ARTheque - STEF - ENS Cachan | Modélisation et réalité en physique

MODELISATION ET REALITE EN PHYSIQUE

DDF5, Université de Grenoble 1

Mors CLEF: Induction - Réalité-I déalisation - Modéle Spontané-et sa Critique.

RESUME: Pour beaucoup il suffit d'enoncer que "Le modèle est une schématisation de la réalité.... et d'initier l'étudiantàcelte lecture de la réalité pour que tout s'eclaire. Mais ou est celle "Réalité" antérieure àtoute représentation 7 Dautre part, l'idéalisation, est une elpérience banale, constante, de la pensée naturelle et la problématique àlaquelle est confronté l'enseignant comme le chercheur est bien plutôt le passage d'un modèle spontané rejeté comme inopérant par la communautè scientifique ou didactique à un modèle consacré par les dites communautès que le passage du réel à son modele.

ABSTRACT: For many people saying that scientist"Model is a schematic view of reality' and teaching students this reading of reality is sufficient to clear up everything. But where is this "Reality" anterior to every representations. Besides mode! building, idealization are currently practised by the natural thought and the problem encountered by the teacher or the scientist is rather the passage from a spontaneous model, set apart by the scientists or teachers communities because of ils inefficiency to a model accepted by these communities th an the passage of the" real to his mode!".

) UN DISCOURS FREQUENT SUR LA MODELISATION ET SES IMPLICATIONS

1.1 DeUIelemples de ce discours relevés dans des manuels récents: "LES MODELES EN PHYSIQUE

Les problèmes réels sont souvent d'une telle complexité qu'une solution encte ou bien est impossible à trouver, ou alors exige des mesures très délicates et des calculs importants Une estimation grossière de la solution exacte peut souvent être obtenue à partir de modt}jes mi/thématiquesbasés sur des hypothèses simplificatrices et des aproximations." Joseph Kane et Morton Sternheim in PHYSIQUE Université du Massach usells.

'LE MODELE

Une théorie microscopique basée sur les premiers principes supposerait que l'on parte des constituants élèmentaires, noyaux et èlectrons de l'échantillon considérè... Cette description est cependant trop complexe pour étre praticable, Nous sommes donc amenés àla remplacer par un modéle, representation schématisée de la rèalité, dont le traitement mathematique soit faisable et qui presente avec le système réel assez de caractéres communs pour qu'on puisse espérer rendre compte du phénomene étudié" Roger Balian in Cours de physique statistique de l'école polytechniqueOntroduction) 1982.

12 Le contenu de ce discours,

Cette definition d'apparence anodine contient en fail une théorie de la production et de Ja transmission de la connaissance en physique: cette connaisance s'élabore sans médiation aucune à partir de la réalité expérimentale simplifiée. C'est la bonne vieille theorie de l'inductivisme : l'induction est la source de la connaissance, recouverte des habllS neufs de la modelisation comme le montre la suite du discours:"Le principe même de la connaissance scientifique....est l'expérience ouàdéfaut l'observation .. Les lois et les previsions resultent d'une inductionàpartir de ces données." Roger Balian idem. S'il en est ainsi, pour enseigner la construction de la connaissance en physique et la modélisation il suffira donc de construire à partir de quelques mesures un modèle très simple, On illustrera ainsi l'origine des lois physiques Il suffira d'initier l'étudiant àcelle lecture de la réalite pour quil entre dans le secret des lois de la nature.

2 L'INSUFFISANCE DE CETTE APPROCHE

2.1 L'induction ne peut serviràl'apprentissage des lois physiques.

D'autres se sont chargés d'établir que l'induction ne pouvait pas ètreàl'origine de la connaissance scientifique, On se contente ici de rapporter briéve ment une el périence pédagogique simple mais intéressante en ce sens qu'elle fournit un contre eIemple facilement opposable aUI nouveaUI partisans de l'induclivisme: Un groupe d'éléves étudie eIpérimentalement le refroidissement d'une masse d'eau portée initialement à une température supérieure à la température ambiante. Ils relévent les températures et établissent une courbe eIpérimentale (1)

T

T.

L - ) t

Le problème qui se pose ensuite est de déterminer la loi physique du refroidissement, la fonction dont cette courbe eIpérimentale est censée ètre le graphe, Le groupe arrive rapidement à la conclusion que la courbe peut être un arc d'hyperbole et calcule son para métre. Mais ensuite il arrive à la conclusion que ce pourrait être également un arc de parabole et toutes les fonctions de son répertoire s'avérent d'aussi bonnes candidates. 2.2 L'insuffisance de la modélisation inductive dans la recherche:

Il s'agit celle fois d'un elemple emprunté à la microélectronique et relatif au "vieillissement des transistors Mus": Un HUI d'électrons circule prés de l'interface entre le silicium et l'olyde et crée des défauts dans cette interface. Ces défauts sont des sites suceptibles d'accueillir des charges électriques qui altèrent une caractéristique essentielle du transitor sa conductance, sa faculté à conduire l'électricite

1)Celle elpérience a été réalisée et décrite par M. R. JourneauI EN.S. St Cloud avec un groupe de lycéens,

1 N'hl 1

Oxyde Semf-conducteur

(Silicium)

(-- Interfece

On peut Ir.esurer la conductance, on peut compter le nombre de défauts. Quelle est maintenant la loi qui relie la valeur de la conductance au nombre de défauts?

Cl>DductDnce

Nbd.

L . - ~défauts

Dans de nombreuses publications

on trouve la loi suivante:

conduct(sans dèt) - cond(avec)

- - - . Nb

conduct(sans dé!)

III diminution de conductonce reloti\le est proportionnelle ou nombre de défouts.

Cette loi a le mérite de la simplicité mais elle n'est vèrifiee que dans certaines configurations. Finalement des chercheurs ont montréà partir de travaux théoriques plus élaborés que le désordre introduit par les défauts plutôt que leur nombre était le veritable responsable de la dégradation et ont produit un modèle plus largement en accord avec l'expenence. Il est clair que quelques schématisations hâtives à partir de données quantitatives ne peuvent à elles seules faire surgir un modèle valide, Ces deul remarques conduisent à s'interroger sur le contenu de la définition du modéle donnée plus haut.

3 MODELE REPRESENTA TIaN SCHEMATISEE DE LA REALITE 7

31. Quelle relation entre physique et realité? La question déjà n'est pas simple.

Le débat physique-realitè n'est pas nouveau. Celui initié,il y a plus de cinquante ans dejà par Einstein et Bohr est toujours d'actualite:"11 est erroné de penser que l'objet de la

physique est de découvrir comment la nature est. La physique se rapporteà ce que nous pouvons dire à propos de la nature" N Bohr Th. atomique et la description de la nat . "La physique est une tentative de saisir la réalité indépendemment de son observation."A. Einstein notes autobiographiques cité par M.Jammer in la Recherche mai 1980. La physique est-elle un discours sur le monde (physique) ou prétend-t-elle donner une description exacte d'une réalité objective, le débat n'est pas tranché parmi les physiciens, 32, Mais le questionnement de la théorie quantique est autre,

Ainsi qu'en témoignent les interrogations d'un Bernard d'Espagnat qui a publié sucessive ment: "A la recherche du réel" 1979, puis: "Une incertaine réalité 1985", le questionnement porte désormais sur la consistance même de celte réalité qui doit renoncer à certains de ses attributs les plus familiers. Nous sommes ainsi tout naturellement conduitsà jeter un doute sur la possibilité de cette appréhension directe, immédiate de lalaréalité dont la schématisation conduirait au modéle,

33

L'idéalisation n'est pas l'apanage des seuls scientifiques. elle imprègne notre vie quotidienne et chacun de nos rapports au monde physique: dans la simple perception d'une image nous identifions et dénombrons des objets en leur attribuant une forme et un aspect propres qui permettent de les distinguer tout en reconnaissant l'ensemble des relations qui existent entre eUI et définissent leur appartenanceàune même structure. D'où ces objets tiennent-ils leur elistence sinon de l'idée que nous en avons:"il n'y a pas d'objet unique livréàlui même dans l'univers-tout objet est un melange de beaucoup de choses nous ne pouvons ainsi le traiter que comme une suite d'aprolimations et d'idealisations" (R. Feynman cours de physique) cependant, c'est sur cette idéalisation que repose notre vie de tous les jours, Les roboticiens ne l'ignorent pas, le robot doit reconnaitre non pas des formes mais un concept. En conclusion l'idéalisation n'est pas plus spécifique de la modélisation scientifIque que de toute autre activité intellectuelle et la réalité mentionnée est tout autant une construction intéllectuelle qu'un donné. Le probléme du physicien est bien plul6t celui de la critique d'un modéle spontané ou antérieur, le passage d'un modéle a un autre que celui de la confection d'un modele à partir d'un réel inaccessible.

4 UN EXEMPLE· DU MODELE SPONT ANE DU MOUVEMENT AU MODELE GALILEEN.

4.1.La description des modèles.

Le repos est rètat naturel de toutes Mouvement et repos sont relatifs; rien ne choses qui s'oppose au mouvement comme permet de les distinguer si la vitesse est son contraire. constante. Ils sont alors une même chose.

Le mouvement aussi naturel que le repos Tout mouve ment doit donc avoir une cause n'a pas besoin de cause pour elister ou et ne peut subsister sans elle la force-cause se maintenir. La causalité n'intervient que

dans la modification du mouvement: force-perturbatrice

La vitesse est la seule caracteristique du La vitesse ne peut suffir à caractèriser le

mouvement. mouvement. Il faut un nouvel outil: la

vitesse de la vitesse.

Com me l'effet est proportionnel à la cause, Pas de relation de causalité, pas de propor-la vitesse est proportionnelle à la force tionalitè entre vitesse et force.

La vitesse de chute est proportionnelle au La variation de la vitesse, est

proportion-poids des objets. nelle à la force.

42 Les elèments constitutifs de la critique du modèle spontané.

Le premier est un nouvelle idèe maitresse opposée à l'ancienne: ici le principe de relativitè qui soppose au caractére absolu du rèferentiel privilégié dans lequel la vitesse est nulle. Dans la crittque du modele spontané du vieillissement il yale refus d'un paramétre unIque pour decrire le phénomène et la recherche d'un maillon intermédiaire Cette nouvelle idee se tradUit par l'introduction d'un nouveau niveau d'analyse, Dans le cas du mouvement ranalyse se deplace du niveau de la seule positionàcelui de la vitesse. On se contentait dune seule différence finie entre les positions il faudra maintenant répéter l'opération avec les vitesses. Dans le cas du vieillissement l'analyse se dèplace du niveau purement quantitatif à un niveau qualitatif: l'effet des défauts,

Ce nouveau niveau d'analyse se traduit à son tour par l'introduction d'un nouveau concept physique celUI d'acceleration dans un cas, de dèsordre dans l'autre.