Poate ne întrebăm uneori de ce durează atât de mult până se fac anumite descoperiri sau cum se face că oameni învăţaţi din trecut nu înţelegeau fenomene aşa de simple cum este mişcarea planetelor sau gravitaţia. Ne întrebăm cum de nu şi-au dat seama mai devreme savanţii de demult de aceste fenomene pentru ca omenirea să evolueze mai rapid. În acest fel poate noi în prezent am fi reuşit să călătorim departe în spaţiu şi am fi putut lua legătura cu alte civilizaţii. Aceasta este părerea generală şi anume că descoperirile făcute mai devreme ar fi dus la o dezvoltare mai rapidă a omenirii. Este un scenariu probabil, dar în prezent imposibil.  Aşa că tot ce ne rămâne de făcut este să încercăm noi să facem mai bine pentru viitor.

 Dar pentru a înţelege totuşi de ce oamenii de ştiinţă au formulat atât de târziu legile şi principiile ştiinţifice avem nevoie de o lecţie de istorie.

                 

 

 

Pornind de la primele documente arheologice care ni s-au transmis putem vedea că omul a fost interesat întotdeauna să cunoască lumea în care trăieşte şi metodele prin care el şi ceilalţi semeni ai săi pot trăi mai bine. A vrut să deţină secretul focului şi a reuşit să înţeleagă, a vrut să meargă pe apă şi a scobit prima canoe. La început, necesităţile omului erau de natură practică, dar pe măsură ce gândirea lui a evoluat, dorinţele senzoriale au fost completate de cele intelectuale. În acest fel au apărut legile şi operele de artă. Întotdeauna când nu a avut ceva, omul şi-a dorit acel lucru cu ardoare şi nu a renunţat la speranţa că va reuşi. Dar în plus trebuie să înţelegem că nici una din aceste cuceriri ale omului nu a fost făcută într-o clipă. Există o lege a naturii care spune că de la "nimic" la "ceva" este un drum infinit mai lung decât de la "ceva" la "infinit". În felul acesta trebuie să înţelegem că un om de ştiinţă, oricât de genial ar fi, nu poate cerceta mai departe de orizontul epocii în care trăieşte.

                  Pe lângă toate acestea, trebuie să vedem ce condiţii trebuie îndeplinite pentru a putea numi o lucrare "operă ştiinţifică" sau "teorie ştiinţifică". Vom vorbi aici de "Metoda Ştiinţifică"; deşi de-a lungul timpului această metodă a evoluat şi este în continuă schimbare şi astăzi, există un set de criterii care trebuie îndeplinite de către o nouă teorie pentru a fi acceptată.

1.      În primul rând teoria trebuie să fie în acord cu experimentul. Nu este suficient ca o teorie să fie valabilă numai în unele experimente sau numai în anumite condiţii. O teorie viabilă trebuie să facă preziceri privind comportamentul obiectului studiat în cadrul unui alt experiment sau în alte condiţii. În cazul în care un experiment făcut corect contrazice teoria, atunci este treaba teoreticianului de a îmbunătăţi sau schimba teoria, pentru că un experiment nu poate fi contrazis. De aceea spunem că ştiinţa este un ciclu continuu de teorie şi experiment.

2.      O teorie trebuie să explice. Această funcţie se referă la posibilitatea de a  explica o serie întreagă de fenomene pe baza câtorva principii. Dacă răspunsul la întrebări de genul "de ce are loc respectivul fenomen?" este "pentru că aşa trebuie să se întâmple", atunci avem de-a face cu o teorie deficitară. Strângerea de date fără capacitatea de a lega între ele rezultatele nu este întotdeauna ştiinţă. [1]

3.      Experimentele trebuie să fie repetabile. Un experiment trebuie tratat ca susceptibil dacă este valabil numai în cazul unei singure persoane sau numai într-o anumită parte a globului. O altă persoană competentă şi care are la dispoziţie materialele necesare trebuie să obţină aceleaşi rezultate în urma aceluiaşi experiment oriunde s-ar afla pe glob. Acest lucru implică faptul că ştiinţa transcede graniţele de tip etnic sau ideologic. De asemenea un experiment nu poate fi reprodus dacă este făcut în secret.  Astfel ştiinţa trebuie să fie un domeniu public. Trebuie precizat, în plus, că astfel de criterii au apărut abia în perioada renascentistă. Până atunci toată activitatea ştiinţifică era dominată de "descoperirile" savantului din antichitatea greacă, Aristotel, şi de geometria euclidiană şi pitagoreică, iar până în Evul Mediu, influenţa Bisericii făcuse ca orice teorie ştiinţifică în dezacord cu ideologia religioasă să fie considerată erezie şi, deci, excomunicată. Alte motive pentru care cercetările au fost îngreunate ar fi numărul mare de invazii barbare şi războaie, numărul mic de oameni cu educaţie care nu aparţineau cercurilor clericale şi lipsa unor materiale necesare realizării de experimente.

                  În acest fel, putem trece în revistă foarte uşor aproape 1500 de ani din istoria descoperirilor ştiinţifice. Aceasta este o perioadă îndelungată care durează din timpul decăderii Greciei antice şi până în secolul al XVII-lea d.Hr şi pe parcursul căreia au avut loc puţine evenimente notabile pe scena ştiinţifică. Au fost descoperite materialele cu proprietăţi magnetice şi astfel a apărut busola în China, au fost perfecţionate instrumentele de navigaţie şi armele. Dar toate aceste descoperiri nu au fost folosite decât în scopuri distructive. Aşa s-a întâmplat în timpul perioadei migraţiilor în Europa sau cazul descoperirii şi cuceririi Americii. Deşi au existat oameni cu preocupări ştiinţifice, ideile lor nu au fost puse în practică şi au rămas simple schiţe pe o foaie de hârtie. [2] Tot pe hârtie au rămas şi primele încercări de a sistematiza teoria aruncărilor. Şi această necesitate a fost dictată de raţiuni practice: apariţia tunurilor în arsenalul armatelor europene. Cercetările erau abandonate la sfârşitul luptelor pentru că nimeni nu le considera utile în viaţa de zi cu zi.

                  Dar o dată ajunşi în vremea Renaşterii, oamenii au început să fie preocupaţi mai mult de nevoile intelectuale de care vorbeam mai sus. Aceasta este o perioadă a creaţiei artistice, dar şi a celei ştiinţifice. Persoane educate au început să se debaraseze de rigorile Bisericii şi, mai întâi în secret, iar apoi public, au început anumite cercetări în domenii tot mai variate.

                  La începutul acestei perioade, graniţa dintre fizică şi filosofie erau greu de trasat. De fapt exista un singur domeniu, metafizica, în cadrul căruia savanţii adunaseră teorii variate şi încercaseră să explice viaţa în ansamblu. Rezultatul a fost că aceşti gânditori s-au depărtat de realitatea imediată, căutând adevăruri absolute departe de natura umană. În acest context era nevoie de un reviriment al sistemului ştiinţific. Apariţia persoanelor care se dedicau studiului a constituit începutul unei noi ere a cunoaşterii. De la filosofia aproape sterilă s-a trecut la cunoaşterea bazată pe observaţii clare ale mediului înconjurător. Nu toţi oamenii învăţaţi au fost, însă, de acord cu această trecere, mulţi rămânând tributari ideilor filosofice şi au apărut astfel şi dispute pe temele comune ale celor două domenii.

                  Să luăm ca exemplu pe Isaac Newton(1643-1727). Nu am făcut întâmplător alegerea aceasta. Newton este exemplul cel mai bun de om adus de soartă între oameni pentru a deschide noi căi de gândire. A abordat multe domenii pe care le-a studiat în amănunt şi a făcut descoperiri importante în fiecare din acestea. Avea o inteligenţă creatoare remarcabilă fapt care l-a ajutat să intuiască anumite fenomene. Se spune despre el că dacă ar fi avut posibilitatea să zboare în afara atmosferei ar fi descoperit găurile negre. El avea, însă, numai pomi fructiferi [3] şi un sistem matematic incomplet de care trebuia să se folosească în munca sa. Lipsa modurilor de exprimare a gândirii a fost un impediment major pentru studiile pe care le-a întreprins. Avea la dispoziţie doar cele câteva descoperiri făcute cu cel mult jumătate de secol înainte de lucrările sale. Dar Newton nu avea principii prin care să explice fenomene ale naturii şi le dorea cu ardoare.

              Şi a făcut pasul de la nimic la ceva, completând în căutările sale şi sistemul matematic de calcul al tangentelor la arce şi al ariilor de sub arce. A rearanjat aceste operaţii astfel încât să fie operaţii inverse(derivată şi integrală). A denumit această metodă "Metoda fluxuală" sau "Calcule". Deşi nu a publicat aceste rezultate în favoarea lui Leibniz, le-a folosit, totuşi, în studiul mişcărilor. Potrivit concepţiilor lui Newton, fiecare fenomen natural putea fi explicat în cele din urmă prin legi matematice, modul acesta de abordare al problemelor stiinţifice nefiind neapărat în contradicţie cu Biserica [4] . Această nouă metodă de calcul a ridicat matematica modernă deasupra geometriei greceşti. Ştim astăzi că aceste operaţii implică o multitudine de cunoştiinţe de matematică pentru a putea fi înţelese şi de asemenea anumite formule de derivare, respectiv, integrare. Newton a studiat aceste formule şi a întocmit chiar primele tabele cu astfel de operaţii.

                  În încercarea sa de a aduce un plus de ordine în cunoştiinţele acumulate de omenire până în epoca lui şi posedând o fire enciclopedică, Newton a abordat multe domenii şi a lăsat în urmă opere ştiinţifice de mare valoare şi aplicabilitate chiar şi pentru zilele noastre.

                  Primele descoperiri le-a făcut în domeniul opticii unde a studiat lumina şi formarea culorilor. Newton a intuit că lumina este eterogen formată din raze de culori diferite şi culorile apar in urma reflexiei şi refracţiei. A demostrat acest lucru trecând un fascicul de lumină albă printr-o prismă lucru care a dus la descompunerea acestuia în spectru [5] . A studiat, de asemenea, interferenţa luminii şi de aici numele de "inelele lui Newton" pentru franjele de interferenţă. Plecând de la această descoperire, Newton a elaborat teoria corpusculară potrivit căreia lumina reprezintă un flux de corpusculi foarte mici. Putem observa cât de departe a putut gândi Newton având în vedere faptul că o astfel de teorie nu este uşor de acceptat nici chiar în zilele noastre după elaborarea teoriei relativităţii a lui Einstein sau după decoperirile teoriei cuantice. Chiar dacă au rămas la nivel de presupuneri în vremea lui, urmaşii marelui fizician au folosit aceste premize pentru a-şi fundamenta propriile teorii. Dar despre asta vom vorbi ceva mai târziu. Newton a descris amănunţit toate descoperirile acestea în lucrarea "Optica" apărută în 1704.

                  Un alt merit al marelui savant în acest domeniu este construirea telescopului cu oglindă. Primul astfel de dispozitiv a fost donat Societăţii Regale. Este o invenţie nemaipomenită prin performanţele atinse. Putea mări de 40 de ori, mult mai mult decât orice fusese construit până atunci. Telescopul i-a permis lui Newton să se ocupe de o altă pasiune şi anume astronomia. Deşi fără descoperiri notabile, această îndeletnicire i-a oferit premizele unei lucrări ample despre mişcarea planetelor.

                  Astfel, inspirat de o discuţie cu Edmond Halley din 1664, Newton îşi concentrează atenţia aspra problemei mişcării orbitale. În următorii doi ani şi jumătate, a creat ştiinţa modernă a mişcării, formulându-şi cele trei legi care au dus la o dezvoltare rapidă a fizicii. Newton le-a aplicat pe acestea la legile de mişcare orbitală ale lui Kepler şi astfel a obţinut legea gravitaţiei universale. Probabil că Newton este cel mai bine cunoscut datorită descoperirii legii gravitaţiei universale, care spune că toate corpurile din spaţiu şi de pe Pământ sunt afectate de o forţă numită gravitaţie. El şi-a publicat teoria în cartea "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" din 1687. Această carte a constituit un punct crucial din istoria stiinţei  într-o vreme în care părerile despre forma Pământului erau împărţite între viziunea lui Descartes care implica o planetă turtită la Ecuator şi ţuguiată la poli şi cea de "geoid de rotaţie". Susţinător al celei de-a doua variante, Newton scria: "Până acum am numit forţă centripetă, forţele cu care corpurile cereşti sunt menţinute pe orbitele lor. Dar, constatăm că ea este aceeaşi cu gravitatea (greutatea) şi de aceea, de acum înainte o vom numi GRAVITAŢIE".

                  Premizele descoperirii acestei teorii sunt unele studii făcute separat privind forţele care ţin Luna în mişcarea sa în jurul Pământului. Newton a observat că asupra unui corp în mişcare de rotaţie acţionează o forţă invers proporţională cu pătratul distanţei dintre el şi centrul de rotaţie. Aplicând aceasta în cazul sistemului Lun㠖 Pământ, a ajuns la concluzia că Luna are două tendinţe: una de a cădea pe Pământ ca orice corp din apropierea acestuia şi alta de a se mişca rectiliniu. Rezultanta acestor tendinţe simultane este mişcarea pe orbita aproape circulară a Pământului. Ca orice teorie şi aceasta a avut nevoie de un experiment care să o confirme. Dovada a venit de la Edmond Halley care, folosind legile teoriei newtoniene, a calculat orbita şi a prezis întoarcerea cometei care îi poartă numele cu o eroare de 20 de zile. Putem observa că, deşi nu avea posibilitatea să vadă aceste lucruri cu proprii ochi, Newton a putut vorbi despre astfel de lucruri la care oamenii simpli nu aveau acces. [6]

                  În ultimii ani ai vieţii, ocupă funcţia de preşedinte al Societăţii Regale. Este interesat în această perioadă de alchimie, mistică şi teologie, dar fără o legătură evidentă cu studiile de fizică pe care le întreprinsese până atunci. În această perioadă se gândeşte foarte serios dacă nu cumva trebuie luată în considerare posibilitatea căderii Lunii pe Pământ datorită deviaţiilor găsite de observaţii. Se spune, însă, că memoria îi slăbise mult şi avea multe simptome de dezorientare psihică. Dându-şi seama de lucrul acesta, într-o zi el îşi arăta următoarea dorinţă: "De-aş putea păstra în mintea mea măcar aceste lucruri, de care să-mi aduc aminte: întâi că sunt un mare păcătos; şi al doilea, că Domnul Iisus este marele meu Mântuitor." [7]

                  Newton a întreprins o activitate de cercetare care a atins multe probleme importante ale ştiinţei. Chiar dacă ne-am obişnuit să-l privim ca pe un deschizător de drumuri, există şi pentru Newton oameni care l-au precedat şi pe descoperirile cărora şi-a fundamentat sistemul. Fie că a fost nevoit să îi contrazică, fie că le-a continuat opera, nu ar fi putut creea ceea ce a reuşit. Etapele premergătoare trebuie parcurse pentru a ajunge la un anumit nivel de cunoaştere. Din păcate, aşa cum am mai spus omul nu poate gândi mult prea departe de epoca în care trăieşte. Însuşi Newton nota: "Dacă eu am văzut mai departe decât alţii, asta este pentru că stăteam pe umerii unor giganţi''.

                  Aceşti giganţi îi putem descoperi aruncând o privire interesată spre începutul perioadei iluministe. Astfel putem vorbi despre descoperiri disparate aşa cum sunt cele ale lui Simon Stevin (1548-1620) care a cercetat, cu o genială intuiţie echilibrul pe planul înclinat şi a descoperit astfel, implicit, descompunerea forţelor în componente, adică legea paralelogramului. Astăzi numele lui nu mai este amintit decât foarte rar în favoarea celor care au aprofundat studiile de mecanică. Cu toate acestea, descoperirea lui este o premiză nemaipomenită pentru dezvoltarea care a urmat.

                  Întemeierea teoriei propriu-zise a mişcării (dinamica) i se datorează lui Galileo Galilei (1564-1642), iar dezvoltarea ei, lui Christian Huygens. Cercetările lui Galilei privind mişcarea a adus în discuţie o problemă veche abordată de Aristotel în antichitate. Filosoful grec spunea că forţa este dată de produsul dintre masă şi viteză. Căderea corpurilor pe pământ l-a inspirat pe Galilei să introducă o mărime nouă numită "acceleraţie" care este, de fapt, responsabilă pentru forţa care acţionează asupra corpurilor. De la această concluzie Newton a ajuns la introducerea inerţiei şi a legilor de mişcare. Perioada în care a fost creată mecanica a durat aşadar un secol de la 1589 (când Galileo Galilei a făcut primele experienţe asupra căderii corpurilor) până la 1687 când Newton publica "Principia".

                  În intervalul de timp dintre Galilei şi Newton există şi o altă linie importantă de fizicieni, astfel: Evanghelista Torricelli (1608-1647) a inventat barometrul cu mercur în 1644, Blaise Pascal (1623-1662) a studiat presiunea hidrostatică şi atmosferică, Otto v. Guericke (1602-1686) a construit maşina pneumatică [8] , toate aceste descoperiri având acurateţea necesară pentru a putea fi folosite şi în epoca actuală.

                  Pentru mecanica solidelor, un contemporan al lui Pascal, Robert Hooke (1635-1703), a descoperit in 1676, pe baza unor exemple simple, proporţionalitatea între "deformaţii si solicitare" [9] şi a studiat materialele cu proprietăţi elastice. Legea care îi poartă numele are o aplicabilitate largă în studiul materialelor şi în zilele noastre îmbunătăţită de lucrările lui Young.

                  Cercetarea gravitaţiei a fost strâns împletită cu apariţia mecanicii. Ideea că gravitaţia nu se limitează la vecinătatea Pământului, ci constituie o proprietate generală a materiei şi acţionează deci şi între corpurile cereşti, este iarăşi destul de veche. De exemplu, Nicolaus Copernic şi Robert Hooke pot fi consideraţi aici ca precursori. [10]

                  Legea atracţiei universale a lui Newton s-a născut în urma cercetărilor întreprinse de doi oameni luminaţi: primul este Tycho Brahe (1546-1601), astronomul regal [11] de la Curtea Danemarcei căruia îi datorăm serii de observaţii deosebit de precise asupra poziţiilor planetelor pe o perioadă mare de timp; al doilea este asistentul lui Brahe, Johannes Kepler (1571-1630) care, studiind tabelele cu observaţii ale lui maestrului său, a dedus cele trei legi care îi poartă numele. Newton a legat aceste descoperiri preliminare şi, folosindu-se de concluziile proprii, a întocmit o teorie coerentă pe această temă. De fapt, "Principia" este formată din explicarea legilor de mişcare, în primele 20-25 de pagini, după care restul lucrării (aproape 150 de pagini) cuprinde o discuţie amănunţită a legii gravitaţiei universale. Newton a inclus atât certitudinile pe care le avea la acel moment, dar şi idei pe care nu le putuse aplica. Ulterior observaţii ale altor comete sau a mişcării planetelor au confirmat ideile notate de Newton. O discuţie polemică a apărut pe marginea problemei căderii Lunii pe Pământ. Chiar dacă iniţial unele măsurători indicau o scurtare a orbitei ceea ce însemna apropierea Lunii, observaţii recente au scos la iveală depărtarea satelitului de orbita iniţială. Oricum fluctuaţiile sunt mici şi va trece mult timp până ceva realmente notabil se va petrece în configuraţia sistemului Pământ – Lună.

                  Astfel pe la 1700 au fost desăvârşite fundamentele fizicii pe care s-a construit în următorii 150 de ani , edificiul măreţ al mecanicii şi la care se raportează acum orice descoperire nouă. Pe zi ce trece, cercetătorii îşi dau seama tot mai mult de acurateţea observaţiilor din acele timpuri şi de corectitudinea cu care erau teoretizate aceste aspecte la nivelul epocii.

                  Dezvoltarea mecanicii a fost continuată de în secolul al XVIII-lea de o serie de matematicieni printre care Daniel Bernoulli (1700-1782) şi Joseph-Louis Lagrange (1736-1813) care au îmbunătăţit metodele de calcul în legile de mişcare fără să adauge, însă, descoperiri noi. Dar mai pe larg despre toate acestea într-un număr viitor.