Il metodo scientifico

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La nascita della scienza fisica, come viene intesa attualmente, viene collocata nel '600. Prima di allora molti studiosi si erano cimentati con lo studio della natura e delle sue forme, e in alcuni campi furono raggiunti anche buoni livelli di conoscenza (per esempio, assiri, sumeri ed egizi dal II millennio a.C. studiavano i pianeti e le costellazioni e avevano elaborato dei calendari lunari e solari).

Lo studio della scienza, tuttavia, era sempre stato proprio dell'indagine filosofica, che studiava i fenomeni naturali attraverso ragionamenti logici, ma senza ricorrere a verifiche sperimentali.

Già nel V sec. a.C. il filosofo greco Democrito (circa 460-370 a.C.) ipotizzò che la materia fosse costituita da particelle indivisibili, che chiamò atomi.

Poco più tardi Aristotele (384-322 a.C.) concepì la fisica come un complesso di scienze (includenti astronomia, medicina, botanica e zoologia) che si occupava dello studio dei fenomeni naturali.

L'indagine filosofica della natura si proponeva solo di trovare i perché dei fenomeni, ma non di stabilire come tali fenomeni si verificassero. Le teorie aristoteliche in campo scientifico furono fatte proprie dalla Chiesa cattolica e divennero un dogma.

Nel '600 lo scienziato pisano Galileo Galilei (1564-1642), che pose le basi della meccanica classica, ne mise in dubbio alcuni principi fondamentali (sostenne, per esempio, la teoria secondo cui la Terra ruota intorno al Sole e non viceversa e per questo fu perseguitato e condannato dalla Chiesa).

Galileo è noto soprattutto perché delineò un nuovo modo di procedere nell'indagine scientifica, noto ora come metodo sperimentale. Galileo non scrisse mai un trattato sul metodo, e non chiarì mai quali fossero esattamente i legami tra quelle che lui chiamava le "sensate esperienze" (gli esperimenti) e le "matematiche dimostrazioni" (le leggi che regolano i fenomeni, scritte in forma matematica), ma le procedure che egli seguì nell'indagine della natura sono state ricavate indirettamente dai suoi scritti e costituiscono a tutt'oggi la base di ogni seria metodologia scientifica.

Le fasi attraverso cui si articola il metodo sperimentale (o metodo scientifico), che segna il passaggio tra la scienza moderna e la scienza dell'antichità classica, possono essere essenzialmente ricondotte alle tre seguenti:

1. osservazione dei fenomeni;

2. formulazione della teoria;

3. verifica sperimentale.

L'osservazione è il primo livello di conoscenza dei fenomeni. La raccolta dei dati osservati deve avvenire utilizzando grandezze misurabili, poiché solo attraverso la misura è possibile far corrispondere a ogni fenomeno un numero. L'osservazione deve prendere in considerazione grandezze rigorosamente misurabili, isolando il fenomeno da influenze esterne che potrebbero modificare le misure.
 
La seconda fase riguarda la formulazione della teoria, che lega le grandezze osservate attraverso relazioni matematiche (leggi). La teoria non deriva direttamente dalle osservazioni, ma viene elaborata per spiegarle e deve essere in seguito verificata attraverso l'esperimento. Una teoria scientifica è costituita da un insieme di ipotesi in grado di interpretare un gran numero di dati sperimentali. La teoria ha il compito di elaborare in forma sistematica i principi generali dai quali dedurre le leggi che governano la materia, scritte in forma matematica. Una teoria non può essere interamente spiegata attraverso un esperimento, ma lo deve essere almeno in parte, o meglio lo devono essere le sue conseguenze. Una teoria, inoltre, deve essere in grado di prevedere i risultati di esperimenti ancora da eseguire.
Il procedimento logico che porta dall'ipotesi alle conclusioni viene detto metodo deduttivo.

La verifica sperimentale rappresenta la terza e ultima fase del metodo. In questa fase, attraverso l'uso di esperienze controllate in laboratorio, lo scienziato deve verificare le ipotesi di cui è composta la teoria. Se l'esperimento, ripetuto più volte, conferma la validità dell'ipotesi, questa è considerata vera.
Una possibilità tuttavia riguarda il fatto che l'ipotesi sia errata, e quindi da abbandonare. Questo punto è molto importante nella scienza moderna, poiché stabilisce che nessuna teoria rappresenta una verità assoluta, ma ciascuna deve venire verificata e, se risulta sbagliata, deve essere sostituita con una nuova teoria, che si adatti meglio della vecchia ai risultati sperimentali o che spieghi un numero maggiore di casi.

Poiché spesso i fenomeni fisici sono estremamente complessi, e la loro riproduzione in laboratorio sarebbe impossibile in condizioni controllate, si ricorre spesso all'uso dei modelli.

Un modello è una semplificazione della realtà fisica, il cui scopo è fornire un'analogia, o un'immagine del fenomeno da osservare, che ne riproduca il comportamento e che sia riproducibile in laboratorio.