1.4 Πώς ανακρίνουμε τη φύση Η επιστημονική μέθοδος.

Οι φυσικοί δεν περιορίζονται απλώς σε καταγραφή και ταξινόμηση των παρατηρήσεων τους για τη φύση. Θέτουν ερωτήματα και δίνουν απαντήσεις σχετικά με αυτή. Χρησιμοποιούν δηλαδή μια μέθοδο με την οποία ανακρίνουν τη φύση. Βέβαια όπως κάθε ανθρώπινη δραστηριότητα έτσι και αυτή έχει πολλές όψεις. Ωστόσο περιλαμβάνει ορισμένα βασικά βήματα που ονομάζουμε συνολικά επιστημονική μέθοδο.

Για να γνωρίσουμε τη φύση αρχικά πρέπει να παρατηρήσουμε προσεκτικά ό,τι υπάρχει γύρω μας. Αν και σήμερα αυτή η άποψη φαίνεται αυτονόητη, σε άλλες εποχές υπήρχαν στοχαστές που την απέρριπταν. Ο Πλάτων για παράδειγμα θεωρούσε ότι δεν μπορούμε να αντιληφθούμε με τις αισθήσεις μας την αληθινή φύση των πραγμάτων παρά μόνο με τη λογική και το διαλογισμό. Πιο μετριοπαθής ο Ηράκλειτος θεωρούσε αυτό το στόχο όχι ακατόρθωτο αλλά δύσκολο. Διαφορετικός όμως είναι ο επιστημονικός τρόπος σκέψης που προάγει τη γνώση και τη τεχνολογία της σύγχρονης εποχής: Η παρατήρηση αποτελεί αναπόσπαστο συστατικό της επιστημονικής μεθόδου.

Η απλή παρατήρηση δεν αρκεί για την πλήρη μελέτη των φαινομένων. Ο Γαλιλαίος προχώρησε πέρα από αυτή και εφάρμοσε για πρώτη φορά την επιστημονική μέθοδο. Ας δούμε πώς ο Γαλιλαίος εφάρμοσε αυτή τη μέθοδο στη μελέτη της πτώσης των σωμάτων:

Αρχικά θεώρησε την άποψη του Αριστοτέλη για την πτώση των σωμάτων, ως υπόθεση της οποίας η αλήθεια έπρεπε να ελεγχθεί. Πώς; Με αναπαραγωγή του φαινομένου της πτώσης κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες, δηλαδή με πείραμα.

Άφησε να πέσουν από τον κεκλιμένο πύργο της Πίζας σφαίρες διαφορετικού βάρους. Τότε, οι μαθητές του παρατήρησαν ότι οι σφαίρες έφθαναν στο έδαφος σχεδόν ταυτόχρονα. Αυτό το πειραματικό αποτέλεσμα, διέψευσε την άποψη του Αριστοτέλη για την πτώση των σωμάτων.

Τώρα, χρειαζόταν μια νέα υπόθεση. Ο Γαλιλαίος υπέθεσε ότι όλα τα σώματα όταν αφεθούν από το ίδιο ύψος πέφτουν συγχρόνως στο έδαφος. Και τότε ήρθε η έκπληξη! Ένας μαθητής του άφησε από το ίδιο ύψος μια μεταλλική σφαίρα και ένα φύλλο χαρτί. Το χαρτί έπεσε πολύ πιο αργά από τη σφαίρα. Ο Γαλιλαίος τσαλάκωσε το χαρτί και το έκανε χάρτινη σφαίρα. Η χάρτινη σφαίρα έπεφτε πολύ πιο γρήγορα από το φύλλο και σχεδόν ταυτόχρονα με τη μεταλλική. Το φύλλο και η χάρτινη σφαίρα είχαν το ίδιο βάρος αλλά διαφορετική επιφάνεια σε επαφή με τον αέρα. Ο Γαλιλαίος διατύπωσε μια πιο ολοκληρωμένη υπόθεση: όταν δεν υπάρχει αέρας, δηλαδή στο κενό, όλα τα σώματα πέφτουν συγχρόνως στο έδαφος, όταν αφεθούν από το ίδιο ύψος. Αυτήν την υπόθεση επιβεβαίωσε προσεκτικά στο εργαστήριο του.

Εικόνα 1.13. Ο πύργος της Πίζας. Το «πρώτο ερευνητικό εργαστήριο»

Τι γίνεται όμως όταν δυο σώματα πέσουν από διαφορετικό ύψος; Αν για παράδειγμα το ένα πέφτει από ύψος που είναι διπλάσιο του άλλου; Αυτό που βρίσκεται ψηλότερα πέφτει σε διπλάσιο χρόνο; Ο Γαλιλαίος βρέθηκε στην ανάγκη να εργασθεί στο εργαστήριο του. (Ίσως θελήσετε και σεις να τον μιμηθείτε). Εκεί επανέλαβε το πείραμα αρκετές φορές. Κάθε φορά μετρούσε το ύψος και τον αντίστοιχο χρόνο πτώσης μέχρι το πάτωμα του εργαστηρίου. Ο Γαλιλαίος βελτίωσε την τεχνική μέτρησης του χρόνου και το σφάλμα της μέτρησης. Δηλαδή κατάφερε να περιορίσει τη διαφορά μεταξύ της πραγματικής και της μετρούμενης τιμής. Τελικά βρήκε την αντιστοιχία μεταξύ του χρόνου και του ύψους και διατύπωσε μια μαθηματική σχέση.

Μερικές δεκαετίες αργότερα η υπόθεση του Γαλιλαίου εντάχθηκε στο πλαίσιο μιας καλά θεμελιωμένης και γενικής θεωρίας: της θεωρίας του Νεύτωνα για την κίνηση των σωμάτων γήινων και ουρανίων. Έτσι η μαθηματική σχέση απέκτησε την ισχύ φυσικού νόμου. Συγχρόνως επινοήθηκε τρόπος αφαίρεσης του αέρα και επιβεβαιώθηκε πειραματικά η σύγχρονη πτώση των σωμάτων στο κενό. Με το πέρασμα του χρόνου οι πειραματικές τεχνικές βελτιώθηκαν (εικ. 1.14). Σήμερα τα πειράματα πτώσης των σωμάτων πραγματοποιούνται και με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατό να διαφοροποιήσουμε τις συνθήκες διεξαγωγής του πειράματος αλλά και να πετύχουμε τον επιθυμητό βαθμό ακρίβειας.

Τα σημαντικότερα στοιχεία της επιστημονικής μεθόδου είναι: η παρατήρηση, η υπόθεση, και το πείραμα. Στο πείραμα αναγκαία είναι η μέτρηση μεγεθών για την επιβεβαίωση ή απόρριψη της υπόθεσης, Αυτή η διαδικασία ολοκληρώνεται με τη γενίκευση της υπόθεσης οπότε προκύπτει μία θεωρία. Στο πλαίσιο της θεωρίας εμφανίζονται νέες προβλέψεις που πρέπει να επιβεβαιωθούν με τη παρατήρηση και το πείραμα.

Κάθε θεωρία ωστόσο είναι προσωρινή. Αν σε κάποια πρόβλεψη της αποδειχθεί λανθασμένη, τότε πρέπει να την αναθεωρήσουμε. Οι επιστήμονες αποδέχονται τα αποτελέσματα των παρατηρήσεων και των πειραμάτων ακόμα και αν τα ήθελαν διαφορετικά. Δεν αποδέχονται την αυθεντία και το δογματισμό. Η επιστημονική αλήθεια δεν είναι αιώνια και αμετάβλητη. Οι θεωρίες ελέγχονται, εξελίσσονται και όταν δεν συμφωνούν με την παρατήρηση ή το πείραμα προσαρμόζονται ή απορρίπτονται.

Βέβαια οι επιστήμονες δεν ακολουθούν πάντοτε όλα τα βήματα της επιστημονικής μεθόδου και με συγκεκριμένη σειρά. Πολλές ριζοσπαστικές ιδέες προτάθηκαν και ανακαλύψεις πραγματοποιήθηκαν από ποικίλες αφετηρίες. Η έμπνευση συνεργάζεται στενά με τη διαίσθηση και τη φαντασία: πρόκειται για νοητική λειτουργία που δεν υπακούει σε κανόνες. Ωστόσο η Φυσική δεν παύει να είναι πειραματική επιστήμη. Η ανάπτυξη μιας Φυσικής θεωρίας είναι μια διαδικασία, που αρχίζει και τελειώνει με την παρατήρηση και το πείραμα.

Εικόνα 1.14.

Μικρό εργαστήριο - Σχίστε ένα φύλλο χαρτί στη μέση. - Τσαλακώστε το μισό ώστε να πάρει το σχήμα μικρής μπάλας. - Κρατήστε στο ένα χέρι το μισό φύλλο χαρτί και στο άλλο τη μπαλίτσα. - Αφήστε τα ελεύθερα συγχρόνως από το ίδιο ύψος. Τι παρατηρείτε και πως το εξηγείτε; Αν αφήνατε ένα κέρμα ή τρία κέρματα συνδεδεμένα μαζί προβλέψτε πιο θα πέσει πιο γρήγορα. Κάνετε το. Η άποψη του Αριστοτέλη ήταν σωστή;

Αν και από πάρα πολλά πειράματα μπορεί να προκύπτει ότι η θεωρία μου είναι σωστή, ένα και μόνο πείραμα μπορεί να αποδείξει ότι είναι λάθος. Α. Αϊνστάιν