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Les langues étant définies comme un « ensemble fini ou infini de phrases, chacune d'entre elles étant de longueur finie et composée d'un ensemble fini d'éléments », l'analyse syntaxique doit être capable d'analyser comment sont organisées les phrases d'une langue, c'est-à-dire la grammaire elle-même. C'est le travail déjà commencé par les partisans de la méthode distributionnaliste.
Il s'agit de pouvoir rendre compte des capacités du sujet parlant, de sa capacité à créer des phrases inédites et à en comprendre d'autres également inédites. Chomsky part d'une hypothèse (aujourd'hui au centre des discussions) : il existe dans l'espèce humaine des capacités à la fois physiques et mentales au langage qui sont en quelque sorte innées. Ces capacités se manifestent parallèlement à une sorte de structure universelle du langage lui-même. Ces structures existent à la fois dans le langage et dans le mental de l'enfant qui vient de naître ; elles sont chez lui activées par l'entourage. Ainsi le langage, constitué par une grammaire et un vocabulaire spécifiques à chaque langue, repose sur une forme grammaticale profonde, une « super-grammaire », une potentialité mécanique qui permet de générer un ensemble infini de phrases correctes, conformes à la grammaire spécifique de chaque langue et à elle seule. La grammaire est donc un mécanisme qui permet de former des séquences de sons et de mots conformes, qui constitue ce que Chomsky appellera plus tard, dans Aspects of Theory of Syntax, la compétence. Chaque utilisation concrète de la langue par un sujet parlant cette langue relève de ce qu'il appellera en opposition la performance, c'est-à-dire la réalisation concrète qu'il produit, séquence morpho-sémantique signifiante dans son contexte et « correcte » (conforme au modèle grammatical).
C'est donc à partir de cette potentialité, la compétence, qui permet de fabriquer et de comprendre les énoncés jamais créés auparavant, que Chomsky assigne un but précis à la grammaire : « Rendre compte explicitement de toutes les phrases grammaticales et de celles-ci seulement. » Contrairement à ses contemporains, il n'assigne pas un but descriptif à la grammaire, mais au contraire un but explicatif des faits. L'essentiel est de pouvoir rendre compte du caractère créatif de chaque langue et en particulier de rendre compte explicitement des ambiguïtés syntaxiques.
On entend par ces dernières celles qui reposent sur deux structures distinctes dont les phrases suivantes peuvent donner l'idée : « J'ai mes cousins à manger », « La critique de Chomsky est tendancieuse » ou, plus complexe : « La petite brise la glace » (ou « La petite ferme le voile »). Chaque phrase comporte une ambiguïté : place de « cousins » par rapport à « manger » dans la première, génitif objectif ou subjectif dans la deuxième, verbe ou nom dans les deux suivantes.
Dans Syntactic Structures, Chomsky présente un type de grammaire capable de rendre compte des relations grammaticales existant entre différentes phrases actives, passives, déclaratives, etc. Elle est composée de trois niveaux de représentation distincts : syntagmatique, transformationnel, morphophonologique. Chaque niveau est relié à l'autre par un certain nombre de règles spécifiques. Les éléments terminaux de l'analyse sont les mots du vocabulaire de la langue, qui constituent son dictionnaire, joints aux contraintes qui les régissent, qu'on représente par des symboles (symboles catégoriels) et qui font partie de la description : « P » (phrase), « SN » (syntagme nominal), « V » (verbe ou groupe verbal). La partie syntagmatique de la grammaire contient un nombre fini de règles de formation des syntagmes, incluant les règles de réécriture de ceux-ci. Chomsky va définir la base d'une grammaire, ou ce qu'il appellera également la structure profonde. La base contient ainsi les deux parties qui viennent d'être rappelées, qu'on reprend ici en sens inverse :
1° le composant catégoriel, qui est un système de règles qui définissent les suites permises de symboles catégoriels et les relations grammaticales entre les symboles catégoriels. Ainsi si la phrase P est formée de SN+SV+SN (par exemple « Jacques fume sa pipe »), on peut dire qu'elle est du type sujet/prédicat.
2° le composant lexical, ensemble des morphèmes définis par des traits qui les caractérisent au point de vue phonologique, morphologique, syntaxique et sémantique : père est un son [p↙r], muni de ses caractéristiques (explosive labiale, etc.), qui est à la fois un nom, un nom commun, masculin singulier, animé, être humain, etc. Ainsi la nouvelle grammaire de Chomsky pose que la phrase de base est une déclarative, affirmative et active. La réécriture de cette phrase est autorisée par les règles syntagmatiques qui lui sont liées, du genre X→Y, par exemple Paffirmative→Pnégation qui donnera « Jacques ne fume pas la pipe », phrase qui est autorisée. Ainsi un indicateur syntagmatique simple du type ϕ permet une réécriture dans plusieurs autres types (nominal, interrogatif, etc.). Les transformations ont pour effet de convertir une suite terminale munie d'un indicateur syntagmatique en une autre suite munie d'un autre indicateur syntagmatique. Les règles du composant transformationnel se caractérisent par la très grande diversité des opérations qu'elles sont capables d'effectuer : effacer, ajouter, permuter, par exemple. De plus, elles ne s'appliquent pas à un élément unaire ou binaire mais à une suite d'éléments par une succession d'opérations. Les règles de transformation morphosyntaxique sont évidemment liées (soit de façon simultanée, soit de façon subséquente, la solution du problème n'a pas encore d'importance) aux règles de transformation morphophonologique.
On a souvent remarqué que par cette description Chomsky répondait aux préoccupations distributionnelles de Harris, en rendant compte des relations existant entre les constructions syntaxiques différentes qui « contiennent » des classes distributionnelles communes. Mais il s'éloigne de lui en donnant une place centrale à la transformation. L'analyse structuraliste est ainsi balayée et rejetée par Chomsky ; sa théorie va prendre dans les années suivantes une tournure plus radicale.
On pourra sans doute repérer plusieurs étapes dans les modifications qu'il va lui donner. Mais le structuralisme sera bien davantage remis en question par les ouvrages suivants et par l'orientation « cartésienne » qu'il va adopter, dont les conséquences, notamment, se retrouveront dans une célèbre discussion qu'il aura en octobre 1975 à Royaumont avec le fondateur de l'épistémologie génétique, Jean Piaget. Ses premiers ouvrages sont : Aspects of the Theory of Syntax (1965, traduction française Aspects de la théorie syntaxique, 1971), et Cartesian Linguistics : A Chapter in the History of Rationalist Thought, 1966, traduction française la Linguistique cartésienne, 1969).