La historia de la investigación experimental es larga y variada. De hecho, la propia definición de experimento ha cambiado en respuesta a las normas y prácticas cambiantes dentro de campos de estudio particulares. Este artículo documenta la historia y el desarrollo de la investigación experimental desde sus orígenes en el estudio de la gravedad de Galileo hasta el método de aplicación diversa que se utiliza en la actualidad.
El físico árabe Ibn al-Haytham (Alhazen) utilizó la experimentación para obtener los resultados de su Libro de Óptica (1021). Combinó observaciones , experimentos y argumentos racionales para apoyar su teoría de la visión por intromisión , en la que los rayos de luz se emiten desde los objetos en lugar de desde los ojos. Utilizó argumentos similares para demostrar que la antigua teoría de la visión por emisión apoyada por Ptolomeo y Euclides (en la que los ojos emiten los rayos de luz utilizados para ver), y la antigua teoría de la intromisión apoyada por Aristóteles (donde los objetos emiten partículas físicas a los ojos), eran ambas erróneas. [2]
La evidencia experimental apoyó la mayoría de las proposiciones de su Libro de Óptica y sirvió de base a sus teorías de la visión, la luz y el color, así como a su investigación en catóptrica y dióptrica. Su legado se elaboró a través de la "reforma" de su Óptica por Kamal al-Din al-Farisi (hacia 1320) en el Kitab Tanqih al-Manazir ( La revisión de la Óptica [de Ibn al-Haytham] ) de este último. [3] [4]
Alhazen consideraba sus estudios científicos como una búsqueda de la verdad : "La verdad se busca por sí misma. Y quienes se dedican a la búsqueda de algo por sí mismo no están interesados en otras cosas. Encontrar la verdad es difícil y el camino hacia ella es áspero. ... [5]
El trabajo de Alhazen incluía la conjetura de que “la luz viaja a través de cuerpos transparentes sólo en línea recta”, lo que sólo pudo corroborar después de años de esfuerzo. Afirmó: “[Esto] se observa claramente en las luces que entran en las habitaciones oscuras a través de agujeros... la luz que entra será claramente observable en el polvo que llena el aire”. [1] También demostró la conjetura colocando un palo recto o un hilo tenso junto al haz de luz. [6]
Ibn al-Haytham empleó el escepticismo científico , enfatizando el papel del empirismo y explicando el papel de la inducción en el silogismo . Llegó al punto de criticar a Aristóteles por su falta de contribución al método de inducción, que Ibn al-Haytham consideraba no solo superior al silogismo sino también el requisito básico para la verdadera investigación científica. [7]
Algo parecido a la navaja de Occam también está presente en el Libro de Óptica . Por ejemplo, después de demostrar que la luz es generada por objetos luminosos y emitida o reflejada en los ojos, afirma que, por lo tanto, "la extramisión de rayos [visuales] es superflua e inútil". [8] También puede haber sido el primer científico en adoptar una forma de positivismo en su enfoque. Escribió que "no vamos más allá de la experiencia, y no podemos contentarnos con usar conceptos puros en la investigación de los fenómenos naturales", y que la comprensión de estos no puede adquirirse sin las matemáticas. Después de asumir que la luz es una sustancia material, no discute más sobre su naturaleza, sino que limita sus investigaciones a la difusión y propagación de la luz. Las únicas propiedades de la luz que tiene en cuenta son las que se pueden tratar mediante la geometría y verificar mediante la experimentación. [9]
Las afirmaciones de Roger Bacon en el Opus Majus de que "las teorías proporcionadas por la razón deben ser verificadas por datos sensoriales, ayudadas por instrumentos y corroboradas por testigos confiables" [10] fueron (y todavía son) consideradas "una de las primeras formulaciones importantes del método científico registradas". [11]
Galileo Galilei como científico realizó experimentos cuantitativos que abordaban muchos temas. Usando varios métodos diferentes, Galileo pudo medir el tiempo con precisión. Anteriormente, la mayoría de los científicos habían usado la distancia para describir la caída de los cuerpos, aplicando la geometría , que se había utilizado y en la que se confiaba desde Euclides . [12] El propio Galileo usó métodos geométricos para expresar sus resultados. Los éxitos de Galileo se vieron ayudados por el desarrollo de una nueva matemática, así como experimentos y equipos inteligentemente diseñados. En ese momento, se estaba desarrollando otro tipo de matemáticas: el álgebra . El álgebra permitió que los cálculos aritméticos se volvieran tan sofisticados como los geométricos. El álgebra también permitió que los descubrimientos de científicos como Galileo, así como de científicos posteriores como Isaac Newton , James Clerk Maxwell y Albert Einstein , se resumieran en ecuaciones matemáticas . Estas ecuaciones describían las relaciones físicas de una manera precisa y autoconsistente.
Un ejemplo destacado es el "experimento de la bola y la rampa". [13] En este experimento, Galileo utilizó un plano inclinado y varias bolas de acero de diferentes pesos. Con este diseño, Galileo pudo ralentizar el movimiento de caída y registrar, con una precisión razonable, los tiempos en los que una bola de acero pasaba por ciertas marcas en una viga. [14] Galileo refutó la afirmación de Aristóteles de que el peso afecta la velocidad de caída de un objeto. Según la teoría de Aristóteles de la caída de los cuerpos, la bola de acero más pesada llegaría al suelo antes que la bola de acero más ligera. La hipótesis de Galileo era que las dos bolas llegarían al suelo al mismo tiempo.
Aparte de Galileo, no muchas personas de su época fueron capaces de medir con precisión períodos cortos de tiempo, como el tiempo de caída de un objeto. Galileo midió con precisión estos cortos períodos de tiempo mediante la creación de un pulsígono. Se trataba de una máquina creada para medir el tiempo utilizando un péndulo . [15] El péndulo estaba sincronizado con el pulso humano . Lo utilizó para medir el tiempo en el que las bolas con peso pasaban por las marcas que había hecho en el plano inclinado. Sus mediciones descubrieron que bolas de diferentes pesos llegaban al fondo del plano inclinado al mismo tiempo y que la distancia recorrida era proporcional al cuadrado del tiempo transcurrido. [16] Los científicos posteriores resumieron los resultados de Galileo como La ecuación de la caída de los cuerpos . [17] [18]
Estos resultados respaldaron la hipótesis de Galileo de que objetos de diferentes pesos, cuando se miden en el mismo punto de su caída, caen a la misma velocidad porque experimentan la misma aceleración gravitacional.
Los experimentos de Antoine Lavoisier (1743-1794), un químico francés considerado el fundador de la química moderna, fueron de los primeros en ser verdaderamente cuantitativos. Lavoisier demostró que, aunque la materia cambia de estado en una reacción química , la cantidad de materia es la misma al final que al principio de cada reacción química. En un experimento, quemó fósforo y azufre en el aire para ver si los resultados respaldaban aún más su conclusión anterior ( Ley de conservación de la masa ). Sin embargo, en este experimento determinó que los productos pesaban más que el fósforo y el azufre originales. Decidió hacer el experimento de nuevo. Esta vez también midió la masa del aire que rodeaba el experimento. Descubrió que la masa ganada en el producto se perdía del aire. Estos experimentos proporcionaron más apoyo a su Ley de conservación de la masa .
Uno de los experimentos de Lavoisier conectó los mundos de la respiración y la combustión . La hipótesis de Lavoisier era que la combustión y la respiración eran una sola cosa, y la combustión ocurre con cada instancia de respiración. Trabajando con Pierre-Simon Laplace , Lavoisier diseñó un aparato calorímetro de hielo para medir la cantidad de calor emitido durante la combustión o respiración. Esta máquina constaba de tres compartimentos concéntricos. El compartimento central contenía la fuente de calor, en este caso el conejillo de indias o un trozo de carbón encendido . El compartimento del medio contenía una cantidad específica de hielo para que la fuente de calor se derritiera. El compartimento exterior contenía nieve compacta para aislamiento. Luego, Lavoisier midió la cantidad de dióxido de carbono y la cantidad de calor producida al confinar a un conejillo de indias vivo en este aparato. Lavoisier también midió el calor y el dióxido de carbono producidos al quemar un trozo de carbón en el calorímetro. Usando estos datos, concluyó que la respiración era de hecho un proceso de combustión lenta. También descubrió a través de mediciones precisas que estos procesos producían dióxido de carbono y calor con la misma constante de proporcionalidad. Descubrió que por cada 224 granos de "aire fijo" (CO2 ) producidos, se fundieron 13 oz (370 g) de hielo en el calorímetro. Al convertir los granos a gramos y usar la energía necesaria para fundir 13 oz (370 g) de hielo, se puede calcular que por cada gramo de CO2 producido , se produjeron aproximadamente 2,02 kcal de energía por la combustión de carbono o por la respiración en los experimentos de calorímetro de Lavoisier. Esto se compara bien con el calor de combustión publicado moderno para el carbono de 2,13 kcal/g. [19] Esta combustión lenta y continua, que Lavoisier y Laplace supusieron que tenía lugar en los pulmones , permitía al animal vivo mantener su temperatura corporal por encima de la de su entorno, lo que explica el desconcertante fenómeno del calor animal. [20] Lavoisier concluyó: "La respiración es, entonces, una combustión", es decir, el intercambio de gases respiratorios es una combustión, como la de encender una vela.
Lavoisier fue el primero en concluir experimentalmente que la Ley de conservación de la masa se aplicaba al cambio químico. [21] Su hipótesis era que la masa de los reactivos sería la misma que la masa de los productos en una reacción química . Experimentó con la fermentación vínica , determinando las cantidades de hidrógeno , oxígeno y carbono en el azúcar . Pesando una cantidad de azúcar, añadió levadura y agua en cantidades medidas, dejando que la mezcla fermentara. Luego, Lavoisier midió la masa del gas de ácido carbónico y el agua que se desprendían durante la fermentación y pesó el licor residual, cuyos componentes luego se separaron y analizaron para determinar su composición elemental. [22] De esta manera, controló un par de posibles factores de confusión. Pudo capturar el gas de ácido carbónico y el vapor de agua que se desprendían durante la fermentación para que sus mediciones finales fueran lo más precisas posible. Lavoisier concluyó que la masa total de los reactivos era igual a la masa del producto final y el residuo. [23] Además, demostró que la masa total de cada elemento constituyente antes y después del cambio químico seguía siendo la misma. De manera similar, demostró mediante experimentos que la masa de los productos de la combustión es igual a la masa de los ingredientes que reaccionan.
El biólogo francés Louis Pasteur (1822-1895), considerado [¿ por quién? ] como el "Padre de las ciencias microbiológicas y de la inmunología", trabajó durante el siglo XIX. [24] Postuló -y apoyó con resultados experimentales- la idea de que los agentes causantes de enfermedades no aparecen espontáneamente sino que están vivos y necesitan el ambiente adecuado para prosperar y multiplicarse. A partir de este descubrimiento, utilizó la experimentación para desarrollar vacunas contra el cólera aviar , el ántrax y la rabia , y desarrolló métodos para reducir las bacterias en algunos productos alimenticios calentándolos ( pasteurización ). El trabajo de Pasteur también lo llevó a defender (junto con el médico inglés Dr. Joseph Lister ) técnicas quirúrgicas antisépticas. La mayoría de los científicos de esa época creían que la vida microscópica surgió a la existencia a partir de la generación espontánea en materia no viva.
Las observaciones de Pasteur de organismos diminutos bajo el microscopio le hicieron dudar de la generación espontánea. Diseñó un experimento para probar su hipótesis de que la vida no podía surgir de donde no la había. Se ocupó de controlar los posibles factores de confusión. Por ejemplo, necesitaba asegurarse de que no hubiera vida, ni siquiera microscópica, en los frascos de caldo que utilizó como medio de prueba. Decidió matar cualquier organismo microscópico ya presente hirviendo el caldo hasta que estuviera seguro de que todos los microorganismos presentes estaban muertos. Pasteur también necesitaba asegurarse de que ningún organismo microscópico entrara en el caldo después de hervirlo, pero el caldo necesitaba exposición al aire para probar adecuadamente la teoría. Un colega sugirió un frasco con un cuello en forma de "S" girado hacia un lado. El polvo (que Pasteur creía que contenía microorganismos) quedaría atrapado en la parte inferior de la primera curva, pero el aire fluiría libremente a través de él. [25]
Por lo tanto, si las bacterias realmente se generaran espontáneamente, entonces deberían estar creciendo en el matraz después de unos días. Si la generación espontánea no ocurriera, entonces el contenido de los matraces permanecería inerte. El experimento pareció concluyente: no apareció un solo microorganismo en el caldo. Pasteur luego dejó que el polvo que contenía los microorganismos se mezclara con el caldo. En sólo unos días el caldo se volvió turbio debido a los millones de organismos que crecían en él. Durante dos años más repitió el experimento en diversas condiciones y lugares para asegurarse de que los resultados eran correctos. De esta manera, Pasteur apoyó su hipótesis de que la generación espontánea no ocurre. [26] A pesar de los resultados experimentales que respaldaban sus hipótesis y su éxito curando o previniendo varias enfermedades, corregir la idea errónea pública de la generación espontánea resultó un proceso lento y difícil.
Mientras trabajaba para resolver problemas específicos, Pasteur a veces revisaba sus ideas a la luz de los resultados de sus experimentos, como cuando se enfrentó a la tarea de encontrar la causa de la enfermedad que devastó la industria francesa de gusanos de seda en 1865. Después de un año de trabajo diligente, identificó correctamente un organismo culpable y dio consejos prácticos para desarrollar una población saludable de polillas. Sin embargo, cuando puso a prueba sus propios consejos, encontró que la enfermedad todavía estaba presente. Resultó que había estado en lo cierto, pero de manera incompleta: había dos organismos en juego. Se necesitaron dos años más de experimentación para encontrar la solución completa. [27]
"Al reformar la óptica, adoptó, por así decirlo, el "positivismo" (antes de que se inventara el término): no vamos más allá de la experiencia y no podemos contentarnos con utilizar conceptos puros para investigar los fenómenos naturales. La comprensión de éstos no se puede adquirir sin las matemáticas. Así, una vez que ha supuesto que la luz es una sustancia material, Ibn al-Haytham no analiza más su naturaleza, sino que se limita a considerar su propagación y difusión. En su óptica, "las partes más pequeñas de la luz", como las llama, conservan sólo propiedades que pueden tratarse mediante la geometría y verificarse mediante la experimentación; carecen de todas las cualidades sensibles, excepto la energía".
