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Fonctionnement sémiotique et construction des modèles en chimie. Un cadre d’analyse peircien

Semiotic operating and construction of models in chemistry. A Peircian analytical framework
Mohamed Soudani, Olfa Soudani-Bani, Ezio Roletto et Alberto Regis
p. 179-208

Résumés

Notre contribution consiste en une analyse sémio-épistémologique du processus de la modélisation de la matière et de ses transformations, notamment pendant la période fin XVIIIe-début XIXe siècles. Nous mobilisons la théorie sémiotique de Peirce comme cadre d’analyse. En accord avec la définition de physiciens contemporains de la modélisation, cette théorie nous a permis de resituer le champ expérimental comme étant un ensemble de signes qui prolonge le théorique en même temps qu’il le fonde, dans un enchevêtrement spiralaire de triptyque SOI (Signe-Objet-Interprétant). Elle a permis par ailleurs de mettre en évidence la puissance tutélaire du signe iconique dans le raisonnement scientifique. Loin d’être signe d’une pensée primitive d’une quelconque époque lointaine, le signe iconique apparaît comme une véritable néo écriture, un instrument heuristique privilégié. Utilisé par les chimistes pour sonder la matière à la recherche d’indices sur une structure pouvant rendre compte de son comportement, il leur a permis, après de nombreuses controverses, d’aboutir à une structure particulaire, et de construire les concepts d’atome et de molécule. Cette sémiotique, foncièrement épistémologique, soutient que ces derniers ne sont que des signes hypothétiques permettant d’interpréter les réponses aux questions par lesquelles les chimistes ont interpellé des expériences conçues à cet effet. Par ailleurs, posant un nouveau regard sur l’histoire de la chimie, elle peut permettre de la transformer en un véritable laboratoire pour sa didactique. Le signe iconique pourrait alors être un maillon et un traceur de l’évolution de la pensée chimique chez l’élève comme il l’est chez le savant.

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Texte intégral

1Semiotic operating and construction of models in chemistry. A Peircian analytical framework

1. Contexte général

1.1. Contexte et objectif de la recherche

  • 1 Dans toute la suite, les citations de Peirce seront référencées par un numéro du type (X.XXX) (exem (...)

2Ce travail consiste en une lecture de travaux historiques de chimistes, par des didacticiens, en vue d’un usage didactique. Il est le fruit d’une collaboration entre didacticiens de la chimie, philosophes de la connaissance, et enseignants de chimie en lycée, tous sensibles à la problématique de l’histoire des sciences comme source d’inspiration pour la classe. Or, cette problématique n’est pas nouvelle, elle préoccupe les éducateurs depuis très longtemps (Hulin, 1984). Cependant, ces usages de l’histoire sont quasiment tous empiriques, ne mobilisant pas de cadre explicite d’analyse. La philosophie de la connaissance nous offre des cadres d’analyses, comme, la théorie des mondes possibles de D. Lewis (Soudani & Héraud, 2012), ou encore la théorie sémiotique de Peirce (1978) qui a montré son caractère fructueux dans le travail de Soudani, Héraud et Soudani (2009). Charles Sanders Peirce (1839-1914) était chimiste, philosophe et mathématicien logicien1. Foncièrement épistémologique, la théorie sémiotique de Peirce que nous utilisons ici semble être un outil pertinent pour analyser qualitativement le mode d’élaboration des connaissances en chimie, science expérimentale de la modélisation. Son potentiel semble être de nature à réinterpréter ce processus, et d’y voir ce que les usages empiriques, les lectures de surface, ne permettaient pas de voir, afin d’améliorer l’usage de l’histoire.

3Nous avons choisi cette époque de l’histoire parce qu’elle correspond à la construction de concepts et modèles élémentaires de la chimie auxquels nous nous intéressons dans l’enseignement au début du lycée (14-15 ans) en Italie (substance pure, modèle continuiste, modèles particulaires, élément chimique, atome, molécule, atomicité des molécules, corps simple, corps composé, réaction chimique, etc.).

4Dans la suite, nous expliciterons dans un premier temps le problème posé par l’usage de l’histoire dans l’enseignement. Puis nous justifierons la nécessité d’un cadre d’analyse autonome pour cet usage, en introduisant la thèse sémiotique de Peirce. Nous nous attacherons enfin à déployer plus amplement celle-ci dans l’analyse du processus de modélisation en question, et à discuter sa fécondité dans ce contexte.

1.2. Position du problème

5Le processus de modélisation de la matière et de ses transformations a nécessité des siècles de réflexion, et a fait l’objet de nombreuses controverses. De même, l’enseignement-apprentissage du savoir qui en a découlé a toujours été une grande source de difficulté (Larcher, Chomat & Linéatte, 1994 ; Tsaparlis, 1997 ; Nelson, 1999, 2002). Il est largement admis, depuis l’époque de Lavoisier jusqu’aux travaux didactiques les plus récents (Johnstone, 2006), que les problèmes d’apprentissage de la chimie sont dus, non pas à des difficultés propres à cette science, mais à des défauts d’enseignement qui développent chez les apprenants des attitudes négatives envers cette matière.

6En effet, reconnus comme étant le fondement de la chimie, les concepts d’atome, molécule, ion, électron, etc. sont introduits trop tôt dans le cursus, et de manière furtive et fugitive, sur la base unique de manipulation d’une masse de termes et de symboles qui s’avèrent vides de sens pour l’élève. Ce dernier est obligé de croire l’enseignant sur parole (Nelson, 2002). Il croit ainsi qu’ils ont été révélés comme « objets » réels dans des expériences qui seraient parlantes ; de même que la plupart des physiciens sous-entendent l’idée naïve que le modèle est la réalité (Halbwachs, 1974). L’analyse sémio-épistémologique que nous proposons cherche à fouiller dans le passé de ces « objets » pour essayer de comprendre, non pas comment les scientifiques ont prouvé leur existence, mais plutôt comment il a été pertinent de la supposer.

1.2.1. Quelques usages de l’histoire en didactique de la physique et de la chimie

  • 2 Aster n° 5, 1987 : « Didactique et histoire des sciences », ou plus récemment le n° 3 de la revue R (...)

7L’usage de l’histoire des sciences dans l’enseignement des disciplines scientifiques est considéré, depuis longtemps2, comme un moyen facilitant l’entrée progressive dans la « matière » et permettant d’être fidèle au processus de fabrication de la science (Justi & Gilbert, 2000 ; Galili, 2008). Cependant, « la différence [entre histoire et didactique] n’est pas à gommer, elle est à cerner » (Larcher & Chomat, 2000). D’une part, l’école ne reproduit pas l’histoire (Vergnaud, Halbwachs & Rouchier, 1978), d’autre part, ce lien n’est pas direct. Il ne peut être pertinent que par le biais d’une analyse épistémologique de l’histoire, qui permet d’opérer une transposition didactique comme étant une épistémologie appliquée (Martinand, 1993).

8Les approches didactiques utilisant l’histoire sont multiples. Certaines sont des réflexions générales, d’autres des expérimentations de différentes natures. Martinand en distingue quatre (ibid.) :

  1. histoire de la pensée scientifique et étude des conceptions ;

  2. épistémologie appliquée  et construction des contenus ;

  3. histoire des sciences dans l’enseignement : quelles conditions ?

  4. histoire des sciences dans la formation des enseignants.

9Notre travail s’inscrit dans le choix 2. Qu’il soit dans l’enseignement (du primaire à l’université3) ou dans la formation (Guedj, Laubé & Savaton [2007] ; Cariou [2011]), ce choix présente à son tour différentes gradations et options, allant d’une allusion à l’histoire (plus ou moins du saupoudrage d’éléments historiques, de faits ponctuels isolés tels qu’on en rencontre dans certains manuels scolaires ou programmes officiels (Soudani & Soudani, 2008 ; Savaton, 2011), jusqu’à la construction et la mise en œuvre d’un contenu inspiré de l’épistémologie historique, en passant par « l’exploitation en classe de quelques sources primaires » (Guedj, 2005). Certains travaux défendent l’idée de se référer à l’histoire après avoir enseigné les concepts et modèles en question selon les connaissances actuelles (Kaufmann, 1989 ; Lühl, 1992). D’autres élaborent des transpositions intégrant l’histoire dès le début de l’enseignement (Brush, 1978 ; Merle, 2002 ; Guedj, 2005 ; Brehelin & Guedj, 2007 ; Guedj, Laubé & Savaton, 2007 ; de Hosson & Kaminsky, 2006, 2007 ; Dahmani & Schneeberger, 2011).

  • 4 International Journal of Science Education, vol. 22, n° 1, 2000 ; Aster n° 7, 1988 ; Didaskalia n°  (...)

10Notre projet s’inscrit dans cette dernière option. Cependant, le but de l’usage de la dimension historique et épistémologique n’est pas juste de fournir toujours plus de choses à connaître, il doit promouvoir une sensibilisation aux questions importantes et se préoccuper de leur résolution par investigation scientifique (Matthews, 1994). Les recherches portant sur la modélisation, à l’échelle internationale4, soutiennent que les modèles et activités de modélisation permettent de faire pratiquer cette épistémologie appliquée. Il nous reste à en identifier le processus.

1.2.2. Fonctionnement sémiotique et construction des modèles en chimie. Un cadre d’analyse peircien

11La chimie cherche, depuis le début du XVIIIsiècle, à « expliquer du visible compliqué par de l’invisible simple » (Perrin, 1913). Mais elle ne s’accommode pas de la simplification à outrance. Elle est à la fois complexe et simple, mais pas immédiate, car elle demande toujours de grands efforts d’imagination et d’abstraction pour s’élever au-dessus des faits qu’elle crée journellement. Elle nécessite une éducation particulière, car l’interprétation des faits présente « le double danger de l’obscurantisme [ne pas chercher à comprendre, se contenter d’utiliser], et de la magie [les propriétés recherchées sont dues à un principe actif mystérieux] » (Laszlo, 1993). Comprendre comment les chimistes construisent leur savoir et mettent du sens dans les choses, pourrait permettre de prémunir l’enseignement de la chimie de ce double danger. Or, le sens se construit dans les modèles : « Comprendre une situation c’est la représenter par un modèle » (Halbwachs, 1974). Ce physicien des particules définit le modèle en termes sémiotiques : des systèmes de signes (mots, graphes, images, symboles, équations, etc.) qui se définissent les uns par les autres, et qui sont sensés représenter le domaine expérimental de référence, le prévoir et agir sur lui.

12Aujourd’hui, non seulement le profane mais aussi le spécialiste ne peuvent qu’être effrayés par l’incroyable déluge sémiotique, un déferlement d’indices (à condition d’être préparé pour les percevoir), de constantes, de concepts, de symboles, de graphes, etc., qui recouvre le champ de la chimie. Ainsi, la chimie a fait l’objet de nombreux types d’analyse sémiotique de la part de différents spécialistes (Dagognet, 1969 ; Weininger, 1987 ; Laszlo, 1993 ; Khanfour-Armalé & Le Maréchal, 2009). Comme le souligne Weininger (1998) qui en a fait une synthèse rapide, ces différentes approches sont majoritairement linguistiques et symboliques. Et de par leur centration sur un seul type de signe, ces approches sont limitées. Notre approche, mobilisant la théorie sémiotique de Peirce (1978), est une contribution nouvelle à ce champ.

13Quels sont les signes que les chimistes ont construits pour modéliser la structure de la matière et ses transformations ? Comment ont-ils procédé ? Quelle est la nature des rapports que ces signes entretiennent entre eux d’une part, et avec l’expérience d’autre part ?

14Prévoir et agir, dit Peirce, c’est modéliser des « réactions brutes entre les choses, en conformité avec la forme dans laquelle l’esprit de l’homme est lui-même modelé » (1.343). Tout comme Halbwachs, Peirce insiste sur l’interdétermination des signes pour construire une signification des choses et la faire évoluer. Mais il se distingue de Halbwachs en ce qu’il définit le signe comme étant « quelque chose, A, qui dénote quelque fait ou objet, B, pour quelque pensée interprétante, C » (1.346). « Les éléments de tout concept entrent dans la pensée logique par la porte de la perception [elle-même signe, et véhiculée par des signes] et sortent par la porte de l’action préméditée », elle-même signe (5.212). Le signe dit quelque chose de l’objet. Celui-ci peut être réel, imaginable ou inimaginable, mais l’interprétant auquel le signe renvoie n’est pas l’objet. Le signe ne dit rien de l’interprétant (celui-ci étant également un signe, la pensée interprétante) : ainsi « particule », en tant que signe, dit quelque chose de l’objet qui porte ce nom (un morceau de verre, un bout de pomme, les « particules » émises par les pots d’échappement, le terme ultime de l’analyse chimique comme le concevait Lavoisier, etc.), mais il ne dit rien du signe interprétant « atome ». Car il n’appartient pas au signe de faire connaître, ni reconnaître ledit objet ; « le signe ne met pas en relation un nom et une chose », dit Peirce. L’objet devant lui-même avoir le statut d’un signe, c’est-à-dire connu par ailleurs, ne serait-ce que partiellement, vaguement. Le terme particule ne peut pas me faire connaître l’objet atome (dans sa conception microscopique) si je ne connais pas déjà l’atome par lui-même ou par d’autres signes, d’une manière ou d’une autre. De même pour molécule. La modélisation n’est donc pas une lecture, comme en filigrane, dans les données empiriques de l’expérience. Les concepts ne jaillissent pas de l’expérience, ni ne sont des signes perceptibles dans l’expérience.

15C’est pourquoi, pour Peirce, sans signe interprétant, il ne peut y avoir de signe, donc pas de connaissance. Face à des expériences de chimie (objet B), le chimiste perçoit dans sa verrerie des changements de couleurs, précipitations, dégagements gazeux, etc. Il voit ces indices (signes indiciels A), mais il ne peut pas encore les interpréter en termes de réarrangements atomiques, faute de posséder ce signe interprétant (C) de la représentation mentale du phénomène. Le premier référent pour le chimiste c’est le monde sensible, puisque c’est par les sens que toute personne établit son contact avec le monde extérieur. Face à « l’inconnu » non encore modélisé, le chimiste se réfère d’abord à son champ de connaissances, à des systèmes de signes (comprenant son monde sensible), qui doivent produire des signes qui donnent du sens à cet inconnu, et le rendent familier, et ainsi de suite.

16Nous voyons donc se dessiner une relation triadique caractéristique de la sémiotique de Peirce, qu’il appelle tiercéité. Celle-ci, dit-il, étant irréductible « à un quelconque complexe de relations dyadiques » (2.274), à des sortes de causalités, comme si l’esprit humain n’avait rien à avoir (et voir) là-dedans. Selon la conception de Peirce, si l’homme peut être extérieur aux faits, il ne peut être extérieur au phénomène car celui-ci est composé de trois éléments : faits, qualités, pensée. Dans phénomène, on entend modèle. L’interprétant C est l’effet produit sur la pensée (tout concept est un signe), lui-même déterminé par le signe A, en rapport à l’objet B.

17Ce qui fait la richesse de la sémiotique de Peirce, c’est qu’elle souligne que l’interprétant C est le terme indispensable dans cette relation, il le qualifie de « signifié propre du signe » (5.473), un résultat, ou un effet au sens scientifique (pas un résultat empirique). Par ailleurs, cette relation triadique se caractérise aussi par les propriétés suivantes :

  • elle ne se ramène pas à une accumulation de faits (comme un tas de pierres qui ne peut faire office de maison, dit Poincaré, 1902). « Il doit y avoir un élément d’effort dans l’expérience » (1.336) ;

  • elle se différencie des représentations mathématiques, des auxiliaires de pensée, sans rapport avec les phénomènes. Elle intègre de manière fondamentale « qu’il y a un monde réel avec des actions et des réactions réelles » (1.368), qui sert à assurer le principe de contradiction.

18C’est pour cela que cette relation Signe-Objet-Interprétant, appelée « Triptyque SOI » par Soudani et Héraud (2010), est une relation d’investigation scientifique, caractéristique de la modélisation en chimie, que l’on soit dans le domaine de la recherche ou de l’enseignement-apprentissage. Le triptyque SOI semble être le fondement du raisonnement hypothético-déductif. Cependant, Peirce n’emploie pas ce terme. Pour lui, il s’agit de l’abduction qui est le processus de former une hypothèse interprétative. C’est la seule opération logique qui permette de comprendre les phénomènes, donc de les modéliser. Contrairement à l’induction (qui ne fait qu’affirmer que quelque chose est actuellement), et à la déduction (qui tient pour vraies les conclusions qu’on va tirer de l’expérience, sinon on se contredirait), l’abduction suggère simplement que quelque chose pourrait être (may be), sans qu’on lui accorde aucun statut de vérité, pour autant que l’on puisse raisonner et développer continuellement de nouvelles idées se rapportant au monde potentiel. C’est ainsi qu’« en général, nous pouvons dire que les significations sont inépuisables » (1.343).

19Peirce propose une classification des signes en indices, symboles et icônes.

  • 5 2e lettre à Lady Welby (14 décembre 1908).

20Un indice est un « signe naturel » ou « symptôme physique » (3.361) que l’on peut saisir par les sens, et que l’on peut exprimer dans le langage naturel (un changement de couleur, d’odeur, de température, de pression, de forme, de texture/consistance, d’état physique, formation de fumée, de buée, de gaz, détonation, son, déviation d’une aiguille, point particulier dans un graphe ou tableau de mesures, etc.). « L’indice montre du doigt la chose ou l’évènement même qui se présente » (Peirce)5. « L’indice n’affirme rien ; il dit seulement : “là”. Il se saisit pour ainsi dire de vos yeux et les force à regarder un objet particulier et c’est tout » (3.361). C’est un signe qui dénote quelque fait ou objet pour quelque pensée interprétante. Le virage d’un indicateur coloré, ou la persistance d’une coloration indique la fin de la transformation chimique en jeu. « On ne peut énoncer aucun fait sans utiliser quelque signe servant d’indice » (2.305). De même, un indice ne rentre dans une relation sémiotique (ne peut être intelligible) que pour une personne ayant ce qu’on appelle une expérience collatérale de l’objet (certaine familiarité avec ce qu’on observe ou devrait observer… sinon il passe inaperçu) (2.298).

  • 6 Ibid.

21« Le symbole représente ce qui peut être observé dans certaines conditions générales et qui est essentiellement général » (Peirce)6. « Un symbole est un signe qui renvoie à l’objet qu’il dénote en vertu d’une loi, d’ordinaire une association d’idées générales qui détermine l’interprétation du symbole par référence à cet objet » (2.249). Exemples : les mots, les phrases : « atome » est un symbole, en ce sens qu’il ne nous montre pas un atome comme individu, ni n’accomplit devant nos yeux la formation d’une molécule à partir d’atomes particuliers, ni sa désagrégation, mais c’est un symbole qui suppose que nous sommes capables d’imaginer ces objets et que nous leur avons associé ce mot. La formule chimique, par exemple, H2O, est le symbole de la molécule triatomique de l’eau, obtenu par association d’un atome d’oxygène avec deux atomes d’hydrogène en vertu de la théorie atomique d’une part, et de la bivalence de l’oxygène et la monovalence de l’hydrogène d’autre part. Ce symbole, en sa représentation spatiale, permet d’interpréter l’augmentation de volume de l’eau quand elle gèle, en vertu des liaisons hydrogène, elles-mêmes en vertu de la loi générale de l’interaction électrostatique. H2O n’est pas un indice, car ce symbole n’est pas physiquement lié à son objet, et ne forme pas avec lui une paire organique. Il est seulement lié à son objet en vertu de l’idée de l’esprit qui l’utilise (2.299).

22La sémiotique de Peirce accorde au signe iconique un statut tout à fait particulier. « Une icône est un signe qui posséderait le caractère qui le rend signifiant, même si son objet n’existait pas » (2.304). Ceci nous semble être tout particulièrement adapté à la modélisation de la structure de la matière en chimie qui s’interroge sur des entités et des processus invisibles, et dont on ne peut imaginer l’existence qu’à travers d’autres signes, tels, en premier, les indices (S), c’est-à-dire l’inférer, s’en faire une idée, en créer un interprétant (I). Peirce souligne que « la seule façon de communiquer directement une idée est par le moyen d’une icône » (2.278). L’icône est donc le signe qui permet de raisonner sur les possibles, des choses qui pourraient être. Il le tient pour signe fondamental dans le raisonnement scientifique.

23Cette sémiotique souligne que les hypothèses ne naissent pas du néant, que les modèles n’ont qu’un statut temporaire. Elle est donc foncièrement épistémologique, et nous semble particulièrement adaptée aux sciences expérimentales, aussi bien au passé qu’au présent.

24Enfin, pour ne pas alourdir la présentation de notre cadre théorique, nous utiliserons ses autres fondements, centrés sur l’icône, de manière diffuse dans la suite de notre analyse.

2. Analyse sémiotique de l’évolution de quelques idées sur la structure de la matière et ses transformations

2.1. Des éléments d’Aristote à la chimie de Lavoisier

25« Dans toutes les écritures primitives, comme les hiéroglyphes égyptiens, il y a des icônes d’un genre non logique, les idéogrammes ». […] ces représentations ont été remplacées par des signes sonores conventionnels. Ceux-ci cependant sont tels qu’ils ne peuvent s’expliquer que par des icônes » (2.280). Cette évolution accompagne aussi le savoir chimique. Le voco-structural de Lavoisier en est un exemple. On peut y voir une représentation philosophique du monde sensible comme dans l’Antiquité, une forme d’écriture à la mode des idées comme au XVIIIe siècle, ou encore le signe d’une maîtrise progressive du « territoire », les travaux de Hassenfratz et Adet en constituant un des plus élaborés (voir infra).

2.1.1. Représentations iconique des éléments de l’antiquité

26Soudani et Soudani (2002) ont montré (figure 1) le besoin épistémologique qu’éprouvaient les savants de l’Antiquité de construire des signes et les mettre en relation pour rendre intelligible le monde qui nous entoure. Ainsi, ils représentaient les métaux (objet) par des formes iconiques illustrant certaines propriétés (interprétant), elles-mêmes référées à d’autres signes ou « icônes », telles que la divinité, l’astre, l’éclat, l’usage, le jour de la semaine.

Fig. 1 : signes iconiques des métaux connus à l’antiquité, et leurs associations (Soudani & Soudani, 2002).

Fig. 1 : signes iconiques des métaux connus à l’antiquité, et leurs associations (Soudani & Soudani, 2002).

27Outre le triptyque SOI, ce tableau montre aussi la place centrale qu’occupe le signe iconique, signe central dans la sémiotique épistémologique de Peirce.

28Par ailleurs, le signe iconique a permis à Platon de s’affranchir des « qualités » attribuées aux quatre « éléments » d’Aristote (figures 2 et 3). Son système est l’interprétant (I) de celui d’Aristote. Il lui a permis ainsi de réduire la subjectivité et la diversité des objets du monde sensible dans une diversité d’icônes sur la base desquelles il a construit une toute nouvelle conception, particulaire, de la structure de la matière et ses transformations.

Fig. 2 : signes iconique des éléments, et transformations de la matière par changement de qualités (Aristote).

Fig. 2 : signes iconique des éléments, et transformations de la matière par changement de qualités (Aristote).

Fig. 3 : signes iconiques des éléments, et transformation de la matière par réarrangement d’icônes (Platon) (d’après O. Lafont, 1994).

Fig. 3 : signes iconiques des éléments, et transformation de la matière par réarrangement d’icônes (Platon) (d’après O. Lafont, 1994).

29Le signe iconique chez Aristote, sous forme de triangle à orientation spécifique, dénote une qualité, subjective, une matière à structure continue, qui se transforme par modifications continues de qualités. Celles-ci sont elles-mêmes icônes de la faculté de s’élever/descendre plus ou moins facilement, dénotée par le trait barrant le triangle. Ces signes partagent un interprétant (I) commun, celui de « lourdeur ». Ainsi, « là où se trouvent certaines relations, il s’en trouve d’autres, et il requiert en conséquence que les relations raisonnées soient exprimées dans une icône » (3.363). Cet enchevêtrement des signes en SOI a procuré au système d’Aristote un caractère général, la portée d’un paradigme dont le dernier interprétant est le phlogistique (début du XVIIIe siècle).

30En interrogeant cette structure, par de nouvelles relations SOI, Lavoisier a synthétisé l’eau qui a éteint le phlogistique et noyé ce paradigme pour en construire un autre sur la base d’un nouvel interprétant, avec de nouveaux signes inspirés, en partie, des travaux de Geoffroy (1718).

2.1.2. Représentations iconiques des substances dans la table d’affinités de Geoffroy (1718)

31La table de rapports de Geoffroy (figure 4) est une icône, de listes d’affinités chimiques (interprétant), obtenues par l’observation d’interactions entre substances (signe indiciel). Comme dans les figures précédentes, elle montre que les substances connues à cette époque (objet) étaient représentées par des icônes traditionnelles (signe) devenues « publiques ». Pour Geoffroy, ces figures signifiaient des substances chimiques sans les connotations cosmologiques qu’elles avaient pour les chimistes des siècles précédents (interprétant).

Fig. 4 : table des rapports (E.F. Geoffroy, 1720).

Fig. 4 : table des rapports (E.F. Geoffroy, 1720).

32Néanmoins, la plupart de ces signes iconiques viennent ou dérivent de l’alchimie (figure 1), ce qui souligne l’interdépendance des signes (enchaînement de triptyques SOI à l’infini, dit Peirce) dans l’évolution des connaissances. Ils ont été utilisés comme base de raisonnement pour la synthèse de nouveaux corps (Weininger, 1998).

33Ainsi, dès cette époque, le chimiste commence à fabriquer son objet d’étude, un objet incarné dans des signes iconiques.

2.1.3. Le « voco-structural » de Lavoisier face à l’iconique

34A.L. Lavoisier (1743-1794) a utilisé les potentialités de cette table pour construire un nouveau système SOI. Il écrivait en 1787 : « nous avons trois choses à considérer dans toute science physique. La série des faits [objet O] qui constitue la science ; les idées qui rappellent les faits [interprétant I] ; les mots qui les expriment [un signe S, symbole] : ce sont trois empreintes d’un même cachet ». Il a construit un substantif (S) qui colle à la substance (O) et dénote sa structure (I), ce que Dagognet (1969) a appelé le « voco-structural ». Par exemple, l’acide nitreux et l’acide nitrique : deux vocables différents pour désigner deux structures différentes. Cependant, il n’a pas considéré les signes iconiques comme constitutifs de ce « cachet », mais « de simples annotations, dont l’objet est de soulager les opérations de l’esprit » (Lavoisier, 1782). Or, le signe iconique n’est pas une simple aide facilitant l’écriture ; il a une, sinon la valeur heuristique du raisonnement scientifique, puisque, dit Peirce, « soit un signe général d’un objet conventionnel ou autre, pour déduire une vérité autre que celle qu’il signifie explicitement, il est nécessaire, dans tous les cas, de remplacer ce signe par une icône » (2.279).

  • 7 Nous empruntons ces signes à Laugier et Dumon (2001), mais pas du tout le cadre d’analyse.

35C’est en effet ce que Lavoisier a fait quand il a voulu expliquer l’action de l’acide nitreux sur le fer. Il écrit d’abord le signe iconique 1 pour représenter la solution aqueuse d’acide nitreux (O). Puis, fidèle à sa conception (I) de la composition des acides, il a dû modifier cette écriture (S), car « une des grandes propriétés distinctives de l’icône est que par son observation directe peuvent être découvertes concernant son objet d’autres vérités que celles qui suffisent à déterminer sa construction » (2.278). L’intégration du signe du principe oxygine (signe iconique 2) donne le signe 37 procurant à l’objet une nouvelle dimension.

Signe iconique 1.

Signe iconique 1.

Signe iconique 2.

Signe iconique 2.

Signe iconique 3.

Signe iconique 3.

36La sémiotique de Peirce nous montre que les vocables seuls restent « fragiles », car la confusion guette à chaque fois qu’on veut donner à l’objet de nouvelles significations et les distinguer. Quel vocable « juste » pour désigner la substance dont la formule est C3H8O ? Si on en ignore la formule semi-développée ou topologique (son icône !), elle reste une idée vague. Ainsi « toute méthode indirecte pour communiquer une idée doit dépendre pour son établissement de l’utilisation d’une icône » (2.278).

2.1.4. Le système de signes de Hassenfratz et Adet

  • 8 Nous devons beaucoup d’expressions imagées à Dagognet (1969).

37J.H. Hassenfratz (1755-1827) et P.A. Adet (1763-1834), élèves de Lavoisier, ont pris conscience que le vocable n’est plus en mesure de « peindre » le fait8. En 1787, ils cherchaient, disaient-ils, « de quelle manière doivent être faits les caractères chimiques, pour pouvoir subvenir à tous les besoins de la science, dans l’état où elle se trouve aujourd’hui » (Hassenfratz & Adet, 1787). Inspirés par les icônes utilisées par les anciens, ils ont créé de « nouveaux caractères à employer en chimie », de nouveaux signes iconiques.

38Ces deux chimistes expriment ainsi devant l’Académie des sciences leur problématique : « Étant donné le nombre de substances simples connues [objet O], et en outre les rapports principaux qu’elles ont entre elles [signe S], quelle sorte de caractère leur donnera-t-on [icône], afin que, combinés les uns avec les autres, ils puissent former des caractères composés [interprétant I] qui indiquent le nombre et la nature des substances qui entreraient dans un mixte [interprétant I] ? Et quel doit-être l’arrangement des caractères simples qui forment les caractères composés, de manière que les chimistes puissent, à l’inspection du caractère d’un mixte, déterminer le rapport de quantité de substances qui le constituent » [interprétant I]. En la paraphrasant, cette problématique incarne la sémiotique de Peirce, le triptyque SOI. Ils exposent un second mémoire sur « l’arrangement que doivent avoir ces nouveaux caractères, afin de leur faire exprimer le rapport de quantité des substances simples contenues dans les mixtes » (figure 5).

Fig. 5 : système de signes iconiques proposé par Hassenfratz et Adet pour la combinaison chimique (d’après Hassenfratz & Adet, 1787).

Fig. 5 : système de signes iconiques proposé par Hassenfratz et Adet pour la combinaison chimique (d’après Hassenfratz & Adet, 1787).

39Les propos de Dagognet concordent parfaitement avec ceux de Peirce (2.278 ci-dessus), sur la valeur heuristique du signe iconique. En plus de leur flexibilité et modularité, ces signes permettent de prédire et d’agir : « on peut déjà dresser la liste des symboles à réserver aux substances inconnues qui ne manqueront pas de surgir dans l’avenir. Preuve que cette symbolique a de l’ampleur » (Dagognet, 1969).

  • 9 Ces numéros de figures sont à repérer sur la figure 5.

40En manipulant ces signes iconiques, les chimistes peuvent faire de la « peinture » sur papier pour « révéler d’autres vérités que celles qui suffisent à déterminer sa construction » (2.278) : faire de la synthèse chimique, avant de subir la sanction, ou plus heureux encore, l’approbation de l’expérience. « Ainsi, si on voulait désigner les combinaisons de l’oxygène et de l’azote, le caractère de l’azote étant fig. 329, celui de l’oxygène fig. 33, la base du gaz nitreux sera fig. 34, celle de l’acide nitreux fig. 35, celle de l’acide nitrique fig. 36 et celle de l’acide nitrique oxygéné fig. 37 » précisent-ils. C’est ainsi qu’ils attribuent à leur tableau de signes iconiques la valeur « de l’algèbre », un moyen pour faire de « nouvelles combinaisons d’idées qui leur surviennent ».

41En manipulant ces signes, ils prévoient la synthèse de 322 452 substances à partir des seuls 54 signes iconiques (attribués aux substances connues jusqu’alors) ! Et cette richesse du signe iconique, exprimée dans les propos de leurs auteurs, est toujours d’actualité.

42Cette analyse met également en évidence des obstacles épistémologiques, à savoir que ces signes ne représentent pas des particules microscopiques, mais des substances macroscopiques, et dénotent une structure continue. De même, chaque état physique de la même matière est désigné par une icône différente.

2.2. Modélisation de la matière et ses transformations au début du XIXe siècle

2.2.1. L’hypothèse atomique de Dalton

43La conception atomique remonte à l’antiquité, mais était de nature philosophique. La théorie des quatre éléments d’Aristote a contribué à son occultation. Les conceptions de C.L. Berthollet (1748-1822) qui pensait que les combinaisons se font de manière continue, ainsi que les signes iconiques de Hassenfratz et Adet qui les représentaient, ont différé son renouveau. Mais chaque idée contribuait à édifier la chimie, dont l’architecture sera rebâtie grâce à l’interprétant créé par J. Dalton (1766-1844). En effet, au début du XIXe siècle, les chimistes se demandaient comment les corps simples se combinaient, et dans quelles proportions, pour former les corps composés. Sur la base des travaux de J.L. Proust (1754-1826) et des siens (O), Dalton a perçu des signes (S : proportions définies, proportions multiples) qu’il a interprétés par l’hypothèse atomique (I). L’atome étant conçu comme unité minimale de combinaison, qui ne suppose ni vide ni attraction, ni architecture particulière interprétant les propriétés des corps (Bensaude-Vincent & Stengers, 1993). De là, il commence à attribuer des formules aux corps.

44Wollaston et à sa suite Berzelius, parmi d’autres, ont d’abord attribué à l’eau une « formule macroscopique » HO (dans notre symbolisme actuel) (Massain, 1966). La sémiotique de Peirce nous permet d’expliquer que Dalton est parvenu lui aussi à la « formule » HO, mais par d’autres relations sémantiques, et a ainsi pu faire nettement progresser la chimie.

45Dalton postule (I), dans des règles simples, que lorsque deux éléments interagissent en ne donnant qu’un composé connu, ce composé doit être binaire du type AB. En appliquant cette règle, il a postulé l’atomicité des corps qu’il connaissait : Les corps simples seraient monoatomiques (l’essence même de son hypothèse atomique), d’autre sont binaires (AB), ou ternaires du type AB2 ou A2B, et ainsi de suite. « Le tableau ci-après [figure 6] donne les signes arbitrairement choisis pour représenter les particules ultimes ou éléments des corps » (Dalton, 1808, cité dans Delacre, 1920).

Fig. 6 : icônes attribuées par Dalton aux corps simples et aux combinaisons chimiques (Massain, 1966).

Fig. 6 : icônes attribuées par Dalton aux corps simples et aux combinaisons chimiques (Massain, 1966).

46Chaque signe iconique de cette fresque est désormais porteur de deux significations : la qualité (nature) et la quantité (nombre) des constituants, en représentant les corps composés par des symboles accolés.

47Ces icônes ont été créées de toute pièce (Delacre, 1920). Pourtant, ils ne sont pas signe de primitivisme. Ils diffèrent des « signes cabalistiques de l’alchimie. Ceux-ci n’avaient que la valeur d’un mot » (Ibid.). Les signes de Dalton ont, outre la valeur des mots, une valeur de « poids », au sens propre comme au sens figuré. Il s’est alors préoccupé de « déterminer les poids relatifs des particules ultimes, tant dans des corps simples que des corps composés, le nombre de particules élémentaires simples constituant une particule composée, et le nombre de particules moins complexes entrant dans la formation d’une autre plus complexe » (Dalton, 1808, cité dans Delacre, 1920). Chaque signe correspond à un atome (indivisible) d’un corps donné (que celui-ci soit simple ou composé). Aucune icône de la série des quaternary (n° 30 à n° 33) de la figure 6 ne correspond à l’ammoniac. L’atome d’ammoniac, composé binaire d’un atome d’hydrogène et d’un atome d’azote, est représenté par l’icône n° 22 (NH). Cette conception soutient que, lors des réactions chimiques, les atomes ne subissent aucune altération (a-tomos), ce qui donne lieu à des icônes obtenues uniquement par juxtaposition des unes aux autres. Ainsi, l’atome de sucre, icône n° 37, est composé d’un atome d’acide carbonique (n° 28) et d’un atome d’alcool (n° 33), et s’écrirait (CO2)(C3H). Les seuls changements concevables, dit-il, « sont, ou bien séparer les particules en état de cohésion ou combinaison, ou bien joindre celles qui étaient éloignées les unes des autres ». Cette conception constitue un obstacle épistémologique qui sera franchi grâce à un nouvel interprétant, les hypothèses d’Avogadro.

2.2.2. Limites de l’hypothèse de Dalton

  • 10 2e lettre à Lady Welby (14 décembre1908).

48La manipulation de ces signes iconiques « sur lesquels, pour la plupart, il est bien prouvé qu’il n’a jamais expérimenté » (Delacre, 1920), était, pour Dalton, d’une valeur heuristique et d’une supériorité telles que le fait expérimental n’était même pas démonstratif ! Pourtant, ce système de signes n’est pas une fiction sans appui sur le réel, ou simple combinatoire mathématique. Son statut est tout à fait novateur, car sa contradiction avec l’expérience (de Gay-Lussac), un principe cher à Peirce, a permis la naissance des hypothèses fécondes d’Avogadro. Il semble avoir donné satisfaction, et lui a permis d’établir des tables de « poids » atomiques plus ou moins validées par l’expérience, mais il a posé problème face aux transformations en phase gazeuse de Gay-Lussac. Comme le dit Peirce, « puisqu’il apparaît par expérimentation qu’une hypothèse arbitraire se réalise approximativement, nous supposons que ces conséquences mathématiques se réaliseront approximativement. Mais ceci n’est pas prouvé tant qu’elle n’est pas expérimentée »10.

49En effet, L.J. Gay-Lussac (1778-1850) constate que « tous les gaz, en agissant les uns sur les autres, se combinent toujours dans les rapports les plus simples […] que le rapport de combinaison est de 1 à 1, de 1 à 2 ou de 1 à 3. Il est bien important d’observer que, lorsqu’on considère les poids, il n’y aucun rapport simple entre les éléments d’une première combinaison […]. Les gaz, au contraire, dans telles proportions qu’ils puissent se combiner, donnent toujours lieu à des composés dont les éléments, en volume, sont des multiples les uns des autres » (1809).

50Traduit dans la théorie de Dalton, cela donne : 1 atome N d’azote se combine avec 1 atome O d’oxygène pour donner deux atomes (2NO) d’oxyde d’azote. Fidèle à sa conception atomique de la matière, Dalton soutient que la combinaison, se faisant d’atome à atome, ne peut donner qu’un unique atome d’oxyde d’azote NO (1N +1O = 1NO). Or, si un atome de chaque gaz représente un volume de ce gaz, alors l’unique atome NO formé ne représente pas plus d’un volume d’oxyde d’azote. Il nie alors le dédoublement de volume obtenu par Gay-Lussac. Pour lui, accepter ce dédoublement de volume, c’est accepter qu’il se forme 2NO. Impossible, dit Dalton ! Puisque les atomes sont par définition insécables, et qu’on ne peut en créer. D’où l’obstacle.

2.2.3. Deux nouvelles hypothèses conciliant modèle et expérience

  • 11 « Ainsi la molécule intégrante de l'eau, par exemple, sera composée d'une demi-molécule d'oxygène a (...)

51Pour concilier le monde de l’hypothèse atomique (signe S ou I) d’une part et celui de l’expérience (O) d’autre part, A. Avogadro (1776-1856) formule deux hypothèses (interprétant I) : la première est celle dite d’Avogadro-Ampère, soutenant une proportionnalité entre le nombre de molécules et le volume d’un gaz. La seconde : « c’est de supposer que les molécules constituantes d’un gaz simple quelconque […] ne sont pas formées d’une seule molécule élémentaire, mais résultent d’un certain nombre de ces molécules réunies en une seule par attraction, et que lorsque les molécules d’une autre substance doivent se joindre à celles-là pour former des molécules composées, la molécule intégrante qui devrait en résulter se partage en deux ou plusieurs parties ou molécules intégrantes composées de la moitié, du quart, etc., du nombre de molécules élémentaires dont était formée la molécule constituante de la première substance, combinée avec la moitié, le quart, etc., du nombre des molécules constituantes de l’autre substance, qui devrait se combiner avec la molécule totale, ou, ce qui revient au même, avec un nombre égal à celui de demi-molécules, de quarts de molécule, etc., de cette seconde substance ; en sorte que le nombre des molécules intégrantes du composé devienne double, quadruple, etc., de ce qu’il devrait être sans ce partage, et tel qu’il le faut pour satisfaire au volume du gaz qui en résulte11 » (1811).

52Dalton refusait le rapport de proportionnalité proposé entre volume et nombre de molécules, car sa conception du calorique l’empêchait de concevoir que le nombre de particules dans un volume donné de gaz puisse être indépendant de la nature du gaz (Scheidecker-Chevallier, 1997).

53Il a aussi refusé d’admettre l’hypothèse d’Avogadro soutenant qu’un corps simple peut être formé de molécules intégrantes (O2, N2 selon le symbolisme actuel) constituées de molécules élémentaires, qui remettait en question sa conception de la constitution atomique des gaz (atomos = insécable). « Il ne serait pas plus difficile d’introduire une nouvelle planète dans le système solaire, ou d’en annihiler une existante, que de créer ou de détruire une particule d’hydrogène » (cité par Delacre, 1920). De plus, d’autres argueront que « l’union de deux atomes semblables en une molécule paraît impossible, inconcevable, surtout dans le cadre de la théorie électrochimique de Berzelius où toute combinaison s’explique par des charges électriques opposées » (Hassenfratz & Adet, 1787 ; Bensaude-Vincent & Stengers, 1993).

54L’interprétant d’Avogadro a donné naissance à de nouveaux concepts (un concept étant un signe) : molécule intégrante, molécule élémentaire, où le vocable atome semble disparaître emportant avec lui l’idée d’a-sécabilité. La confusion atome-molécule est ainsi évacuée, mais le fait qu’elle ne soit pas levée est un signe dénotant l’absence d’icône (interprétant) chez Avogadro, qui lui aurait probablement permis d’avoir une image concrète de son système, et de cerner ainsi la nature des particules, en procurant un nouveau sens à atome. C’est Ampère qui le fera.

2.2.4. Géométrisation des particules par Ampère

55Contrairement à Avogadro, A.M. Ampère (1775-1836), à la manière de Platon, et se servant d’une hypothèse analogue à celle d’Avogadro, donne à celle-ci des bases sémiotiques complètement différentes. Il a construit un modèle particulaire de la combinaison chimique par l’élaboration d’icônes polyédriques des particules (Scheidecker-Chevallier, 1997), pour rendre compte des lois volumiques de Gay-Lussac, et interpréter non seulement des transformations chimiques, mais aussi les formes cristallographiques observées par les minéralogistes (figure 7, Locqueneux, 2008).

Fig. 7 : particules « géométrisées » élaborées par Ampère (d’après Locqueneux, 2008).

Fig. 7 : particules « géométrisées » élaborées par Ampère (d’après Locqueneux, 2008).

56Ce signe iconique, comme « tout raisonnement déductif […] enferme un élément d’observation : autrement dit, la déduction consiste à construire une icône ou diagramme dont les relations entre les parties présentent une analogie complète avec celles des parties de l’objet du raisonnement ; à expérimenter sur cette image dans l’imaginaire, et à observer le résultat de manière à découvrir des relations ignorées et cachées entre les parties » (3.363). C’est, en effet, ce que Ampère disait, en ayant bien conscience de la valeur heuristique de ce signe : « je faisais un mémoire mathématico-chimique que je regardais comme devant donner des bases mathématiques à toute la théorie des combinaisons des corps. J’en ai toujours la même idée ; je le regarde toujours comme préparant une de ces grandes théories qui donnent une nouvelle forme à une science ». Ainsi, Ampère dit que cela lui permet d’étendre son système iconique, désormais à l’échelle microscopique « à une infinité de nouvelles combinaisons », ce qui « fait à présent prévoir d’avance, d’après l’arrangement des atomes dans les particules simples, les proportions de combinaisons dans tous les corps composés » (cité par Locqueneux, 2008). Il lui a aussi permis de faire la distinction, fondamentale, entre molécule et atome, et initié l’établissement de l’atomicité des molécules (Scheidecker-Chevallier, 1997). La géométrisation (signe iconique), dit Lochak (1982), a toujours été une manière, sinon la meilleure « de s’élever du concret vers l’abstrait et la première manière de trouver des résultats précis sur des êtres qu’en réalité nous avons inventés. […] Les propriétés des êtres abstraits imaginés par l’homme nous servent dans la pratique parce qu’elles sont suffisamment proches des faits expérimentaux observés ».

2.2.5. Mécanisme réactionnel par l’iconique

57Berzelius avait déjà systématisé, depuis  1819, le symbolisme chimique actuel des atomes (par les initiales de leurs noms) (Dumon & Luft, 2008 ; Delacre, 1920). La démarche d’A.M. Gaudin (1804-1888), proposant en 1833 un mécanisme pour interpréter le réarrangement d’atomes (I) dans la formation du chlorure d’hydrogène et de l’eau (O) met en évidence la nécessité du signe iconique (S) dans la construction et la communication du savoir chimique (figure 8).

Fig. 8 : mécanismes de formation de certaines molécules à partir de leurs éléments constitutifs (d’après A.M. Gaudin, 1833).

Fig. 8 : mécanismes de formation de certaines molécules à partir de leurs éléments constitutifs (d’après A.M. Gaudin, 1833).

2.3. Vers un consensus sur la structure de la matière au XIXe siècle

58Le système de Dalton a été remis en cause par les hypothèses d’Avogadro. Mais, malgré sa farouche opposition à celles-ci, Dalton a dû, sous l’autorité de l’expérience, modifier son système. Le New system of chemical philosophy  de Dalton n’avait rien de doctrinal, il s’est imposé, car il a toute la solidité sémiotique et la logique mathématique dont l’esprit de son auteur est nourri (Delacre, 1920). Associé aux lois volumiques de Gay-Lussac, il a donné naissance aux hypothèses d’Avogadro comme interprétant. Chaque système est devenu désormais l’interprétant de l’autre, et ils constituent ainsi des modèles emboîtés au sens de Halbwachs (1974). « Ces idées sont les premiers interprétants logiques des phénomènes qui les suggèrent et qui, parce qu’ils les suggèrent, sont des signes dont ils sont les interprétants (réellement conjecturaux) » (5.480). « L’interprétant devenant à son tour un signe et ainsi de suite ad infinitum » (2.303). Mais « il ne faut pas oublier que toute conjecture est l’équivalent ou l’expression d’une habitude » (5.480) en tant qu’interprétant logique ultime, « véritable et final » (5.491), c’est-à-dire un paradigme. On parlerait du paradigme atomique.

59Par ailleurs, malgré leur fécondité, ces travaux de modélisation ont rencontré une grande résistance de la part de nombreux chimistes qui refusaient de se réduire à l’atome, cette « monstrueuse hypothèse de Lucrèce » qui témoigne de la « légèreté des chimistes » (Kelvin), puisqu’elle « va plus loin que l’expérience » (J.B. Dumas (1800-1884). L’atome étant un produit d’imagination de son auteur (Dalton), il n’a pas été découvert dans l’expérience.

60En 1858, S. Cannizzaro (1826-1910) propose une synthèse des travaux d’Avogadro, de Gaudin et de Gerhardt sur l’atomicité. Le congrès tenu en 1860 à Karlsruhe a permis de débattre de la théorie atomique/moléculaire pour essayer d’harmoniser concepts et mesures. La marche vers un consensus est initiée.

61Mendeleïev par la suite établit de nouvelles relations SOI, où le macroscopique et le microscopique se côtoient, mêlés aux concepts de corps simple, de molécule, d’atome et d’élément, devenus bien distincts.

3. Conclusion, discussion et perspectives

3.1. Conclusion

62Nous avons essayé de mettre en évidence que la tiercéité de la sémiotique de Peirce (triptyque Signe-Objet-Interprétant [SOI]) permet de modéliser le processus de modélisation de la matière et ses transformations par les chimistes de la fin du XVIIIe -début XIXe siècles.

63Elle permet de dire que « tous les concepts, toutes les propositions générales du grand édifice de la science se sont d’abord présentés à nous comme des conjectures. Ces idées sont les premiers interprétants logiques des phénomènes qui les suggèrent et qui, parce qu’ils les suggèrent, sont des signes dont ils sont les interprétants (réellement conjecturaux) » (5.480). Plus précisément, la matière et ses transformations chimiques (O) se sont d’abord présentées, avec Berthollet, puis Hassentfratz et Adet, sous le modèle continuiste (I1). Les travaux sur la composition des corps (O) et les proportions définies et multiples comme signes (indice S) ont conduit Dalton à imaginer l’atome comme interprétant (I2) dénotant une structure discontinue de la matière et des transformations chimiques (O). Cet interprétant (I2) comme conjecture, dans sa version initiale, a été ébranlé par les travaux de Gay-Lussac sur les transformations en phase gazeuse (O) avec des proportions volumiques précises (indice S). Les hypothèses d’Avogadro ont créé un nouveau monde possible, imaginaire-hypothétique, un interprétant (I3) qui a modifié le paysage de la chimie.

64Le tableau suivant résume cet essai :

Tableau récapitulatif de la démarche de modélisation de la matière et de ses transformations (jusqu’au XIXe siècle), vue sous le triptyque SOI.

Scientifique Objet (O) Signes (S) Interprétant (I)
Pythagore
(350 av. J.C.)
Univers Iconique : nombres, polyèdres réguliers Ensemble de particules, Épaisseur et consistance.
Platon
(427-348 av. J.C.)
Matière et ses transformations Iconique : triangles, Polyèdres réguliers  Eau, terre, air, feu
Aristote
(384-322 av. J.C)
Matière et ses transformations Iconique : triangles augmentés ou non d’un trait Qualités : (chaud et sec ; chaud et humide ; froide et sèche ; froide et humide), lourdeur
Geoffroy
(1672-1731)
Matière et ses interactions Iconique : formes picturales des substances chimiques + rangées dans un tableau Corpuscule, affinités
Lavoisier
(1743-1794)
Substances chimiques et leurs interactions Indiciel : proportions pondérales
Iconique : lettre de l’alphabet + formes picturales
Négation du phlogistique + composition de la matière + Nomenclature + L’élément corps simple dernier termes de l’analyse
Hassenfratz (1755-1827) et Adet
(1763-1834)
Substances chimiques et leurs interactions Iconique : caractères picturaux (droite, triangle, cercle, demi-cercle) Caractère composé d’un mixte
Le rapport de quantité des substances simples contenues dans les mixtes
Dalton
(1766-1844)
Matière et ses transformations (en phase gazeuse) Indiciel : proportions pondérales
Iconique : balle de billard
Loi des proportions multiples
Hypothèse atomique
Gay-Lussac
(1778-850)
Matière et ses transformations (en phase gazeuse) Indiciel : Volumes des gaz Loi des combinaisons volumiques
Avogadro
(1776-1856)
Matière et ses transformations (en phase gazeuse) Indiciel : hypothèse atomique
Symbolique : loi des combinaisons volumiques 
Proportionnalité volume - nombre de molécules
Molécules élémentaires, constituantes, intégrantes
Ampère
(1775-1836)
Matière et ses transformations (en phase gazeuse) Iconique : polyèdres Proportionnalité volume - nombre de particules
Architecture des particules élémentaires et composées
Gaudin
(1808-1880)
Matière et ses transformations Iconique : balle de billard Définition et distinction atome-molécule
Mécanisme réactionnel
Atomicité des molécules

65Cet emboîtement de SOI et son évolution a donné progressivement naissance aux concepts d’atome et de molécule dans leur acception actuelle, et dont l’existence réelle constitue le « mythe fondateur de la chimie » (Laszlo, 1993).

3.2. Discussion et perspectives

66La chimie est l’étude de l’interconnexion entre « les langues des hommes et la parole des choses » (Laszlo, 1993), entre les réponses (signes indiciels) que la matière (O) donne aux questions que les hommes lui posent et ce qu’ils peuvent construire comme interprétations (S, I) et représentations (icônes S), rendant ces réponses intelligibles.

67L’analyse du processus de modélisation de la matière et de ses transformations à la lumière de la sémiotique de Peirce, montre que les scientifiques manipulent les objets (O) par l’intermédiaire de signes (S, I). Le SOI permet de situer les statuts et rôles respectifs du théorique et de l’expérimental.

3.2.1. L’expérience

68Le SOI accorde à l’expérience le statut de signe (ou ensemble de signes), car elle est le plus souvent conçue sur la base d’une hypothèse donnée (un pré-interprétant). Cette dernière est toujours mêlée à d’autres hypothèses connexes, exprimées dans d’autres relations SOI, entraînant, inconsciemment, une certaine manière de concevoir l’expérience, de manipuler et d’interpréter les résultats expérimentaux qui en découlent.

  • 12 2e lettre à Lady Welby (14 décembre 1908).
  • 13 Idem.

69Ceci constitue le principe du raisonnement abductif : « Un mélange d’expérimentation et de raisonnement mathématique est requis, ce dernier ne compte pas du tout dans la caractérisation de la preuve puisque l’on sait bien que le raisonnement mathématique est un principe constitutif nécessaire de toute expérimentation » (Peirce)12. L’expérience s’inscrit dans une dialectique entre un système de signes en constante construction-mutation et l’objet qui prend bien part dans ces relations sémiotiques, qu’il soit présent concrètement ou par la pensée (Soudani, Héraud & Soudani, 2009). Ainsi, « une hypothèse arbitraire étant posée comme en mathématiques pures, la seule preuve logique possible est l’expérimentation » (Peirce)13. En chimie, « la théorie la plus riche de substance s’étiole quand elle n’a pas l’expérience pour tuteur » (Massain, 1966). Halbwachs (1974) parle alors d’isomorphisme entre la structure théorique (les signes, en dehors de l’objet) et la structure praxéologique (manipulation pratique, objet ou signe indiciel). C’est ainsi que Klein (1997, cité par Weininger, 1998), analysant l’équilibre dynamique de ces deux structures dans le laboratoire de J.B. Dumas (1830), rapporte que pendant qu’il s’efforçait de lire les changements s’opérant dans le ballon (chloration d’un alcool, signes indiciels), Dumas manipulait simultanément des outils sémiotiques sur papier, de sorte que ses équations sont devenues un substitut pour la mesure concrète des quantités de substances en jeu. Quand l’expérience contredit les prévisions, c’est là, dit Peirce, un terreau pour de nouvelles idées, et « là où se trouvent certaines relations, il s’en trouve d’autres » (3.363), ce qui rappelle les modèles emboîtés (Halbwachs, 1974).

3.2.2. Le signe indiciel

70Rattaché directement à l’expérience, le signe indiciel (S) ne dit rien de l’objet (O) auquel il renvoie. Il indique, il « force » simplement l’œil à la regarder. Il n’y a pas d’expérience parlante, mais l’expérience a « sa possibilité de sensation, si seulement nos sens voulaient y répondre » (1.426) puisque le signe « ne peut faire connaître ni reconnaître l’objet », car « la connaissance est présupposée pour pouvoir communiquer des informations supplémentaires le concernant » (2.231). Toutefois, souligne Peirce, l’expérience englobe des choses qui ne sont pas toujours objet de perception. Weininger (1998) se servait d’un aphorisme chinois (« quand un doigt indique la lune, seul un idiot regarde le doigt ») pour dire qu’il serait idiot de croire que les signes indiciels issus de l’expérience sont des « doigts » qui « montrent » les objets microscopiques (atomes, molécules) comme s’ils étaient des objets préexistants à l’acte de connaitre, comme le doigt qui indique la lune. Or, ces objets sont produits en symbiose avec leurs signes, et c’est ce qui constitue les potentialités de chacun dans une dynamique du triptyque SOI.

71Comme le montre la figure 9, en l’absence d’un système interprétatif (I) ayant une signification reçue, même insuffisante (telles les images sensibles du système de Dalton), l’indice (variations de volume) n’aurait rien fait de plus que de montrer « du doigt la chose ou l’évènement même qui se présente » (Peirce) ; il n’y aurait pas eu de signe (tel l’énoncé abstrait des hypothèses d’Avogadro), qui aurait pu s’y traduire (en molécule intégrante interprétant les variations de volume).

Fig. 9 : enchainement de SOI mettant en évidence le processus sémiotique du développement de la connaissance selon Peirce.

Fig. 9 : enchainement de SOI mettant en évidence le processus sémiotique du développement de la connaissance selon Peirce.

3.2.3. Le signe iconique

72Les propos de Delacre (1920), ainsi que ceux des scientifiques tels que Ampère (1814), Gaudin (1833), Dagognet (1969), Halbwachs (1974), Lochak (1982) concordent parfaitement avec ceux de Peirce sur la puissance tutélaire de l’icône dans le raisonnement scientifique. « Les icônes peuvent rendre les plus grands services pour obtenir des informations » (2.314). Utilisé depuis l’Antiquité, remis à l’ordre du jour à la fin du XVIIIe-début XIXe siècle comme outil heuristique, ce signe semble offrir une supériorité par rapport aux autres signes, qui lui sont associés. « Cette capacité de révéler une vérité inattendue est précisément ce que en quoi consiste l’utilité des formules algébriques, c’est pourquoi le caractère iconique est leur caractère dominant » (2.279).

73Ces signes peuplent les manuels scolaires, les livres universitaires, et les articles spécialisés. Du point de vue sémio-épistémologique, il n’y a pas de différence de statut entre l’écriture de Platon (figure 3), celle d’Ampère (figure 7), celle de Gaudin (figure 8) et l’écriture actuelle d’un mécanisme réactionnel. Ce sont des signes (S), du type iconique, rattachés à des objets (O) dont le statut (réels ou imaginaires) dépend uniquement de notre croyance, dans un cadre interprétatif donné (I). Platon croyait à la validité, voire à la véracité de son écriture, G.N. Lewis croyait à l’atome de forme cubique qui a rendu tant de services à la chimie, autant qu’un chimiste actuel croit à véracité des formes qu’il représente. Les générations futures auront sans doute, à leur tour, d’autres systèmes de signes (S) auxquels ils croiront. « Non parce que l’homme est un être changeant, mais parce que les symboles vivent : ils se répandent parmi les hommes qui les utilisent et leur permettent ainsi de se transformer et de donner naissance à d’autres symboles » (2.309).

3.2.4. Le modèle

74Cette analyse sémiotique-épistémologique de l’histoire se trouve en parfait accord avec les définitions actuelles de la modélisation selon des physiciens contemporains (Halbwachs, 1974 ; Lochak, 1982), et nous permet de dire que les modèles sont des signes interprétant (des idées) intégrés à un enchevêtrement de SOI. Nous pouvons, dans ce sens, partager l’avis de Cartwright (1983) qui soutient qu’« un modèle est une œuvre de fiction », en ce sens qu’il n’est pas du tout donné dans l’expérience qui est elle-même conçue et perçue à travers un système interprétatif. Atomes et molécules ont été imaginés comme signes interprétant d’autres signes.

  • 14 Le lecteur intéressé peut consulter les actes du congrès international « Images et mirages @ nanosc (...)

75Depuis les travaux de Dalton, et jusqu’à ceux des scientifiques contemporains, on peut aisément mettre en évidence des constructions successives de systèmes SOI, comme indiqué dans la figure 9, pour produire des images de l’atome qui se complexifient dans le temps. Les images modernes apparaissent avec un réalisme trompeur. Aujourd’hui l’enseignant et le chimiste sont persuadés que ces « corpuscules » sont de véritables objets microscopiques aussi concrets que la verrerie de laboratoire, ils les « manipulent », les « pèsent », les « comptent »... pourtant sans les voir (Soudani et al., 2012). La sémiotique de Peirce met en évidence un défaut d’analyse épistémologique qui conduit à croire que le STM (Scanning Tunneling Microscope) voit les atomes. Or, cet instrument de pointe, au sens propre comme au sens figuré, est un système déductif, qui fonctionne sur la base d’un enchevêtrement de SOI englobant l’idée d’atome comme connaissance présupposée (2.231). Il recueille des signes à partir de certains objets, qui ont comme interprétant (I) l’idée d’atome, sinon on se contredirait. Un signe en général n’entre dans une relation sémiotique pour fonder un modèle que grâce à « une expérience collatérale de l’objet » (l’atome), c’est-à-dire une certaine familiarité préalable avec ce que le signe dénote, qui contribue ainsi à le rendre intelligible. Comme le montre la figure 9, la relation ternaire est conçue pour questionner, faire dialoguer les relations binaires, en prenant pour témoin le troisième partenaire ! Chaque SOI doit pouvoir déterminer un troisième du troisième « et ainsi de suite indéfiniment » (2.274). Les enchevêtrements de SOI transforment ainsi l’objectif ultime de la science en une sorte de mirage14 qui recule à mesure qu’elle progresse.

76Enfin, la multiplicité de SOI à l’échelle épistémologique peut être transposée en une multiplication intentionnelle et maîtrisée de SOI au niveau didactique qui pourrait permettre de lutter contre l’éthique de la vérité en sciences (Halbwachs, 1974), en développant l’esprit critique, d’imagination et de créativité.

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Notes

1 Dans toute la suite, les citations de Peirce seront référencées par un numéro du type (X.XXX) (exemple : 1.343). Cela correspondent au numéro de paragraphe (XXX, ici 343) du volume (X, ici 1) dans “Collected Papers of Charles Sanders Peirce, vol. 1-6, C. Hartshorne et P. Weis (éd.) ; vol. 7-8, A.W. Burks (éd.), Cambridge : Harvard University Press, 1931-1958.

2 Aster n° 5, 1987 : « Didactique et histoire des sciences », ou plus récemment le n° 3 de la revue Recherches en Didactique des Sciences et des Technologies (RDST), 2011 : « Didactique des sciences et histoire des sciences ».

3 Cécile de Hosson : <http://www.lar.univ-paris-diderot.fr/page/deHosson>. Mais aussi les travaux de Laugier et Dumon utilisant l’histoire de la chimie.

4 International Journal of Science Education, vol. 22, n° 1, 2000 ; Aster n° 7, 1988 ; Didaskalia n° 11, 1997.

5 2e lettre à Lady Welby (14 décembre 1908).

6 Ibid.

7 Nous empruntons ces signes à Laugier et Dumon (2001), mais pas du tout le cadre d’analyse.

8 Nous devons beaucoup d’expressions imagées à Dagognet (1969).

9 Ces numéros de figures sont à repérer sur la figure 5.

10 2e lettre à Lady Welby (14 décembre1908).

11 « Ainsi la molécule intégrante de l'eau, par exemple, sera composée d'une demi-molécule d'oxygène avec une molécule, ou, ce qui est la même chose, deux demi-molécules d'hydrogène » (Avogadro, 1811).

12 2e lettre à Lady Welby (14 décembre 1908).

13 Idem.

14 Le lecteur intéressé peut consulter les actes du congrès international « Images et mirages @ nanosciences » tenu à Toulouse du 8 au 16 décembre 2010, Pullman (1995), et Sciences et Avenir, hors-série n° 14 (2006).

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 : signes iconiques des métaux connus à l’antiquité, et leurs associations (Soudani & Soudani, 2002).
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/881/img-1.png
Fichier image/png, 178k
Titre Fig. 2 : signes iconique des éléments, et transformations de la matière par changement de qualités (Aristote).
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/881/img-2.png
Fichier image/png, 47k
Titre Fig. 3 : signes iconiques des éléments, et transformation de la matière par réarrangement d’icônes (Platon) (d’après O. Lafont, 1994).
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/881/img-3.png
Fichier image/png, 69k
Titre Fig. 4 : table des rapports (E.F. Geoffroy, 1720).
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/881/img-4.png
Fichier image/png, 127k
Titre Signe iconique 1.
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/881/img-5.png
Fichier image/png, 12k
Titre Signe iconique 2.
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/881/img-6.png
Fichier image/png, 12k
Titre Signe iconique 3.
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/881/img-7.png
Fichier image/png, 15k
Titre Fig. 5 : système de signes iconiques proposé par Hassenfratz et Adet pour la combinaison chimique (d’après Hassenfratz & Adet, 1787).
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/881/img-8.png
Fichier image/png, 129k
Titre Fig. 6 : icônes attribuées par Dalton aux corps simples et aux combinaisons chimiques (Massain, 1966).
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/881/img-9.png
Fichier image/png, 45k
Titre Fig. 7 : particules « géométrisées » élaborées par Ampère (d’après Locqueneux, 2008).
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/881/img-10.png
Fichier image/png, 81k
Titre Fig. 8 : mécanismes de formation de certaines molécules à partir de leurs éléments constitutifs (d’après A.M. Gaudin, 1833).
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/881/img-11.png
Fichier image/png, 187k
Titre Fig. 9 : enchainement de SOI mettant en évidence le processus sémiotique du développement de la connaissance selon Peirce.
URL http://journals.openedition.org/rdst/docannexe/image/881/img-12.png
Fichier image/png, 75k
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Pour citer cet article

Référence papier

Mohamed Soudani, Olfa Soudani-Bani, Ezio Roletto et Alberto Regis, « Fonctionnement sémiotique et construction des modèles en chimie. Un cadre d’analyse peircien »RDST, 9 | 2014, 179-208.

Référence électronique

Mohamed Soudani, Olfa Soudani-Bani, Ezio Roletto et Alberto Regis, « Fonctionnement sémiotique et construction des modèles en chimie. Un cadre d’analyse peircien »RDST [En ligne], 9 | 2014, mis en ligne le 29 septembre 2016, consulté le 23 janvier 2022. URL : http://journals.openedition.org/rdst/881 ; DOI : https://doi.org/10.4000/rdst.881

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Auteurs

Mohamed Soudani

Université de Lyon, université Lyon 1, ENS-Lyon, S2HEP

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Olfa Soudani-Bani

Université de Lyon, université Lyon 1, ENS-Lyon, S2HEP

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Ezio Roletto

Université de Turin, Université de Turin, laboratoire SENDS (Italie)

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Université de Turin, Université de Turin, laboratoire SENDS (Italie)

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