si on remplaçait B par A ?
- semi factuel : Est-ce qu’Y arriverait toujours si on avait X au lieu de A ?
- plus généralement le mode de raisonnement peut être prédictif, par simulation après coup, ou analytique des différentes étapes qui conduisent à un résultat.



Quelques exemples d’expériences de pensée


Le seau de Newton

Il n'est pas fréquent qu'un seau d'eau occupe le cœur d'un débat long de trois cents ans. Mais un seau ayant appartenu à sir Isaac Newton n'est pas un seau ordinaire, et la petite expérience qu'il décri­vit en 1689 a eu depuis une influence considérable sur les plus grands physiciens du monde, de Newton et Leibniz à Einstein en passant par Ernst Mach.

Voici l'expérience en question : prenons un seau rempli d'eau, pendons-le par une corde, faisons tourner le seau pour torsader la corde au maximum, puis lâchons le tout. Au début, le seau commence à tourner mais l'eau qu'il contient reste à peu près immobile; la surface de l'eau reste plate. Lorsque le seau commence à prendre de la vitesse, petit à petit, par le biais des frottements, son mouvement se communique à l'eau, qui commence elle aussi à tourner. Comme il se doit, la surface de l'eau prend une forme concave, plus haute sur les bords et plus basse au centre.

Voilà donc l'expérience - pas de quoi nous faire tourner la tête. Mais, en y réfléchissant un peu plus, nous prenons conscience que ce seau d'eau en rota­tion est surprenant. Et comprendre ce qui entre en jeu, bien qu'après trois siècles nous n'y soyons pas encore parvenus, est l’une des étapes les plus importantes pour la compréhension de la structure de l’univers.

Newton pose en effet la question du référentiel absolu. En examinant le seau en rotation, il observe que la surface du liquide forme une parabole due aux forces d’inertie. En effet, le liquide étant soumis à une rotation, subit une accélération. Il en conclue que la parabole indique une accélération absolue. Mais une accélération par rapport à quoi ? Par rapport aux étoiles lointaines supposées fixes, c’est à dire par rapport à une certaine distribution globale de matière prise comme référence ? Oui sans doute, mais dans l’hypothèse où l’univers entier serait en rotation et le seau resterait fixe, les mêmes forces apparaîtraient ; parler d’accélération absolue n’a pas plus de sens que de parler de vitesse absolue.

Mach, poursuivra sa réflexion en ce sens : sans masse dans l’univers autour du seau (et notamment en l’absence des masses lointaines qui définissent le champ global de gravitation), l’accélération ne pourrait pas être définie, il n’existerait pas d’inertie et la surface du liquide ne subirait pas une parabole de révolution; l’inertie est due à l’influence des masses de l’univers sur l’objet en mouvement dans le champ de gravité global de l’univers.

Ainsi, l’inertie, phénomène intrinsèque pour Galilée, relatif à un espace absolu pour Newton, devient un phénomène lié à la cosmologie pour Mach. Ce sera aussi le point de vue d’Einstein, mais le débat est toujours ouvert.



Géométrie non euclidienne

Qu’en serait-il du monde, par exemple, si on postulait que les parallèles se rejoignent ? On sait qu’en réponse à cette question, on a pu construire un monde entièrement cohérent dont la principale caractéristique est l’espace courbe ; est ainsi née la géométrie non-euclidienne.

 


La disparition de la Lune

Que se passerait-il si tout à coup, la Lune disparaissait ? L’effet gravitationnel sur la Terre serait-il immédiat ? Ou faudrait-il un certain temps pour que cet effet se fasse ressentir sur Terre ? Si oui quelle en serait la vitesse de propagation ?

De nombreux physiciens répondront que cette propagation est instantanée et la controverse durera jusqu'à Einstein qui, en application de la théorie de la Relativité Générale, montrera que cette propagation se fait à la vitesse de la lumière.



Le bateau de Thésée

D'après la légende grecque, rapportée par Plutarque, Thésée serait parti d'Athènes combattre le Minotaure. À son retour, vainqueur, son bateau fut préservé par les Athéniens : ils retiraient les planches usées et les remplaçaient - de sorte que le bateau resplendissait encore des siècles plus tard. Alors, deux points de vue s'opposèrent : les uns disaient que ce bateau était le même, les autres que l'entretien en avait fait un tout autre bateau. Le problème est de savoir si le changement de matière implique un changement d'identité, ou si l'identité serait conservée par la forme, ou encore d'une autre façon?

Il y a une autre question, corollaire : si on avait gardé les planches du bateau et qu'on l'avait reconstruit plus tard, serait-ce encore le même bateau ?

Pour les uns, le bateau de Thésée n'aurait pu rester identique à lui même que s'il était resté à quai, constamment entretenu, et dans ce cas, même si aucune pièce d'origine ne subsistait du bateau d'origine, c'est bien ce bateau-là qui aurait été le témoin de l'aventure de Thésée.



Le principe anthropique (Cet article ou cette section doit être recyclé. Sa qualité devrait être largement améliorée en le réorganisant et en le...)

Dans le domaine de la recherche d’autres forme de vies dans l’univers, il est particulièrement intéressant de mener des expériences de pensée à partir du principe anthropique qui peut s’énoncer de la façon suivante :

« Le principe anthropique (Cet article ou cette section doit être recyclé. Sa qualité devrait être largement améliorée en le réorganisant et en le...) (du grec anthropos, homme) est un principe métaphysique qui énonce que si nous observons l'univers (On nomme univers l'ensemble de tout ce qui existe, comprenant la totalité des êtres et des choses (celle-ci comprenant...) tel que nous le connaissons, c'est avant toute autre chose parce que... nous nous y trouvons ! Car, si nous n'y étions pas, nous ne serions pas là pour le constater. Il a été formulé et développé par Brandon Carter de l'observatoire de Meudon mais on en trouve le principe au premier livre du Monde comme volonté et comme représentation de Schopenhauer où il montre d'une part l'impossibilité pour toute science (La science (du latin scientia, connaissance) relève Historiquement de l'activité philosophique, et fut pendant...) d'atteindre une réalité en soi, d'autre part la confusion que font les hommes entre l'univers conçu et un supposé univers objectif indépendamment du sujet qui le conçoit. »

Ceci nous mènera à étudier le paradoxe de Fermi et l’équation de Drake, mais ce sera pour un autre article.

 

Liste de leins utiles sur les Expériences de pensée :

 

Petites expériences de pensée - Wikipédia

Thought experiment - Wikipedia, the free encyclopedia

Poussée d'Archimède - Wikipédia

expérience de pensée mach - Recherche Google

plaud.pdf (Objet application/pdf)

plaud.html





[1] La mécanique, exposé historique et critique de son développement, tr. E. Picard, Paris, Hermann, 1904