Qu'est-ce qu'une théorie scientifique ?

1. Pourquoi le mot « théorie » prête-t-il à confusion ?

« Ce n'est qu'une théorie ! » Cette expression est souvent utilisée pour suggérer qu'une idée reste incertaine, voire qu'elle ne repose que sur une intuition. Dans la vie quotidienne, on peut ainsi dire : « J'ai une théorie sur la raison de son retard », sans avoir réellement vérifié cette explication.

Ce sens courant n'est pas absurde : un même mot peut avoir plusieurs usages. Mais en sciences, parler d'une théorie ne signifie pas simplement avancer une supposition sans fondement.

Une théorie scientifique sert à organiser des connaissances et à expliquer des phénomènes. Elle peut relier plusieurs observations et fournir un cadre pour poser de nouvelles questions. Certaines théories, comme la tectonique des plaques, sont soutenues par un ensemble considérable de résultats scientifiques. Les qualifier de « simples théories » ne rend pas compte de la solidité de ces connaissances.

Une précaution reste néanmoins nécessaire : le seul mot « théorie » ne garantit pas qu'une proposition soit déjà solidement confirmée. Les scientifiques peuvent aussi travailler sur des constructions théoriques nouvelles, encore discutées ou en cours d'évaluation. Il faut donc se demander quelles preuves soutiennent une théorie, quelles difficultés elle rencontre et ce qu'elle permet effectivement d'expliquer.

Pour comprendre cette différence, commençons par examiner ce qu'une théorie scientifique cherche à faire.

2. Que désigne une théorie scientifique ?

Une théorie scientifique aide à comprendre des phénomènes grâce à un ensemble organisé d'idées et de connaissances.

Mais que signifie exactement cette définition ?

Imaginons que nous cherchions à comprendre pourquoi les continents se trouvent là où ils sont aujourd'hui. Nous pouvons observer la forme des côtes, étudier les roches ou retrouver des fossiles semblables sur des terres très éloignées.

Ces observations fournissent des indices. Cependant, accumuler des observations ne suffit pas toujours à comprendre ce qui les relie. Il faut également chercher une explication cohérente.

C'est précisément l'un des rôles des théories scientifiques.

Relier les connaissances pour expliquer

Une théorie scientifique ne se limite généralement pas à une affirmation isolée. Elle met en relation plusieurs éléments : des concepts, des principes, des connaissances et parfois des modèles.

Un concept est une idée qui permet de désigner ou de comprendre quelque chose. Un modèle scientifique est une représentation construite pour étudier certains aspects d'un phénomène ou d'un système.

Par exemple, une représentation des plaques qui composent la partie externe de la Terre peut aider à comprendre leurs déplacements. Ce modèle ne reproduit pas tous les détails de notre planète : il sélectionne les éléments utiles à l'explication recherchée.

Ainsi, une théorie peut aider les scientifiques à comprendre des observations déjà réalisées, mais également à formuler de nouvelles questions et à envisager ce qu'ils devraient observer si leurs explications sont correctes.

Toutes les théories ne sont pas également confirmées

Il faut distinguer deux questions :

Qu'est-ce qu'une théorie cherche à expliquer ? Et dans quelle mesure son explication est-elle soutenue par des preuves ?

Certaines constructions théoriques sont encore explorées ou discutées. D'autres, comme la théorie moderne de la tectonique des plaques, reposent sur de nombreuses observations et recherches concordantes.

Leur degré de confirmation peut donc être très différent.

Cela ne signifie pas qu'une théorie solidement étayée serait devenue une vérité impossible à remettre en question. Ses explications peuvent encore être précisées, et certaines questions peuvent rester ouvertes.

Une théorie scientifique n'est donc ni une simple opinion, ni une explication automatiquement certaine parce qu'elle porte le nom de « théorie ».

Pour apprécier sa solidité, nous devons examiner les éléments de preuve qui la soutiennent et les méthodes utilisées pour l'évaluer.

C'est ce que nous allons découvrir dans la section suivante.

3. Comment évalue-t-on une théorie scientifique ?

Une explication peut sembler convaincante sans être correcte. Comment les scientifiques peuvent-ils alors déterminer si une théorie mérite leur confiance ?

Ils ne se contentent pas de se demander si elle paraît logique. Ils examinent dans quelle mesure elle résiste à la confrontation avec les faits, ce qu'elle explique et quelles questions restent ouvertes.

Confronter les explications aux observations

Pour évaluer une théorie, les chercheurs s'appuient sur des données : des informations obtenues, par exemple, grâce à des mesures, à des observations ou à des expériences. Une expérience consiste à étudier un phénomène dans des conditions organisées afin de répondre à une question précise.

Une théorie peut aussi permettre de formuler des prévisions : elle conduit à s'attendre à certains résultats dans des circonstances données. Les scientifiques peuvent alors vérifier si leurs observations correspondent à ces attentes.

Toutes les disciplines ne procèdent toutefois pas de la même manière. Certaines questions se prêtent à des expériences contrôlées ; d'autres, comme la reconstitution de l'histoire de la Terre, nécessitent de comparer des traces, des mesures et des observations recueillies à différents endroits.

Il n'existe donc pas un test unique applicable de la même façon à toutes les théories. Ce qui importe, c'est d'employer des méthodes adaptées aux phénomènes étudiés.

Pourquoi plusieurs preuves concordantes comptent-elles ?

Imaginons qu'une observation corresponde à ce qu'une théorie permettait de prévoir. C'est un résultat intéressant, mais il ne suffit pas, à lui seul, à établir que l'explication est correcte. Une autre explication pourrait produire le même résultat, ou la mesure pourrait être imprécise.

La confiance augmente lorsque plusieurs résultats fiables et, lorsque c'est possible, obtenus par des démarches différentes, convergent vers une même explication. Les scientifiques cherchent aussi à comprendre si les résultats sont robustes : résistent-ils à de nouvelles mesures, à de nouvelles analyses ou à l'examen d'autres équipes ?

La quantité de données ne fait pas tout. Leur qualité, leur pertinence et la manière dont elles ont été obtenues comptent également.

Que se passe-t-il lorsqu'un résultat contredit une théorie ?

Une observation inattendue ne conduit pas automatiquement à abandonner une théorie. Les chercheurs doivent d'abord vérifier les mesures, les conditions de l'étude et les autres suppositions utilisées pour obtenir la prévision.

Parfois, le désaccord révèle une erreur de mesure. Parfois, il indique que la théorie ne s'applique pas dans les conditions envisagées ou qu'une partie de l'explication doit être corrigée. Dans d'autres cas, des contradictions persistantes peuvent conduire à une révision profonde, voire à l'adoption d'une meilleure théorie.

Cela ne signifie pas qu'une théorie pourrait être conservée quoi qu'il arrive. Une explication scientifique doit pouvoir être confrontée de façon critique aux résultats disponibles, et des difficultés importantes ne doivent pas être écartées uniquement pour la protéger.

Une confiance justifiée, pas une certitude absolue

Plus une théorie a été confrontée à des tests exigeants et à des preuves solides, plus il peut être raisonnable de lui accorder confiance. Mais cette confiance n'est pas la même chose qu'une certitude impossible à remettre en cause.

Les connaissances scientifiques restent ouvertes à l'examen et à la révision. Cette possibilité de correction ne les rend pas arbitraires : elle fait partie des raisons pour lesquelles les théories solidement étayées sont fiables.

Voyons maintenant comment des observations très différentes ont fini par soutenir une même explication : celle du mouvement des plaques de la Terre.

4. Un exemple concret : la tectonique des plaques

Comment une théorie scientifique se construit-elle à partir d'observations différentes ? L'histoire de la tectonique des plaques permet de retrouver les étapes que nous venons d'examiner : proposer une explication, découvrir de nouveaux indices, confronter les idées aux données et améliorer progressivement le cadre théorique.

Des continents qui semblent avoir été réunis

Au début du XXᵉ siècle, le scientifique allemand Alfred Wegener défend l'idée que les continents se sont déplacés au cours de l'histoire de la Terre. Il remarque notamment que certaines côtes semblent s'emboîter et s'appuie sur d'autres indices : des fossiles d'organismes semblables et des formations rocheuses comparables sur des continents aujourd'hui séparés par des océans.

Ces rapprochements suggèrent que des terres éloignées ont pu être autrefois réunies. Mais une question majeure demeure : par quel mécanisme les continents pourraient-ils se déplacer ? Wegener ne parvient pas à proposer une explication physique convaincante pour la communauté scientifique de son époque.

Sa proposition, appelée dérive des continents, ne doit donc pas être confondue avec la théorie moderne de la tectonique des plaques, élaborée plusieurs décennies plus tard. Elle en constitue néanmoins une étape historique importante.

Les fonds océaniques révèlent de nouveaux indices

À partir du milieu du XXᵉ siècle, l'exploration des océans progresse. Les scientifiques découvrent que les fonds marins ne sont pas des surfaces uniformes : ils comportent notamment de longues chaînes de montagnes sous-marines, appelées dorsales océaniques.

D'autres mesures montrent que certaines roches du plancher océanique sont particulièrement jeunes près de ces dorsales et deviennent généralement plus anciennes à mesure qu'on s'en éloigne. Ces résultats conduisent à envisager que de la nouvelle croûte océanique se forme près des dorsales, puis s'écarte progressivement de part et d'autre. Ce processus est appelé expansion des fonds océaniques.

La mémoire magnétique des roches

Un autre indice provient du paléomagnétisme, l'étude des traces laissées dans les roches par le champ magnétique ancien de la Terre.

Quand certaines roches volcaniques refroidissent, des minéraux magnétiques peuvent conserver une trace de l'orientation du champ magnétique terrestre à ce moment-là. Or ce champ s'est inversé à plusieurs reprises dans le passé.

Les chercheurs observent, de chaque côté de nombreuses dorsales, des bandes de roches aux caractéristiques magnétiques alternées, disposées de manière approximativement symétrique. Ce dessin devient compréhensible si de nouvelles roches apparaissent au niveau des dorsales, puis s'en éloignent progressivement.

Des observations géologiques et magnétiques, obtenues par des méthodes différentes, se renforcent ainsi mutuellement.

Séismes, volcans et plaques en mouvement

La répartition des séismes — les tremblements de terre — fournit une autre pièce du puzzle. Ils ne se produisent pas au hasard : beaucoup se concentrent dans des zones qui correspondent aux frontières de plaques, c'est-à-dire aux endroits où de vastes portions rigides de l'enveloppe externe terrestre se rencontrent.

Dans la théorie moderne, ces plaques se déplacent lentement les unes par rapport aux autres. Elles peuvent s'écarter, se rapprocher ou coulisser. Dans certaines régions, une plaque océanique s'enfonce sous une autre : c'est la subduction. Ce cadre permet de relier les mouvements des plaques à de nombreux séismes, volcans et reliefs.

L'explication ne repose donc pas seulement sur la forme des continents. Elle s'appuie sur la convergence d'indices provenant de la géologie, de l'étude des océans, des mesures magnétiques et de l'observation des séismes.

Ce que cet exemple nous apprend sur les théories

L'histoire de la tectonique des plaques montre qu'une théorie scientifique ne naît pas nécessairement complète. Les premières propositions peuvent être insuffisantes, puis de nouvelles techniques et de nouvelles données permettent de construire une explication plus solide.

Aujourd'hui, la tectonique des plaques est un cadre majeur des sciences de la Terre. Cela ne signifie pas que toutes les questions concernant les mouvements de notre planète sont définitivement résolues. Les scientifiques continuent d'en étudier les mécanismes et les particularités.

Nous avons vu comment plusieurs observations peuvent soutenir une même théorie. Il reste maintenant à distinguer les mots souvent associés à la recherche scientifique : hypothèse, théorie, loi et modèle.

5. Hypothèse, théorie, loi et modèle : des fonctions distinctes

Dans les sections précédentes, nous avons rencontré plusieurs mots qui reviennent souvent lorsqu'on parle de sciences : hypothèse, théorie, loi et modèle. Ils sont liés, mais ne désignent pas quatre étapes obligatoires d'une même progression.

Une hypothèse : une proposition à examiner

Une hypothèse est une proposition que l'on cherche à évaluer. Elle peut suggérer une explication ou annoncer un résultat attendu.

Par exemple, un chercheur peut proposer que certaines caractéristiques observées dans des roches proviennent d'un processus géologique particulier. Cette hypothèse devra être confrontée à des observations et à d'autres explications possibles.

Une hypothèse n'est donc pas une simple idée lancée au hasard : elle peut s'appuyer sur des connaissances antérieures. Elle n'est pas non plus nécessairement destinée à devenir, à elle seule, une théorie complète.

Une théorie : un cadre pour comprendre

Une théorie scientifique organise des connaissances afin de rendre intelligibles des phénomènes. Elle peut relier plusieurs observations, principes et modèles, et guider de nouvelles recherches.

La tectonique des plaques, étudiée dans la section précédente, permet par exemple de comprendre dans un même cadre les déplacements des plaques et de nombreux phénomènes géologiques.

Le mot théorie ne renseigne pas à lui seul sur la solidité des preuves : certaines constructions théoriques sont encore explorées, tandis que d'autres sont très largement étayées.

Une loi : une relation formulée dans certaines conditions

Une loi scientifique exprime une relation ou une régularité observée ou établie dans un domaine donné. Elle peut prendre la forme d'une phrase ou d'une équation.

Par exemple, la loi d'Ohm, dans les conditions où elle s'applique, relie la tension électrique, l'intensité du courant et la résistance par l'équation U = R × I.

Cette loi est utile pour décrire et calculer le comportement de certains circuits. Elle ne donne pas, à elle seule, toutes les explications microscopiques de la conduction électrique.

Il serait toutefois trop simple d'affirmer qu'une loi « décrit toujours » tandis qu'une théorie « explique toujours » : dans la pratique, leurs fonctions peuvent se recouper.

Une théorie ne devient pas une loi parce qu'elle reçoit davantage de preuves. Il ne s'agit pas de deux niveaux de certitude, mais de notions remplissant des fonctions différentes.

Un modèle : une représentation pour étudier

Un modèle scientifique est une représentation construite pour étudier certains aspects d'un phénomène ou d'un système.

Une carte simplifiée des plaques terrestres, par exemple, peut montrer leurs frontières et leurs mouvements sans reproduire tous les détails de la Terre. D'autres modèles utilisent des équations ou des simulations informatiques.

Les modèles peuvent aider à expliquer, comparer des scénarios ou formuler des prévisions. Ils sont parfois élaborés dans le cadre d'une théorie ; ils peuvent aussi jouer un rôle relativement autonome dans la recherche.

Des outils qui se complètent

Ces quatre notions peuvent intervenir dans une même étude. Une hypothèse conduit à chercher certains indices ; des modèles aident à représenter le phénomène ; des lois expriment certaines relations ; une théorie permet de relier et d'expliquer des résultats.

Mais aucune succession automatique « hypothèse → théorie → loi » n'existe. Pour comprendre la valeur d'une connaissance scientifique, il faut examiner ce qu'elle affirme, à quoi elle sert et comment elle a été évaluée.

Repère — quatre notions à distinguer

Notion	Rôle principal	Exemple simplifié
Hypothèse	Proposition à évaluer	Un mécanisme proposé pour expliquer une observation géologique.
Théorie	Cadre d'explication reliant des connaissances	La tectonique des plaques.
Loi	Relation ou régularité formulée dans des conditions données	La loi d'Ohm pour les conducteurs auxquels elle s'applique.
Modèle	Représentation permettant d'étudier un phénomène	Une carte simplifiée des plaques terrestres.

À ne pas confondre : « hypothèse → théorie → loi » n'est pas une progression obligatoire. Une théorie ne se transforme pas en loi parce qu'elle reçoit davantage de preuves. Les quatre notions remplissent des fonctions différentes et peuvent se compléter.

Une dernière question reste alors à examiner : pourquoi des théories parfois très solidement étayées continuent-elles à évoluer ?

6. Pourquoi les théories évoluent-elles ?

Les scientifiques cherchent à comprendre le monde à partir des meilleures connaissances dont ils disposent. Pourtant, leurs explications peuvent évoluer au fil du temps.

Cela soulève une question : si une théorie scientifique est soutenue par des preuves solides, pourquoi faudrait-il encore la modifier ?

La réponse tient notamment au fait que les connaissances progressent. De nouvelles observations peuvent révéler des phénomènes inconnus, des instruments plus précis peuvent mettre en évidence des détails jusque-là invisibles et de nouvelles méthodes peuvent permettre de réexaminer d'anciens résultats.

Mais toutes ces évolutions ne conduisent pas au remplacement d'une théorie. Certaines permettent simplement de l'améliorer.

Préciser une explication existante

Une théorie peut rester pertinente tout en étant enrichie par de nouvelles découvertes.

Reprenons l'exemple de la tectonique des plaques.

Cette théorie explique les mouvements de grandes plaques à la surface de la Terre et permet de comprendre de nombreux phénomènes géologiques. Pourtant, les chercheurs continuent d'étudier les forces qui interviennent dans ces mouvements, leurs interactions et leurs variations selon les régions.

Les connaissances nouvelles peuvent donc permettre de préciser les mécanismes d'une théorie sans remettre en cause ses principales conclusions.

Améliorer une théorie ne signifie pas nécessairement l'abandonner.

Mieux connaître son domaine d'application

Une théorie peut également évoluer lorsque les scientifiques découvrent plus précisément les conditions dans lesquelles ses explications fonctionnent.

Prenons l'exemple de la mécanique de Newton, qui permet notamment de calculer les mouvements de nombreux objets.

Ses équations restent extrêmement utiles pour étudier des situations courantes, comme la trajectoire d'un projectile ou le mouvement de nombreux engins.

Cependant, elles ne décrivent pas tous les phénomènes avec la précision nécessaire.

Au début du XXᵉ siècle, la théorie de la relativité développée par Albert Einstein a permis d'expliquer des situations dans lesquelles la description newtonienne est insuffisante, notamment lorsque les effets relativistes deviennent importants.

Cela ne rend pas les calculs de Newton inutiles.

Dans de nombreuses conditions, la mécanique newtonienne demeure une excellente approximation, même si la relativité fournit un cadre plus général.

Cet exemple montre qu'une théorie peut conserver une grande valeur pratique dans un domaine bien déterminé, alors qu'une autre permet d'aller plus loin.

Réviser profondément ou remplacer une théorie

Dans certains cas, les difficultés rencontrées sont plus importantes.

Une théorie peut ne plus parvenir à rendre compte d'un ensemble de résultats fiables. Les scientifiques cherchent alors à comprendre les désaccords, à tester d'autres explications et parfois à reconstruire une partie du cadre théorique.

Ces transformations ne suivent pas nécessairement un chemin simple.

Plusieurs explications peuvent coexister pendant une période. Certaines questions peuvent rester ouvertes longtemps avant qu'une nouvelle approche ne s'impose.

L'histoire des sciences comporte ainsi des changements profonds, mais aussi de nombreuses améliorations progressives.

Une nouvelle théorie peut conserver certains résultats de l'ancienne, en expliquer les limites ou modifier notre manière de comprendre les phénomènes.

Il serait donc trompeur de présenter l'histoire scientifique comme une simple succession d'erreurs remplacées par des vérités définitives.

Ce que signifie le progrès scientifique

La possibilité de réviser une théorie peut donner l'impression que les connaissances scientifiques sont fragiles.

Pourtant, une connaissance révisable n'est pas nécessairement une connaissance peu fiable.

Certaines théories ont résisté à de nombreuses vérifications indépendantes. Leur solidité ne disparaît pas simplement parce que les chercheurs continuent à les étudier.

La confiance que nous pouvons leur accorder dépend des preuves disponibles, de leur domaine d'application et des résultats obtenus.

La science progresse ainsi en développant des explications capables de rendre compte des phénomènes avec davantage de précision, de portée ou de cohérence.

Cela n'implique pas que chaque nouvelle théorie soit parfaite, ni que toutes les transformations constituent automatiquement un progrès.

La force de la démarche scientifique réside notamment dans sa capacité à examiner ses propres explications et à les améliorer lorsque les résultats le justifient.

Nous pouvons maintenant rassembler les principales idées de cet article pour retenir ce qui caractérise une théorie scientifique.

7. Ce qu'il faut retenir

Dans le langage courant, le mot théorie peut désigner une idée dont nous ne sommes pas certains. En sciences, il possède une signification plus précise.

Une théorie scientifique est un cadre organisé de connaissances qui permet de comprendre et d'expliquer des phénomènes. Elle peut relier différentes observations, guider de nouvelles recherches et, dans certaines conditions, permettre de formuler des prévisions.

Mais toutes les théories ne bénéficient pas du même degré de confirmation.

La solidité d'une théorie dépend notamment des preuves qui la soutiennent, de la fiabilité des méthodes employées pour l'évaluer et de sa capacité à rendre compte des phénomènes étudiés.

L'histoire de la tectonique des plaques nous en donne un exemple concret. Des observations géologiques, des découvertes sur les fonds océaniques, des mesures magnétiques et l'étude des séismes ont progressivement contribué à construire et à renforcer une explication commune.

Nous avons également appris à distinguer plusieurs notions importantes.

Une hypothèse est une proposition que l'on cherche à évaluer. Une loi scientifique exprime une relation ou une régularité dans certaines conditions. Un modèle représente certains aspects d'un phénomène pour permettre son étude.

Ces notions peuvent se compléter, mais elles ne constituent pas les étapes obligatoires d'une même progression. En particulier, une théorie scientifique ne devient pas une loi parce qu'elle accumule des preuves.

Enfin, les théories scientifiques peuvent évoluer.

Certaines sont progressivement améliorées, d'autres voient leur domaine d'application précisé, tandis que des découvertes peuvent parfois conduire à une transformation profonde des explications existantes.

Cela ne signifie pas que les connaissances scientifiques sont toutes incertaines au même degré. Une théorie solidement étayée peut être extrêmement fiable, tout en restant ouverte à de nouvelles recherches.

La science ne consiste donc pas à rechercher des explications que l'on déclarerait définitivement incontestables, mais à construire et à évaluer des connaissances aussi solides que possible à partir des preuves disponibles.

Comprendre ce qu'est une théorie scientifique, c'est ainsi comprendre une caractéristique fondamentale de la démarche scientifique : chercher à expliquer le monde, confronter les explications aux faits et accepter de les améliorer lorsque les connaissances le justifient.

Pour vérifier sa compréhension

1. Pourquoi le mot « théorie », en sciences, ne signifie-t-il pas simplement « supposition gratuite » ?
2. Quelle différence existe-t-il entre le rôle d'une théorie et son degré de confirmation ?
3. Pourquoi une théorie scientifique ne devient-elle pas une loi lorsque les preuves s'accumulent ?
4. Comment les indices géologiques, océaniques et sismiques contribuent-ils ensemble à étayer la tectonique des plaques ?

Références et lectures complémentaires

1. National Academy of Sciences (1998). Teaching About Evolution and the Nature of Science, chapitre 1, « Why Teach Evolution? ». National Academies Press. Lire le chapitre.
2. National Research Council (2013). Next Generation Science Standards: For States, By States, annexe H, « Understanding the Scientific Enterprise ». National Academies Press. Lire l'annexe — DOI de l'ouvrage.
3. Stanford Encyclopedia of Philosophy (2015, révision 2020). « The Structure of Scientific Theories ». Consulter l'article.
4. Roman Frigg et Stephan Hartmann (révision 2020, édition archivée hiver 2023). « Models in Science ». Stanford Encyclopedia of Philosophy. Consulter l'édition citée.
5. W. Jacquelyne Kious et Robert I. Tilling (1996). This Dynamic Earth: The Story of Plate Tectonics. United States Geological Survey. Lire « Developing the theory » — Notice bibliographique USGS.
6. Paul Peter Urone et Roger Hinrichs (2022). College Physics 2e, § 20.2, « Ohm’s Law: Resistance and Simple Circuits ». OpenStax. Lire la section.
7. NASA Science (s. d.). Basics of Space Flight, chapitre 3, « Gravity & Mechanics ». Lire le chapitre.
8. Stanford Encyclopedia of Philosophy (2009, révision 2017). « Scientific Revolutions ». Consulter l'article.