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Il metodo di Galilei è un metodo sperimentale-matematico, due aspetti indissolubili, ricostruito dalla sua applicazione.
Nella lettera a Cristina Di Lorena scrive che la scienza deve basarsi su due elementi: le sensate esperienze (esperienza dei sensi), ovvero le sensazioni trasmesse dai nostri organi sensoriali che si avvalgono del momento induttivo (dal particolare al generale); e le necessarie dimostrazioni, ovvero quelle matematiche che si avvalgono del momento deduttivo (dal generale al particolare). Questi due elementi coesistono nel metodo:
- osservazione sistematica dei fenomeni: studiare e analizzare costantemente un fenomeno;
- matematizzazione dell'esperienza: tradurre un fenomeno fisico in termini matematici;
- formulazione di un'ipotesi: non è la legge;
- deduzione del comportamento probabile dei fatti naturali: l'ipotesi è caratterizzata dalla probabilità;
- verifica/esperimento: 'rendere vero', cioè riprodurre artificialmente un fenomeno naturale;

- formulazione della legge: se l'ipotesi è confermata dall'esperimento, la legge è universale e necessaria;
- previsione: conseguenza della legge, prevedere, modificare attraverso la tecnica e intervenire a proprio vantaggio.

Inoltre, i concetti di esperienza ed esperimento assumono un significato diverso. Per i filosofi antichi era l'esperienza sensibile; per Galilei, invece, l'esperienza non ha valore scientifico se non viene convalidata dall'esperimento, in quanto i sensi sono ingannevoli e fanno vedere la realtà diversa da com'è [Precursore: Eraclito]; ma quando non è possibile creare artificialmente le condizioni per la verifica, con un'esperimento concreto, si ricorre agli esperimenti mentali (Es. caduta dei gravi).

Galilei rifiuta l'idea che la natura sia finalizzata e antropocentrica, cioè finalizzata alle esigenze dell'uomo; per lui è un ordine oggettivo, regolata da leggi universali e necessarie, in cui tutto è il risultato di cause determinate. Infine, privilegia gli aspetti quantitativi della realtà e riprende le proprietà oggettive, quelle che caratterizzano l'oggetto (figura, grandezza..) e le proprietà soggettive, quelle prodotte dall'oggetto in relazioni ai nostri sensi (odori, sapori..) [Democrito].

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