Au sens ordinaire et non spécialisé, l’expérience désigne d’abord l’ensemble des impressions sensibles et des perceptions que nous recevons du milieu, dont notre esprit tire certains "enseignements". Un "homme d’expérience" est ainsi un individu qui a lentement acquis des "savoirs", ou au moins des savoir-faire, lui permettant d’être éventuellement de "bon conseil", ou de se comporter convenablement en fonction des circonstances. Dans ce contexte initial, l’expérience n’implique pas la présence obligatoire d’éléments théoriques : je sais "par expérience" faire fonctionner mon récepteur de télévision et de nombreux autres appareils, mais je suis ignorant des théories physiques qui en fondent la possibilité.

Cette "expérience" est simplement reçue par l’esprit, qui demeure passif. Elle instruit aussi bien par l’échec que par la réussite : je sais "par expérience" que je ne peux sauter au-delà d’une certaine hauteur, ou qu’il m’est possible de démonter rapidement une roue d’automobile (en tout cas, plus rapidement que la première fois que j’ai tenté de le faire). Si l’expérience apporte ainsi quelques connaissances, c’est à force de répétition, d’essais et d’erreurs, et sans répondre véritablement à une question précise : elle correspond à une nécessité de la pratique, mais non à une schématisation intellectuelle de cette dernière.

Il apparaît de surcroît que cette expérience non dirigée par l’esprit peut être parfaitement trompeuse : je crois pouvoir dire, pour l’avoir souvent constaté, que "le soleil se lève" chaque matin, mais si je prends la formule au pied de la lettre, je suis dans l’erreur du point de vue scientifique, même si mon voisin m’approuve. Gaston Bachelard a souligné combien ces "évidences" dues à la perception ordinaire constituent un obstacle à la mentalité scientifique : la connaissance doit commencer par s’en délivrer de manière systématique. Bien avant un tel point de vue épistémologique, toute une tradition rationaliste (de Platon à Descartes) s’est montrée très critique à l’égard de l’expérience, qui ne renvoie qu’à l’instabilité et au caractère fugace des apparences, et fait courir le risque permanent
d’une tromperie par les sens : la vraie connaissance doit alors se détourner de l’univers que nous livrent nos expériences, pour se construire uniquement par des voies rationnelles.

L’histoire de la connaissance préscientifique montre pourtant que cette confiance exclusivement accordée à la raison et ce dédain des phénomènes ont produit nombre de théories fausses (les physiques d’Aristote et de Descartes, par exemple), même si elles furent durablement admises (comme l’astronomie d’Aristote). La raison, ne prenant appui que sur ses propres capacités, est en effet tentée d’opérer des déductions qui sont peut-être logiquement impeccables, mais qui peuvent ne pas correspondre à ce qui a lieu dans la nature. Déduire est incontestablement fécond en mathématiques (mais c’est précisément parce que le réel n’y intervient pas), mais génère des erreurs et des interprétations fausses lorsque la raison s’illusionne sur ses pouvoirs, en prétendant deviner seule les lois de la nature – comme si cette dernière était prête à nous les dévoiler par son propre mouvement et nous proposait simultanément la perception de ses phénomènes et des lois qui les organisent. Bertrand Russel peut ainsi considérer que la connaissance n’a véritablement progressé qu’à partir du moment où elle s’est affranchie de l’influence d’Aristote, qui fut bien le champion du raisonnement déductif.

Le raisonnement expérimental

Cet affranchissement commence au XVIIe siècle, lorsque Galilée conçoit la portée et les enseignements de l’expérience scientifique, en même temps qu’il considère que les mathématiques sont "le langage" de la nature, qui permettra donc de formuler rationnellement les lois révélées par cette expérience. Il devient clair (lentement cependant, car la pratique expérimentale ne se diffuse pas sans lenteur : Descartes y reste opposé, alors même qu’il admet les lois de Galilée, et Huygens se contente par exemple de décrire des montages expérimentaux sans jamais les réaliser) que, pour découvrir les lois régissant les phénomènes naturels, il convient d’interroger activement la nature elle-même, et non de continuer à l’observer passivement. La nature en effet ne révèle pas d’elle-même son fonctionnement : elle "ne répond", comme le rappellera Kant, qu’aux questions précises que lui pose l’esprit rationnel – lorsqu’il procède à des expériences scientifiques.

Claude Bernard a montré que l’expérience elle-même ne constitue qu’un moment d’une démarche plus complexe : le raisonnement expérimental. Celui-ci prend son point de départ dans une observation qui, contrairement à la perception banale, doit être capable de remarquer la présence d’un phénomène encore inexpliqué – ce qui suppose que, loin d’être naïve ou innocente, elle soit au contraire parfaitement informée de l’état actuel des connaissances. Dès ce premier temps, la connaissance des théories antérieures est une condition nécessaire. L’esprit doit ensuite, à partir d’une analyse du phénomène problématique, élaborer une hypothèse, ou "explication anticipée" : il conçoit quelle cause agit dans le phénomène observé.

C’est pour procéder à la vérification de l’hypothèse qu’est élaboré, dans un 3ème temps, le montage expérimental à strictement parler. Ce dernier suppose l’utilisation d’un outillage éventuellement complexe, et d’instruments (notamment de mesure) qui sont autant de "théories matérialisées" (Bachelard) : l’expérience scientifique, non seulement s’inscrit dans un cadre théorique ou conceptuel, mais est inséparable du recours à des théories antérieures, qui fondent sa possibilité pratique.

Lorsque l’hypothèse est confirmée par les résultats de l’expérience (par exemple, lorsque les variations d’un phénomène, telles qu’on peut les mesurer, correspondent bien à celles qui avaient été prévues à partir de l’attribution d’un rôle causal à un élément que l’on fait lui-même varier), on formule, par induction, la loi à laquelle obéit le phénomène. Cette loi est par définition universelle (valable pour tous les phénomènes semblables), mais en droit, une expérience bien menée n’a pas besoin d’être répétée – même si, en fait, la complexité des recherches contemporaines demande que les expériences soient refaites dans différents laboratoires. On suppose en effet que tous les phénomènes semblables à celui sur lequel on a expérimenté obéissent à un fonctionnement constant : "les mêmes causes entraînent toujours les mêmes effets" – formule simple du déterminisme, qui est le principe fondant la possibilité de l’induction.

La théorie, système de lois

Une théorie est la mise en forme mathématique, par transcription en symboles abstraits des données initialement empiriques, d’un certain nombre de propriétés simples des corps observés, reliées entre elles par des énoncés mathématiques. Elle se compose de 3 parties :
1. ses équations fondamentales (celles de Newton, par exemple, en mécanique classique), qui définissent par postulat certains termes primitifs
2. les règles de déductions qui peuvent être appliquées à ces équations (par exemple : pour la mécanique classique, l’algèbre, la géométrie et la logique bivalente)
3. des règles de correspondance reliant les termes primitifs à des lectures d’instruments de mesure. En l’absence de ce 3ème aspect, la théorie ne pourrait être contrôlée expérimentalement

Les énoncés mathématisés autorisent en effet des déductions ultérieures qui, n’étant que "formelles", sont effectuées sans se préoccuper des corps ou des aspects du "réel" qu’elles pourraient concerner. De la sorte, la théorie, une fois mathématisée, peut anticiper, par simple calcul, sur les expériences qui viendront ultérieurement. Cette vérification peut elle-même être longuement différée ; ainsi, la notion de "masse négative", dont l’existence est affirmée par Dirac, dès la fin des années vingt, à partir de calculs sur les champs électromagnétiques, n’a-t-elle pu être confirmée expérimentalement qu’à la fin du XXe siècle. La physique devient donc de plus en plus "théorique", et la relation chronologique classique admise entre expérience et théorie se trouve désormais inversée.

On peut se demander quelle est la portée ou l’enseignement de la théorie : est-elle une explication ou une représentation d’un domaine du "réel"? Scientifiques et épistémologues considèrent que le "réel" est inaccessible à la connaissance. C’est déjà ce qu’enseignait Kant, dans son vocabulaire distinguant l’ordre des phénomènes – ce qui se manifeste, pour notre esprit, de la nature, et qui est donc connaissable – de celui des noumènes – "réalité" ultime ou "en soi", mais en tant que telle inconnaissable parce qu’elle ne s’offre pas à nos instruments de perception, si raffinés
soient-ils. La science ambitionne donc, non de nous livrer la clef définitive de la "réalité" (ce qui signifierait d’ailleurs que la connaissance pourrait, un jour, trouver son terme), mais de construire des représentations compatibles avec ce que nous en percevons.

Peut-on dès lors admettre avec Pierre Duhem que sera "vraie" une "théorie qui représente de manière satisfaisante un ensemble de lois expérimentales"? La définition semble simple, mais elle comporte nombre de termes problématiques, à commencer par ceux de "vérité", de "représentation" et de "manière satisfaisante"... Peut-être est-il plus prudent de considérer, comme le fait Karl Popper, qu’une théorie peut être confirmée, mais non définitivement vérifiée. Sa confirmation implique qu’elle se prête à la possibilité d’être démentie par une expérimentation – ce que Popper nomme sa "falsifiabilité", mais non qu’elle constitue pour si peu une "vérité" définitive ou absolue. Dans cette optique, une théorie s’affirmant "irréfutable" n’est pas nécessairement plus "vraie" qu’une autre, mais elle est en tout cas non-scientifique, puisqu’elle ne se prête pas à l’épreuve de l’expérimentation ; tels seraient, selon Popper, le marxisme ou la psychanalyse.