Η επιστημονική μέθοδος

Για την ανακάλυψη των νόμων που διέπουν τη φύση, οι φυσικοί ακολουθούν μια ενιαία και αποδεκτή διαδικασία, την επιστημονική μέθοδο. Στον αρχαίο κόσμο η βασική μέθοδος στηριζόταν στην παρατήρηση και στο λογικό συλλογισμό.

Μετά την επιστημονική επανάσταση η επιστημονική πρακτική στηρίζεται στο πείραμα και τα μαθηματικά. Θέτουν ερωτήματα και προσπαθούν να δώσουν απαντήσεις σ’ αυτά ακολουθώντας ορισμένα βήματα, που συνολικά τα ονομάζουμε επιστημονική μέθοδο.

Τα βασικά στοιχεία της επιστημονικής μεθόδου είναι:

1] Παρατήρηση. Προκύπτει μέσα από την παρακολούθηση ενός φαινομένου που συμβαίνει γύρω μας.
2] Η υπόθεση. Πρόκειται για μια πιθανή απάντηση σε κάποιο από τα ερωτήματα που μας δημιουργούνται κατά την παρατήρηση ενός φαινομένου. Η υπόθεση κατόπιν ελέγχεται για την ακρίβεια της με πειραματικές διαδικασίες.
3] Το πείραμα. Πρόκειται για τη διαδικασία αναπαραγωγής ενός φαινομένου κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες, που μπορεί να επαναληφθεί όσες φορές θέλουμε, καθώς με την επεξεργασία των μετρήσεων των φυσικών μεγεθών του φαινομένου οδηγεί στην επαλήθευση ή την απόρριψη μιας υπόθεσης

Όταν μια υπόθεση επιβεβαιωθεί με την πραγματοποίηση πολλών πειραμάτων μετατρέπεται σε νόμο. Μια σχετική ομάδα νόμων απαρτίζουν μια θεωρία. Η θεωρία παρουσιάζει νέες προβλέψεις που πρέπει να επιβεβαιωθούν με την παρατήρηση και το πείραμα.

Η εφαρμογή της επιστημονικής μεθόδου στο φαινόμενο της πτώσης των σωμάτων.

1/ Αρχική παρατήρηση και υπόθεση.
Τον 4ο π.Χ. αιώνα ο Αριστοτέλης κάνοντας μια σειρά από παρατηρήσεις που αφορούσαν την κίνηση των σωμάτων, ισχυρίστηκε ότι τα βαρύτερα σώματα πέφτουν πιο γρήγορα από τα ελαφρύτερα. Ο ισχυρισμός του Αριστοτέλη ήταν μια υπόθεση που στηρίχθηκε στην παρατήρηση.

2/ Πείραμα
Πολλές αιώνες αργότερα, ο Γαλιλαίος με χρήση της πειραματικής διαδικασίας προσπάθησε να ελέγξει την υπόθεση του Αριστοτέλη. Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποίησε ο Γαλιλαίος για την επανάληψη της πτώσης σώματος σε ελεγχόμενες συνθήκες, ήταν ένα κεκλιμένο επίπεδο με δυο αυλάκια. Από την κορυφή άφηνε δυο σφαίρες να κυλίσουν ταυτόχρονα πάνω στα αυλάκια και παρατηρούσε τους χρόνους κίνησης των δυο σφαιρών, κάθε φορά με σώματα από διαφορετικό υλικό και βάρος. (Ο Γαλιλαίος έκανε χρήση του κεκλιμένου επιπέδου για το λόγο ότι τα σώματα πάνω του κυλούσαν πιο αργά μιας και δεν υπήρχαν τότε όργανα για την μέτρηση μικρών διαφορών χρόνου).

Ο Γαλιλαίος άφηνε την ίδια στιγμή και το ίδιο ύψος να πέσουν διάφορες σφαίρες και από τις μετρήσεις που έκανε βρήκε και επαλήθευσε ότι τα σώματα πέφτουν ταυτόχρονα.

3/ Η διάψευση της αρχικής υπόθεσης και διατύπωση νέας
Κάνοντας επανειλημμένα πειράματα, ο Γαλιλαίος διαπίστωσε ότι η υπόθεση του Αριστοτέλη ήταν λανθασμένη. Τα σώματα πέφτουν σχεδόν ταυτόχρονα, όταν αφεθούν από το ίδιο ύψος την ίδια χρονική στιγμή, ανεξάρτητα από το υλικό και το βάρος τους.

Ο Γαλιλαίος παρατήρησε μικρές χρονικές διαφορές στις πτώσεις, όταν τα σώματα είχαν μεγάλες διαφορές στις διαστάσεις τους. Κατάλαβε ότι η πτώση των σωμάτων επηρεάζεται από τον αέρα που αντιστέκεται στην κίνηση των σωμάτων και επηρεάζεται περισσότερο όσο πιο μεγάλες είναι οι διαστάσεις τους

Ο Γαλιλαίος διατύπωσε μια νέα υπόθεση:

Σε απουσία αέρα, όλα τα σώματα, ανεξάρτητα από το υλικό και το βάρος τους, πέφτουν ταυτόχρονα στο έδαφος, όταν αφεθούν την ίδια στιγμή από το ίδιο ύψος.

Η υπόθεση γίνεται φυσικός νόμος: Μετά από πολλές μετρήσεις του ύψους πτώσης και του χρόνου πτώσης, ο Γαλιλαίος επαλήθευσε την υπόθεση του και κατόρθωσε να δια τυπώσει μαθηματική σχέση μεταξύ των μεγεθών αυτών, οπότε η υπόθεση του έγινε φυσικός νόμος.

Γενίκευση και διατύπωση θεωρίας: Το 1657 ο Robert Hooke ανάπτυξε την αντλία κενού, και έτσι πραγματοποίησε το ιστορικό πείραμα πτώσης ενός νομίσματος και ενός φτερού σε σωλήνα κενού. Με το πείραμα αυτό διατυπώθηκε ότι η υπόθεση του Γαλιλαίου ήταν σωστή.

Μερικές δεκαετίες αργότερα η υπόθεση του Γαλιλαίου εντάχθηκε σε μια γενικότερη θεωρία που διατύπωσε ο Newton για τις κινήσεις των σωμάτων.