Wiki CCH

El método experimental

Si buscamos en un diccionario la definición de ciencia, lo más probable es que encontremos que es el conocimiento exacto de las cosas por sus principios y causas, o la organización sistemática del conocimiento del universo basada en principios explicativos susceptibles de ser rechazados empíricamente. Pero, para obtener ese conocimiento, se necesita seguir un proceso de investigación que permite descubrir y entender como funciona la naturaleza.

Lo más probable es que nunca lleguemos a conocer todo acerca del universo, pero podemos continuar ampliando nuestro conocimiento por medio de observaciones, haciéndonos preguntas y buscando las respuestas a esas preguntas. Pero, ¿cómo es que los científicos obtienen es conocimiento?

Los investigadores pueden trabajar de diferentes formas o partir de diferentes caminos. Usualmente a la serie de pasos que se siguen, se les conoce como método experimental, que no es un método único. Los descubrimientos ocurren en diferentes formas, y los métodos para obtenerlos suelen ser diversos.

El método experimental no es una formula mágica, ni es utilizado sólo por los científicos, más bien es un enfoque racional para comprender la naturaleza. Frecuentemente se describe al método experimental en forma idealizada, como una serie de pasos a seguir, pero en la realidad no necesariamente se siguen de esa manera. En la práctica no es necesario que el científico pase por cada uno de los pasos como si fuera una receta de cocina. Sin embargo la mayoría de los investigadores recomiendan que se incluyan los siguiente pasos:

1. Realizar cuidadosas observaciones.

2. Formular una o más explicaciones (hipótesis) para las observaciones.

3. Diseño y realización de experimentos para determinar si una hipótesis se acepta o se rechaza.

4. Análisis de resultados y obtención de conclusiones.

5. Aceptación, refutación o modificación de la hipótesis para que sea consistente con los resultados de la experimentación.

6. Compartir los resultados con otros investigadores.

Aunque muchos descubrimientos se realizan siguiendo estos pasos, muchos otro no los siguen, porque hay muchas maneras de abordar el estudio de la naturaleza. Por lo tanto, hacer una lista de estos pasos y llamarle método experimental puede ser engañoso. El método experimental puede dar la impresión de una receta de cocina que minimiza la importancia de la creatividad, que es muy importante en el avance del conocimiento científico. Una serie de reglas sugiere que la ciencia es muy formal y hasta ritual, y que sólo es del dominio de aquellos que siguen el camino preescrito. Sin embargo, aunque un gran número de investigadores no siguen estos pasos, el método científico conforma las reglas de cimentación para formular las explicaciones (hipótesis) acerca de cómo funciona la naturaleza.

Los científicos piensan que todos los fenómenos naturales del universo tienen una explicación racional y verificable. Tales explicaciones son llamadas, hipótesis, teorías o leyes, dependiendo de cuantas veces la explicación soportó el escrutinio de la experimentación sin ser refutada.

Para entender mejor en que consisten los pasos del método experimental, a continuación veremos algunos ejemplos.

1. Realización de observaciones cuidadosas

Cuando trataba de encontrar una cura para la influenza, el doctor Alexander Fleming “accidentalmente” descubrió una sustancia que revolucionaría la medicina.

En 1928 Fleming preparó algunas cajas de Petri que contenían cultivos de bacterias como parte de su investigación sobre la influenza. Después de varios días el notó que algunas de las cajas habían sido contaminadas por un moho verde, cuando iba a desechar las cajas de su arruinado experimento, observo que las colonias de moho (hongos microscópicos) estaban rodeadas por un espacio en el cual no crecían las colonias de bacterias que en otras partes de las cajas crecían abundantemente. En esa área alrededor de los hongos no lograban desarrollarse y morían. ¿por qué las bacterias no crecían cerca de la colonia de hongos? Fleming realizó una serie de experimentos para demostrar que el hongo producía una sustancia que mataba a las bacterias. Procedió a realizar un cultivo puro del moho en caldo ordinario y encontró que el filtrado tenía una gran fuerza inhibidora del crecimiento bacteriano. Fleming llamó a esta sustancia penicilina por el nombre científico del moho que contaminó sus cultivos Penicillium notatum. Este fue el primer antibiótico descubierto y, posteriormente fue usado en el tratamiento de las infecciones bacterianas. Por este descubrimiento Fleming compartió en premio Nobel de medicina en 1945.

Para algunas personas, este descubrimiento fue cuestión de suerte. Si, la contaminación de los cultivos fue accidental, pero el realizar la observación, formular una hipótesis y hace la experimentación no fue un accidente. Como decía Isaac Asimov: esta clase de “suerte” sólo se da en los mejores cerebros; sólo en aquellos cuya intuición es la recompensa de una larga experiencia, una comprensión profunda y un pensamiento disciplinado. Lo fundamental en el descubrimiento de la penicilina fue la observación, pero ¿qué entendemos por observación?

La observación es la capacidad de detectar una pregunta o problema que hasta ese momento no tiene explicación y formular una posible respuesta o solución al problema. En algunas ocasiones la observación o el problema pueden ser planteados por otra persona o por los resultados de otros experimentos o experimentadores.

2. Formulación de hipótesis.

Una hipótesis es una explicación que puede surgir de una observación o de un fenómeno en particular, expresada de tal manera, que pueda ser sometida a verificación por medio de la experimentación (decir que algo es debido a una fuerza sobrenatural o divina, no es posible comprobarlo mediante la experimentación).

Los resultados de la experimentación le dirán al investigador, si la hipótesis puede ser aceptada como fue planteada, si debe ser rechazada porque no la apoyan los resultados, o si puede ser modificada para ser consistente con los nuevos hallazgos. Las repetidas comprobaciones de una hipótesis es uno de los medio por los cuales la ciencia corrige sus errores y se desarrolla. Esto quiere decir, que la ciencia progresa gracias a sus aciertos y a sus errores.

Por ejemplo, hace casi 60 años la explicación que se daba para entender el deslizamiento de patines y esquíes sobe el hielo y la nieva, decía que la presión de los patines o esquís bajaba el punto de congelación del agua, causando que el hielo o la nieve se fundieran inmediatamente debajo de ellos. Esa película de agua que se formaba bajo los esquíes, se aseguraba que permitía a los patinadores y esquiadores deslizarse sobre superficies congeladas. Pero nuevos experimentos demostraron que aún los más pesados esquiadores pueden sólo producir suficiente presión para bajar el punto de fusión del hielo en un décimo de grado. Esta no es suficiente presión para fundir el hielo o la nieve y, a una temperatura muy baja ni un elefante podría producir suficiente presión para fundir el hielo o la nieve.

En la década de los cuarentas del siglo pasado, físicos de la Universidad de Cambridge descubrieron que la fricción de los patines y esquís a temperaturas de hasta 60 grados centígrados bajo cero, es el equivalente a la que se produciría al esquiar sobre arena, es decir, la fricción genera un gran calor. Los resultados de estos experimentos dieron una nueva explicación del por qué se funde la nieve bajo los patines y esquís; La fricción es la que produce el calor suficiente para fundir la nieve.

De hipótesis a teoría. Cuando una hipótesis ha sido repetidamente verificada por observación y experimentación, se convierte en teoría. Las teorías científicas tienen que ser respaldadas por repetidas experimentaciones de otros investigadores y utilizando diferentes métodos, por lo que una teoría no es una mera especulación o hipótesis como se suele usar el término popularmente. Una teoría no es el producto de una sola hipótesis, una teoría usualmente puede incorporar varias hipótesis verificadas, Por ejemplo; La teoría atómica combina un cierto número de hipótesis producto de investigaciones en química y física, y como cualquier otra teoría científica, la teoría atómica ha sido verificada a través del tiempo. Para que una teoría continúe siendo aceptada como correcta, debe consistentemente predecir el resultado de nuevos experimentos o de fenómenos relacionados a ella. Una de las más importantes teorías en biología, es la teoría de la evolución (La explicación de cómo las especies cambian a través del tiempo). La teoría evolutiva explica a través del estudio de los fósiles, los cambios experimentados en las características de los organismos a través del tiempo, las similitudes en la anatomía de organismos relacionados y la de sus embriones (en etapas tempranas no se puede distinguir una especie de otra) etc. La teoría de la evolución ha recibido contribuciones de la genética, ecología, taxonomía, zoología, botánica y de otras ramas de la biología, así como de la química, física, geografía etc. Todas estas contribuciones terminaron por establecer la teoría sintética de la evolución, porque integran las contribuciones de muchos campos del conocimiento científico en la explicación sobre como han evolucionado las especies. Como hasta ahora no se han descubierto evidencias científicas que contradigan la teoría de la evolución ésta es aceptada, no nada más como una teoría, sino como un hecho.

En ciencia aún la más probada teoría debe aguantar el desafío de experimentos adicionales. Como las hipótesis, las teorías pueden continuar siendo aceptadas o pueden ser modificadas o descartadas si los resultados de nuevas experimentaciones muestran su contradicción. En ocasiones la invención de una herramienta o la aparición de una nueva tecnología revelan información que conduce a la formulación de nuevas hipótesis o teorías. La invención del microscopio alrededor del año 1600 revolucionó el pensamiento biológico al permitir descubrir que todos los seres vivos están formados de células, y así, el microscopio fue el responsable inicial de la formulación de la teoría celular.

La mayoría de las hipótesis son producto del razonamiento inductivo. La teoría evolutiva ejemplifica este tipo de razonamiento porque es una explicación comprensible producto de muchas observaciones e hipótesis, de cómo las especies cambian a través del tiempo.

Una vez formulada una hipótesis o teoría, es probada por razonamiento deductivo, usando una generalización para deducir o predecir un fenómeno. Si una teoría no puede hacer predicciones con éxito, debe ser modificada o rechazada.

Cuando Galileo puso a prueba la teoría aristotélica, de que la velocidad de un objeto al caer es directamente proporcional a su peso (esto quería decir que si dos objetos de diferente peso caen al mismo tiempo, el más pesado de los dos llegará primero al suelo), probo que era incorrecta aunque la teoría aristotélica parecía evidentemente cierta y se aceptaba como un hecho innegable (Aristóteles nunca la comprobó experimentalmente). Galileo aseguró que la velocidad de caída de dos objetos es la misma, ya que la velocidad no depende de sus masas. Este hecho es fácilmente comprobable experimentalmente. Si se dejan caer al mismo tiempo dos objeto desde un lugar elevado, como por ejemplo; Dos balas de cañon de diferente peso, las dos tocaran el suelo al mismo tiempo.

Aunque no existen evidencias de que Galileo realizara este experimento. En 1975 de descubrió el manuscrito de Galileo (guardaba todo) folio 107v con una serie de números que representan las distancias recorridas por un cuerpo en movimiento uniformemente acelerado a partir del reposo. Del estudio del manuscrito se deducen los experimentos realizados en un plano inclinado, consistente en un tablón de madera de uno 7 metros con una canal, en donde dejaba correr una bola sólida de bronce, bien redondeada y pulida, midiendo los tiempos de su recorrido sobre dicho plano inclinado, repitiendo el mismo procedimiento muchas veces. De esta manera Galileo pudo observar el movimiento de manera más lenta y medible que si hubiera utilizado la caída libre, pues hay que tomar en cuenta que la caída libre de un cuerpo es muy rápida y, por lo tanto, muy difícil de medir

<Plano inclinado. Galileo utilizó un tablón de seis metros de largo formado un ángulo

Con este ejemplo se puede apreciar la importancia de la experimentación en ciencia, ya que en este caso el experimento rechazó una idea por mucho tiempo aceptada por todos.

Diferencias entre teoría y ley. Las teorías son conjunto de reglas que describen el comportamiento de un sistema concreto, mientras que una ley es una regla que se encuentra presente en todas las teorías conocidas y que por lo tanto se considera de aplicación universal.

Un ejemplo para aclararlo. La física moderna es un compendio de muchas teorías, según el tipo de sistema a estudiar. Por ejemplo, tenemos la mecánica cuántica para lo más pequeño, la relatividad especial para los objetos a grandes velocidades y la relatividad general para los sistemas muy masivos. En todas ellas se cumple la conservación de la energía. Por lo tanto, a la conservación de la energía se le llama “ley”, y se la considera una propiedad fundamental del mundo en que vivimos, mientras que la mecánica cuántica, la relatividad especial y la relatividad general tienen la categoría de “teoría”, estando limitadas a sistemas concretos. 3. Diseño y realización de experimentos para determinar si una hipótesis es correcta. Las hipótesis, teorías y leyes son sujetas a continuas pruebas experimentales para verificar o reafirmar su validez, no porque constantemente se les quiera someter a comprobación, sino por el resultado de los nuevos experimentos que se dan día a día en los diversos campos del conocimiento científico, que tienen que ser confrontados con las teorías establecidas y que en ocasiones las contradicen. La confrontación es el resultado de la experimentación, y por lo tanto, esta es la base de la creación del conocimiento científico. Par facilitar la comprensión de este proceso, podemos dividir la experimentación en cuatro elementos básicos.

A) Diseño experimental B) Realización del experimento C) Análisis de resultados y obtención de conclusiones D) Informe de resultados

A) Diseño experimental. Los experimentos se diseñan para probar la validez de una hipótesis. Cada experimento requiere de una cuidadosa planeación para eliminar los sesgos y evitar falsas conclusiones. Para hacerlo así, todos los factores que puedan afectar los resultados de un experimento deben mantenerse constantes, con excepción de uno sólo, que es el que se someterá a prueba (variable independiente) que será el lote experimental. Un experimento así realizado, revela la relación de causa-efecto entre un cambio intencional (variar un factor) y los resultados de esta variación. Lo que quiere decir que el experimento es diseñado para saber con certeza que el resultado es causado por la condición experimental y no por una coincidencia, por otra causa o por azar.

Para probar la causa-efecto, se requiere de un control, con el cual comparar los resultados, o sea que el control es un lote que será idéntico al experimental, excepto por el factor que se esta sometiendo a prueba, Si los resultados del lote experimental y control son semejantes, esto indica que la condición experimental no tiene ningún efecto sobre los resultados. En cambio si estamos seguros que entre los dos lotes sólo existe una variable (la experimental) y se obtienen resultados significativamente diferentes, entonces si podemos asegurar una causa-efecto entre la variable experimental y los resultados.

Por ejemplo; para probar la hipótesis de que la tintura rojo # 2 (en otro tiempo usada como colorante en alimentos) causa cáncer, se realizó un experimento utilizando ratas, ya que son biológicamente similares a los humanos. Se trabajó con cien ratas, con las cuales se formaron dos grupos de cincuenta cada uno, un grupo experimental y uno testigo o control. El grupo experimental recibió alimento con tintura rojo # 2, mientras que el grupo control recibió el mismo tipo de alimento, pero sin la tintura rojo # 2. Todas las demás variables posibles fueron controladas para que las condiciones en ambos grupos fueran las mismas, tales, como; edad de las ratas, sexo, temperatura ambiental, etc. El resultado fue, que en el lote experimental hubo una incidencia alta de cáncer, mientras que el en grupo control la incidencia fue baja, La conclusión fue que la tintura rojo # 2 aumenta la incidencia de cáncer.

A diferencia del experimento anterior, en el que se usaron ratas, los experimentos realizados con personas deben incluir el método de prueba de “ciego” y “doble ciego” para evitar la influencia del factor psicológico en los resultados. En una prueba de “ciego” para probar los efectos de un tranquilizante, a los individuos del grupo experimental se les da pastillas que contengan el tranquilizante mientras que el grupo control recibe un placebo (pastillas sin el tranquilizante), pero a ninguna de las personas se les dice si están tomando o no el tranquilizante, para evitar el efecto psicológico. Cuando las personas que suministran el tranquilizante (enfermeros por ejemplo) desconocen qué personas reciben el tranquilizante y quiénes el placebo, la prueba se llama de doble ciego porque ni los individuos sujetos a experimentación ni quines les suministran las pastillas saben quienes toman el tranquilizante y quienes no. Esto evita que los ayudantes (quienes suministran las pastillas) influyan de alguna manera en los resultados, y al mismo tiempo se reduce la posibilidad de sesgo que se puede introducir cuando los experimentadores tratan de anticipar los resultados.

Otros dos elementos importantes en el diseño de un experimento son el tamaño de la población y la manera en que los individuos son seleccionados para formar los lotes control y experimental. Por ejemplo; no se aceptaría que la tintura rojo # 2 pueda causar cáncer si sólo probara con unas cuantas ratas. En general, el tamaño de la población y la selección al azar de los individuos, evitan sesgos que pueden invalidad los resultados de un experimento.

B) Realización del experimento. No existe una receta para hacer la experimentación, ya que la mayoría de los experimentos difieren en el diseño, equipo utilizado y factores ambientales. Pero hay una regla que debe aplicarse cuando se realiza una prueba experimental, que es tomar nota de cada paso realizado. De esta manera cualquier factor que influya en los resultados es documentado y puede ser revisado durante el análisis de resultados. En algunas ocasiones, la importancia de un factor puede no ser obvio para el investigador original, pero puede ser claro para investigadores posteriores. De esta forma se escribió la “terrible historia de amor de la mantis religiosa” En la primera versión, las conclusiones se obtuvieron de numerosas investigaciones con mantis en cautiverio. Todos estos estudios fueron realizados de la misma forma y finalizaron con resultados similares. La “historia de amor” original era así: durante el apareamiento, el pequeño macho se aproxima y se coloca sobre la hembra. Cuando la cópula se está realizando, la hembra se voltea y con sus fuertes patas anteriores decapita al macho y posteriormente se lo come. El macho decapitado continúa el apareamiento y los huevos quedan fecundados. Los científicos intentaron dar una explicación y especularon que quizá la eyaculación era inhibida por el cerebro del macho. Si esto era posible, la fecundación no se realizaría, a menos que el cerebro fuera removido de su lugar y el macho respondiera a un reflejo similar al de los pollos decapitados que pueden correr inmediatamente después de cortales la cabeza (sólo corren por un momento) y continuaran la cópula hasta la eyaculación. Analizando esta conducta objetivamente, se pueden observar dos ventajas; la hembra no sólo recibe el esperma, sino que recibe alimento cuando se come a su pareja.

Posteriores investigaciones realizadas en la Universidad de California en Santa Cruz revelaron que el macho no es decapitado y comido. En las filmaciones realizadas, las hembras no decapitan a los machos ni antes ni después del apareamiento. Los videos mostraron que el macho y la hembra realizan un cortejo antes de aparearse. Aunque la hembra comienza el cortejo con una postura amenazante, termina con una postura de cópula. Una vez que la hembra acepta al macho, el macho monta a la hembra comenzando la cópula y, con la cabeza en su lugar la termina. ¿por qué todos los machos eran decapitados en los estudios anteriores? Los biólogos de Santa Cruz explicaron que en los estudios previos las mantis fueron observadas bajo luz muy brillante, que quizá distrajo a la mantis hembra y evitaba o terminaba prematuramente el cortejo. Los videos tomados en Santa Cruz fueron en la penumbra, lo que sugiere que la hipótesis de que la cabeza del macho debería ser cortada antes de terminar la cópula es falsa. Pero ¿por qué en los estudios anteriores las hembras decapitaban y se comían a los machos? Los investigadores piensan que la conducta de la hembra al no ser completado el cortejo, se debió a que al no estar receptivas al macho, continuaron con su conducta de busca de alimento y, siendo el macho más pequeño que ellas, lo veían como una presa potencial, en lugar de un macho que busca pareja. Además, en las investigaciones anteriores, las mantis no recibían suficiente alimento.

Conclusión: el exceso de luz inhibía el cortejo y las hembras hambrientas se comían a los machos. Si no se hubieran conocido las condiciones experimentales anteriores, no se hubiera podido explicar la conducta de las mantis en esos experimentos y, por otro lado, una hipótesis debe ser consistente de un experimento a otro y también de un investigador a otro.

C) Análisis de resultados y obtención de conclusiones. Todas las variables que pueden afectar los resultados de un experimento deben ser tomadas en cuenta para analizar los resultados. La estadística ayuda a eliminar sesgos, identificar variables y revelar relaciones que pueden no ser obvias para un solo observador. Algunas técnicas estadísticas ayudan a determinar si los resultados obtenidos fueron causados por la variable que se esta probando, o simplemente fueron debidos al azar. En los experimentos de laboratorio, es posible hacer un control de cada una de las variables, pero en estudios ecológicos, existe un número grande de variables (temperatura, viento, exposición a la luz, la influencia de otros organismos, etc.) que no pueden ser controlados y que pueden afectar los resultados. En estos casos el investigador confía en los procedimientos estadísticos que ayudan a identificar las variables que afectan los resultados.

Los resultados experimentales son de poco valor si no se pueden obtener conclusiones con base en la interpretación de los datos. Los resultados son más fáciles de interpretar y los patrones y tendencias son más obvios si los resultados son ordenados en tablas o gráficas. Una vez que todas las variables han sido consideradas, todos los resultados sintetizados, tabulados y el estudio estadístico interpretado ¿qué conclusiones se pueden obtener, si los resultados apoyan la hipótesis? ¿debe ser la hipótesis rechazada? o ¿puede ser modificada para que concuerde con los resultados? o, ¿qué tendencias sugieren?, ¿qué nuevos puntos de vista se generan? Inevitablemente los resultados y conclusiones llevan a un nuevo paso en la investigación, pueden llevar a la formulación de nuevas hipótesis o pueden abrir nuevos campos de investigación.

D) Informe de resultados. A menos que los resultados y conclusiones obtenidos de un experimento sean compartidos con otros científicos, el valor potencial de un experimento queda oculto. Compartir un descubrimiento también ayuda a acelerar el proceso de obtención de nuevos conocimientos, ya que los nuevos descubrimientos pueden aportar datos importantes para solucionar algún otro problema o, abrir la posibilidad de explorar un nuevo campo. Cuando Watson y Crick reportaron el modelo de la estructura del DNA, se desencadeno una revolución en la investigación en bioquímica y genética. Con este nuevo descubrimiento, los científicos realizaron nuevas investigaciones que permitieron conocer el papel que juegan los genes en la herencia y, a partir de esto último se generaron nuevas investigaciones y aplicaciones, como es el caso de la ingeniería genética. Compartir los resultados de una investigación tiene también otro efecto: en ocasiones genera controversia entre científicos. La controversia lejos de ser mala, ayuda a clarificar y comparar resultados e ideas.