Comment l’histoire des sciences peut éclairer l’actualité scientifique contemporaine ? Europeanscientist donne la parole à Pierre Bonnefoy, journaliste scientifique, auteur de l’ouvrage Principes non-mathématiques de la science, qui nous expose ici comment Kepler a changé la méthode scientifique : une étude de cas qui permet de porter un éclairage instructif sur le recours aux modèles mathématiques dans l’étude du Climat.
Aristote est-il bien mort ?
Une polémique a récemment opposé sur Internet le professeur François Gervais, auteur du livre L’urgence climatique est un leurre dans lequel il critique les modèles mis de l’avant par le GIEC, selon lesquels les émissions de gaz carbonique d’origine humaine seraient responsables du réchauffement climatique, au Réveilleur, youtuber scientifique 1. Selon le Réveilleur, Gervais aurait le tort de s’appuyer sur des modèles purement mathématiques pour attaquer les modèles du GIEC qui, eux, reposeraient sur des hypothèses physiques validées par l’expérience. Bien qu’en réalité Gervais ne présente aucun modèle dans ses propos, cette polémique appelle quelques remarques sur la modélisation scientifique. C’est une veille problématique en histoire des sciences ; voyons dans quels termes elle se posait en astronomie il y a quatre siècles.
Avant Kepler, chaque astronome avait son modèle. Comme on le sait, celui de Ptolémée plaçait la Terre au centre de l’Univers, celui de Copernic y plaçait le Soleil, et celui de Tycho Brahe faisait tourner le Soleil autour de la Terre et les planètes autour du Soleil. Mais le plus intéressant n’est pas là. Tous partaient d’une approche aristotélicienne selon laquelle le Ciel est le lieu de la perfection, de la divinité – donc du non changement car la perfection, par définition, ne peut changer –, et la Terre est le domaine de l’être humain, de l’imperfection, du changement.
Hélas ! Bien que la plupart des étoiles semblent fixes les unes par rapport aux autres, 7 astres, les « planètes », changent de position tout le temps. Il fut donc décrété que ce changement s’exprimerait à partir du mouvement géométrique le plus parfait possible, c’est-à-dire le mouvement circulaire uniforme dont la vitesse et la courbure sont constantes. Ce postulat fut admis dans tous les modèles de Ptolémée à Galilée inclus.
Vint Kepler qui proclama la mort d’Aristote dans ses trois livres les plus célèbres : Le mystère du monde, L’astronomie nouvelle, et L’harmonie du monde. Pour Kepler, la science ne se réduit pas à la modélisation qui est nécessairement réductrice et donc fausse. Le plus important pour lui en science, c’est la manière dont le savant interroge la nature, par la méthode expérimentale, pour en découvrir les principes. C’est pourquoi, il présente à son lecteur son parcours intellectuel, la série d’hypothèses fausses qu’il teste et rejette mais qui conduisent à la découverte scientifique.
De plus, là où le modélisateur prétend décrire par des lois fixes comment se déroulent les phénomènes particuliers que nous observons, Kepler cherche les raisons physiques pour lesquelles l’ensemble de l’Univers se comporte de telle manière et pas d’une autre. Dit autrement : la même physique s’applique sur le Ciel comme sur la Terre – ce qui constitue une avancée conceptuelle majeure dans la science de l’époque.
Ouvrons une parenthèse. On parle aujourd’hui de « dérèglement climatique ». Ceux qui utilisent cette expression supposent implicitement qu’il existerait un certain climat parfait qu’il faudrait maintenir à tout prix, bien qu’ils ne définissent pas ce que devrait être un tel climat. Ils pensent ainsi quelque peu comme Aristote pour qui le monde idéal est fixe.
Par ailleurs, les modèles actuels du changement climatique semblent séparer la physique de la Terre du reste de l’Univers : ils ne prennent en compte que des facteurs terrestres, laissant de côté ceux d’origine solaire et cosmique. Il est vrai que sans cela, la modélisation serait hors de portée des calculateurs actuels, mais enfin certains travaux comme ceux d’Henrik Svensmark et Nir Shaviv semblent montrer que les rayonnements cosmiques jouent un rôle fondamental dans la formation des nuages et donc du climat…
Kepler change la pensée scientifique
Revenons à Kepler. Disposant des mesures des positions de Mars, obtenues par Brahe sur de nombreuses années et avec la plus grande précision jamais atteinte, il commence dans son Astronomie nouvelle par comparer les trois principaux modèles du moment pour voir lequel s’accorde le mieux aux observations. Or, il constate que ces modèles sont équivalents : ils peuvent pareillement « expliquer » les mêmes mesures, à condition de choisir pour chacun le bon jeu de paramètres, et ils permettent de faire le même type de prévision pour des événements futurs. Ptolémée « marche » aussi bien que Copernic. Il est donc impossible de les départager sur la base d’arguments purement géométriques !
Cependant, dans tous les cas il y a un écart d’au moins 8 minutes d’angles entre certaines mesures et les calculs correspondant. Un écart très petit à l’époque que n’importe qui aurait négligé. Seul face à plus de 97% des experts en astronomie, Kepler décide alors de changer la manière de penser. Avant de vouloir plaquer un modèle a priori pour décrire le phénomène observé, il comprend qu’il faut d’abord chercher les raisons physiques, le « moteur » du mouvement de la planète. Il s’agit donc pour lui de faire une hypothèse sur la nature de ce moteur, puis la mettre à l’épreuve des faits. L’hypothèse précède le modèle.
Bien qu’il n’utilise pas l’expression « gravitation universelle », c’est pourtant bien une hypothèse d’un tel principe qu’il fait implicitement lorsqu’il envisage l’idée que ce moteur se trouve dans le Soleil : il s’attend à ce que le mouvement de la planète soit relativement rapide lorsqu’elle est à proximité du Soleil le long de sa trajectoire, et relativement lent à plus grande distance. Il suppose ainsi que la vitesse de la planète n’est pas constante, et il découle de sa réflexion la loi selon laquelle la surface balayée par le rayon entre le Soleil et la planète entre deux instants, est proportionnelle à la durée correspondante.
Il met cette hypothèse à l’épreuve expérimentale des mesures de Brahe : les vitesses sont en effet plus grandes lorsque les distances sont plus courtes, comme il le supposait, mais les écarts entre les mesures et ses calculs restent trop grands. Kepler, qui jusque là avait gardé une trajectoire circulaire, comprend alors qu’il doit également rejeter cette hypothèse et envisager une courbure non constante. Il finit par découvrir que la planète se déplace selon une ellipse dont l’un des foyers est la position du Soleil.
Il n’en reste pas là. L’astronomie nouvelle expose la nature de la trajectoire de Mars et donc de chacune des planètes individuelles, mais elle ne donne pas la manière dont fonctionne le système des planètes comme un tout. Cette question était le sujet de son ouvrage de jeunesse, Le mystère du monde, mais il donne sa réponse dans L’harmonie du monde où il montre que toutes les planètes présentent la même relation de proportionnalité entre le carré de leur période de révolution et le cube du demi grand axe de leur trajectoire.
Ainsi, Kepler a prouvé à la communauté scientifique, que l’ensemble de l’Univers est régi par un certain principe de changement ou, comme le disait Héraclite, qu’il n’y a de constant que le changement. Comprenant que le langage mathématique existant était trop limité pour exprimer la notion de changement, Kepler lança un appel, dans L’astronomie nouvelle, pour trouver un nouveau type de calcul – Leibniz y répondit 70 ans plus tard en inventant le calcul différentiel. Le cadre de cet article ne permettant pas de présenter ces conséquences, je renvoie le lecteur intéressé à mon livre d’histoire des sciences et d’épistémologie, Principes non-mathématiques de la science.
Retour vers le futur
Quoi qu’il en soit, ce n’est pas seulement l’astronomie que Kepler a ainsi révolutionnée après presque 2000 ans de stagnation aristotélicienne, mais l’ensemble de la science. La méthode de l’hypothèse physique se généralisa à tous les domaines où elle provoqua des percées spectaculaires au XVIIe siècle. Il y eut évidemment des réactions contre cela dont la plus notable est l’empirisme britannique de Francis Bacon qui rejette explicitement l’hypothèse. Selon Bacon, « ce qu’il faut pour ainsi dire attacher à l’entendement, ce ne sont point des ailes, mais au contraire du plomb, un poids qui comprime son essor ». Pour Bacon, l’activité du scientifique doit se borner à décrire les phénomènes – donc faire des modèles – sans chercher à en comprendre les causes. Bacon qui n’a fait aucune découverte par lui-même, a encore des héritiers aujourd’hui.
Alors revenons sur Terre, dans la caverne d’où nos climatologues enchaînés ne peuvent interroger ni le ciel ni les étoiles. En climatologie comme ailleurs, si un modèle permet de faire de « bonnes prévisions » sur des événements futurs, alors l’expert scientifique s’en satisfait. Mais cela suffit-il vraiment ? Où faut-il placer le curseur pour dire qu’une prévision est bonne ? Tous les astronomes contemporains de Kepler auraient considéré qu’un écart de 8 minutes entre la prévision et la réalité serait satisfaisant. Pas Kepler, mais c’est lui qui découvre, pas eux…
Tous les modèles présentés dans les rapports du GIEC prévoient des réchauffements catastrophiques à plus ou moins court terme, mais à la fin des années 1990 ils anticipaient un réchauffement beaucoup plus important que ce qui s’est produit en réalité. Comme nous l’avons vu plus haut, ils ne prennent en considération que des facteurs d’origine terrestre. Faut-il dès lors s’étonner qu’il y ait également une très grande disparité entre leurs prévisions respectives ? Certains sont forcément très éloignés de la réalité. Mais y en a-t-il un bon ? Ou bien, devrions nous croire qu’il faut faire une moyenne des mauvaises prévisions pour en obtenir une bonne ? Sans doute, vaudrait-il mieux trouver un nouveau Kepler pour établir une véritable science du climat.
NOTES
1. Pour cet échange, voir les vidéos suivantes :
https://www.youtube.com/watch?v=iK3G8wqqp_k
https://www.youtube.com/watch?v=XGq4WRTLfvc
https://www.youtube.com/watch?v=mqAaokrY1NU
https://www.youtube.com/watch?v=gfEucc2L1hM
By Unidentified painter – Unknown, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=470711
8 Responses
Vos réactions
Alors premièrement oui Gervais a bien présenté un modèle avec un cycle de 60 ans dans son livre. Je rappelle que Francois-Marie Bréon avait répondu à la polémique dans France Soir:
http://www.francesoir.fr/societe-science-tech/le-rechauffement-climatique-un-leurre-escroquerie-climatosceptique-de-francois-gervais
Son utilisation d’une décomposition en séries de Fourier est un modèle, de la même manière qu’utiliser une régression linéaire pour prédire des choses est une forme de modélisation. Le concept de modélisation en science est bien plus large que vous semblez le croire.
Vous dites que les modèles repris par le GIEC durant les années 90 prédisaient un réchauffement plus important qu’il ne l’a été mais vous devriez vérifier votre information. Cette comparaison a été faite sur CarbonBrief:
https://www.carbonbrief.org/analysis-how-well-have-climate-models-projected-global-warming
Les résultats du modèle publié par le GIEC en 1990 est assez proche des valeurs actuelles, il surestime très légèrement le réchauffement. Les modèles publiés par le GIEC de 1995 et 2001 sous-estiment le réchauffement. Visiblement vous êtes allé un peu vite en besogne.
En début d’année la NASA s’était-elle aussi posé la question et leur conclusion est que les premiers modèles ont été suffisamment proche de la réalité :
Study Confirms Climate Models are Getting Future Warming Projections Right
https://climate.nasa.gov/news/2943/study-confirms-climate-models-are-getting-future-warming-projections-right/
Vous affirmez que les modèles ignorent les facteurs externent à notre système terrestre, mais c’est complétement faux. C’est ahurissant même de lire ça. Les variations solaires sont prises en compte depuis le second rapport du GIEC et c’est un domaine actif de recherche.
Par exemple au sujet des derniers modèles CMIP, il y a tout un travail pour améliorer cet aspect là:
https://phys.org/news/2017-07-representation-solar-variability-climate.html
Et la NASA s’est exprimée plusieurs fois sur cette idée que le Soleil pourrait être la cause du réchauffement actuel:
https://climate.nasa.gov/blog/2910/what-is-the-suns-role-in-climate-change/
Concernant le rayonnement cosmique, il y a une station en Antarctique qui le mesure (McMurdo) et c’est le même problème que le rayonnement solaire: les tendances sont à l’opposé d’un réchauffement.
https://www.carbonbrief.org/why-the-sun-is-not-responsible-for-recent-climate-change
En dehors des modèles numériques, il existe des observations concrètes qui pointent en direction des gaz à effet de serre.
On observe une augmentation du rayonnement lié à l’effet de serre (le forçage radiatif) :
– https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2003GL018765
– https://www.researchgate.net/publication/12065270_Increases_in_greenhouse_forcing_inferred_from_the_outgoing_longwave_radiation_spectra_of_the_Earth_in_1970_and_1997
On observe aussi des fluctuations de ce rayonnement en relation avec les fluctuations saisonnières et l’augmentation annuelle du CO2, quantitativement c’est même exactement ce qui était prédit par la physique :
– https://phys.org/news/2015-02-carbon-dioxide-greenhouse-effect.html
– https://www.nature.com/articles/nature14240
Encore une fois ces observations correspondent à notre compréhension de la physique de l’atmosphère, la même physique qu’on applique pour étudier les autres planètes :
– https://geosci.uchicago.edu/~rtp1/papers/PhysTodayRT2011.pdf
– https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2016GL068837
La manière dont les températures varient au sein des différentes couches de l’atmosphère indiquent aussi que les gaz à effet de serre ont le premier rôle:
– http://www.ufa.cas.cz/html/climaero/topics/global_change_science.pdf
Et pour finir, des analyses statistiques indiquent aussi que le rôle du CO2 dans l’augmentation des températures est très important :
– https://www.nature.com/articles/srep21691
(PS: je reposte mon message car visiblement il y a quelque chose qui dérange le code de la messagerie au niveau du format)
Alors premièrement oui Gervais a bien présenté un modèle avec un cycle de 60 ans dans son livre. Je rappelle que Francois-Marie Bréon avait répondu à la polémique dans France Soir:
http://www.francesoir.fr/societe-science-tech/le-rechauffement-climatique-un-leurre-escroquerie-climatosceptique-de-francois-gervais
Son utilisation d’une décomposition en séries de Fourier est un modèle, de la même manière qu’utiliser une régression linéaire pour prédire des choses est une forme de modélisation. Le concept de modélisation en science est bien plus large que vous semblez le croire.
Vous dites que les modèles repris par le GIEC durant les années 90 prédisaient un réchauffement plus important qu’il ne l’a été mais vous devriez vérifier votre information. Cette comparaison a été faite sur CarbonBrief:
https://www.carbonbrief.org/analysis-how-well-have-climate-models-projected-global-warming
Les résultats du modèle publié par le GIEC en 1990 est assez proche des valeurs actuelles, il surestime très légèrement le réchauffement. Les modèles publiés par le GIEC de 1995 et 2001 sous-estiment le réchauffement. Visiblement vous êtes allé un peu vite en besogne.
En début d’année la NASA s’était-elle aussi posé la question et leur conclusion est que les premiers modèles ont été suffisamment proche de la réalité :
Study Confirms Climate Models are Getting Future Warming Projections Right
https://climate.nasa.gov/news/2943/study-confirms-climate-models-are-getting-future-warming-projections-right/
Vous affirmez que les modèles ignorent les facteurs externent à notre système terrestre, mais c’est complétement faux. C’est ahurissant même de lire ça. Les variations solaires sont prises en compte depuis le second rapport du GIEC et c’est un domaine actif de recherche.
Par exemple au sujet des derniers modèles CMIP, il y a tout un travail pour améliorer cet aspect là:
https://phys.org/news/2017-07-representation-solar-variability-climate.html
Et la NASA s’est exprimée plusieurs fois sur cette idée que le Soleil pourrait être la cause du réchauffement actuel:
https://climate.nasa.gov/blog/2910/what-is-the-suns-role-in-climate-change/
Concernant le rayonnement cosmique, il y a une station en Antarctique qui le mesure (McMurdo) et c’est le même problème que le rayonnement solaire: les tendances sont à l’opposé d’un réchauffement.
https://www.carbonbrief.org/why-the-sun-is-not-responsible-for-recent-climate-change
En dehors des modèles numériques, il existe des observations concrètes qui pointent en direction des gaz à effet de serre.
On observe une augmentation du rayonnement lié à l’effet de serre (le forçage radiatif) :
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2003GL018765
https://www.researchgate.net/publication/12065270_Increases_in_greenhouse_forcing_inferred_from_the_outgoing_longwave_radiation_spectra_of_the_Earth_in_1970_and_1997
On observe aussi des fluctuations de ce rayonnement en relation avec les fluctuations saisonnières et l’augmentation annuelle du CO2, quantitativement c’est même exactement ce qui était prédit par la physique :
https://phys.org/news/2015-02-carbon-dioxide-greenhouse-effect.html
https://www.nature.com/articles/nature14240
Encore une fois ces observations correspondent à notre compréhension de la physique de l’atmosphère, la même physique qu’on applique pour étudier les autres planètes :
https://geosci.uchicago.edu/~rtp1/papers/PhysTodayRT2011.pdf
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2016GL068837
La manière dont les températures varient au sein des différentes couches de l’atmosphère indiquent aussi que les gaz à effet de serre ont le premier rôle:
http://www.ufa.cas.cz/html/climaero/topics/global_change_science.pdf
Et pour finir, des analyses statistiques indiquent aussi que le rôle du CO2 dans l’augmentation des températures est très important :
https://www.nature.com/articles/srep21691
Un modèle est un outil permettant de représenter un système sans avoir à le construire en grandeur nature. Il permet de tester certaines caractéristiques de ce système à l’intérieur d’une enveloppe de paramètres dans laquelle il s’est montré valable. Kepler a bien compris que les modèles de son temps n’étaient pas valides et il en a proposé un autre qui lui-même s’est vu augmenté par la mécanique de Newton, qui elle-même… , etc. Mais il s’agit là de principes physiques fondamentaux concernant des systèmes encore simples.
Un modèle mathématique n’est pas fait de corrélations ou de décompositions mathématiques de données observées, il doit être fondé sur des phénomènes physiques avérés dont la représentation doit être rigoureuse, même si elle inclut nécessairement des approximations et des simplifications.
Ce que proposent Gervais ou Svensmark n’est en rien un modèle climatique, ce sont des suggestions ou des hypothèses fondées sur des corrélations qui ne permettent pas de reconstruire le climat en son entier. Pas faux mais peu utile.
Les modèles climatiques ne concernent pas un phénomène ou une machine simple. Ils sont des assemblages complexes de phénomènes et d’actions-rétroactions dont pas tous ne peuvent être résolus car non linéaires, chaotiques.
L’orchestration de ces phénomènes en des modèles qui calculent le comportement de l’atmosphère dans un maillage toujours plus fin au cours de plusieurs décennies est en soi un exploit, rendu possible par des superordinateurs.
D’un point de vue scientifiques, ils livrent des résultats utiles car permettant d’identifier des sensibilités du système et aussi de tester la validité de la logique liant les phénomènes entre eux.
Là où l’utilisation de modèles climatiques devient problématique, voire scandaleuse, c’est dans les extrapolations qui sont faites avec leur aide alors que les vérifications rétrospectives montrent, par exemple, que le réchauffement qu’ils calculent est bien plus rapide que celui qui est observé. Et il ne s’agit pas de quelques pourcents mais d’une exagération par un multiple de 2 à 4 et plus. Ils sont donc utiles pour essayer de comprendre le climat, mais invalides pour le prédire à l’horizon 2050 ou 2100.
Voir à ce sujet https://blog.mr-int.ch/?p=6696
Pire, pour simuler l’évolution du climat il faut donner au modèle un scénario de ce que l’on suppose de la démographie, de l’économie, de l’usage d’énergie dans le futur et d’autres paramètre naturels. Cette prospective n’a pas à avoir de prétention scientifique.
Si l’on choisit délibérément un scénario irréaliste et que l’on prend un modèle invalide parce que trois fois trop sensible au CO2, alors on conclut à une urgence climatique qui ne se trouve que dans le silicone des ordinateurs.
C’est là le scandale d’une science qui n’en est plus une, mais qui influence des politiques climatiques inefficaces, futiles, démesurément couteuses et qui privent d’autres priorités humaines des ressources dont elles ont besoin.
Tout à fait d’accord avec ce qu’écrit Michel de Rougemont. Ma précédente réponse (mal placée) ne s’adressait pas à son commentaire mais au commentaire précédent.
La plupart des points que vous soulevez constituent l’essentiel la polémique qui oppose Bréon à Gervais et dont j’ai mis en référence les vidéos à la fin de mon article. Chacun pourra voir les arguments de Gervais, les objections de Bréon et les réponses aux objections. Je parle bien de l’opposition entre Bréon et Gervais car le Réveilleur, comme il le reconnaît lui même, ne se fait que le porte-parole de Bréon. Apparemment, Bréon semblait trop occupé pour s’engager lui-même dans un débat contradictoire avec Gervais… Donc pour ceux qui sont vraiment intéressés par les débats contradictoires, je les renvoie à ces vidéos où chacun a eu la liberté d’exposer son point de vue et à partir desquelles on pourra se faire une idée par soi-même.
Le point de vue que je voulais apporter dans mon article était plutôt celui de l’épistémologie. Il est regrettable que la plupart des personnes qui s’intéressent aujourd’hui à la science, ou plutôt aux théories de la science comme des « produits finis », négligent très souvent l’histoire des idées de la science d’où viennent ces théories qui ne sont en réalité que des résultats provisoires. L’épistémologie et l’histoire des sciences permettraient pourtant à beaucoup de chercheurs d’avoir plus de recul et d’éviter des impasses déjà reconnues comme telles dans le passé.
Une base de l’épistémologie est quand même de vérifier ses affirmations. Votre article ne se consacre pas qu’à l’histoire des sciences et à l’épistémologie, vous prenez parti avec plusieurs affirmations à charge contre le GIEC et la climatologie. Et ce n’est pas étonnant, ça colle avec les articles des climato-réalistes que vous partagez sur votre profil facebook. Pour moi, vous êtes partisan.
Si vous aviez pris le quart de votre temps utilisé pour écrire cet article à vérifier les propos des climato-réalistes, vous auriez peut-être un avis différent sur ceux qui devraient revoir leurs connaissances en épistémologie.
J’ai reposté mon message sur la page Facebook d’European Scientist, à l’article concerné :
https://www.facebook.com/EuropeanScientist/posts/2425236111106655
Excellent ! cela me rappelle cet extrait d’article de Jean Poitou (« Que penser des arguments des climato-sceptiques ? ») où on apprend que quand les mesures ne collent pas au modèle, les modélisateurs modifient les mesures et non le modèle :
« Les modèles de réchauffement du GIEC prédisent un réchauffement général de la basse atmosphère alors que les mesures en zone tropicale indiquent un refroidissement.
Vrai. Et cela a fait l’objet de nombreuses recherches. Les conclusions les plus récentes vont dans le sens d’une erreur de l’évaluation des températures mesurées. Mais il faut savoir que les mesures dans l’atmosphère se font soit par ballon-sonde, soit par satellite. Par satellite, on a une vue globale de la colonne atmosphérique dont il faut déduire la température aux diverses altitudes. Par ballon sonde, un système qui traverse les couches atmosphériques, les mesures pour déterminer la température et l’humidité ne sont pas indépendantes. Dans les régions tropicales à forte convection verticale humide, les corrections classiques seraient erronées. Des corrections plus raffinées font disparaître le désaccord entre mesures et modèles ».