Historia de la experimentación

La historia de la investigación experimental es larga y variada. De hecho, la definición de un experimento en sí mismo ha cambiado en respuesta a 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 usa en la actualidad.

Ibn al-Haytham

El físico árabe Ibn al-Haytham (Alhazen) utilizó la experimentación para obtener los resultados en su Libro de Óptica (1021). Combinó observaciones, experimentos y argumentos racionales para apoyar su teoría de la visión de la intromisión, en la que los rayos de luz se emiten desde los objetos en lugar de los ojos. Usó argumentos similares para mostrar que la antigua teoría de emisión de la visión apoyada por Ptolomeo y Euclides (en la que los ojos emiten los rayos de luz que se usan para ver), y la antigua teoría de la intromisión apoyada por Aristóteles (donde los objetos emiten partículas físicas a los ojos).), ambos estaban equivocados.

La evidencia experimental apoyó la mayoría de las proposiciones en su Libro de Óptica y fundamentó sus teorías de la visión, la luz y el color, así como su investigación en catóptrica y dióptrica. Su legado fue elaborado a través de la 'reforma' de su Óptica por Kamal al-Din al-Farisi (dc 1320) en el Kitab Tanqih al-Manazir de este último (La Revisión de la Óptica [de Ibn al-Haytham]).

Alhazen vio sus estudios científicos como una búsqueda de la verdad: "La verdad se busca por sí misma. Y aquellos que se dedican a la búsqueda de algo por sí mismo no están interesados ​​en otras cosas. Encontrar la verdad es difícil, y el camino es duro....

El trabajo de Alhazen incluía la conjetura de que "La luz viaja a través de cuerpos transparentes solo en línea recta", que solo 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". También demostró la conjetura colocando un palo recto o un hilo tenso al lado del rayo de luz.

Ibn al-Haytham empleó el escepticismo científico, enfatizando el papel del empirismo y explicando el papel de la inducción en el silogismo. Llegó a criticar a Aristóteles por su falta de contribución al método de inducción, que Ibn al-Haytham consideraba no solo superior al silogismo sino el requisito básico para la verdadera investigación científica.

Algo así como la navaja de Occam también está presente en el Libro de la Óptica. Por ejemplo, tras demostrar que la luz es generada por objetos luminosos y emitida o reflejada en los ojos, afirma que por tanto "la extramisión de rayos [visuales] es superflua e inútil".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 al investigar fenómenos naturales", y que la comprensión de estos no se puede adquirir sin las matemáticas. Después de asumir que la luz es una sustancia material, no discute más 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 aquellas tratables por geometría y verificables por experimentación.

Roger tocino

Las afirmaciones de Roger Bacon en el Opus Majus de que "las teorías proporcionadas por la razón deben ser verificadas por datos sensoriales, ayudados por instrumentos y corroboradas por testigos confiables" fueron (y aún son) consideradas "una de las primeras formulaciones importantes del método científico registradas". ".

Galileo Galilei

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 utilizado la distancia para describir la caída de cuerpos, aplicando la geometría, que se había utilizado y en la que se confiaba desde Euclides.El propio Galileo utilizó métodos geométricos para expresar sus resultados. Los éxitos de Galileo se vieron favorecidos por el desarrollo de una nueva matemática, así como por experimentos y equipos ingeniosamente 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 mediante ecuaciones matemáticas. Estas ecuaciones describían las relaciones físicas de manera precisa y autoconsistente.

Un ejemplo destacado es el "experimento de la bola y la rampa". 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 momentos en que una bola de acero pasaba por ciertas marcas en una viga. Galileo refutó la afirmación de Aristóteles de que el peso afecta la velocidad de caída de un objeto. Según la teoría de la caída de cuerpos de Aristóteles, 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 pudieron medir con precisión períodos de tiempo cortos, como el tiempo de caída de un objeto. Galileo midió con precisión estos cortos períodos de tiempo creando un pulsilogo. Esta era una máquina creada para medir el tiempo usando un péndulo. El péndulo estaba sincronizado con el pulso humano. Usó esto para medir el tiempo en que las bolas con peso pasaban las marcas que había hecho en el plano inclinado. Sus medidas encontraron 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. Los científicos posteriores resumieron los resultados de Galileo como La ecuación de los cuerpos que caen.

Distancia d recorrida por un objeto que cae en un tiempo t donde g es la aceleración gravitatoria (~ 9,8 m/s):

Estos resultados respaldaron la hipótesis de Galileo de que los 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.

Antonio Lavoisier

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 comienzo 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). En este experimento, sin embargo, 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 en el aire.

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 lo mismo, y la combustión ocurre con cada caso 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 la respiración. Esta máquina constaba de tres compartimentos concéntricos. El compartimento central albergaba la fuente de calor, en este caso el conejillo de Indias o un trozo de carbón encendido. El compartimento central contenía una cantidad específica de hielo para que la fuente de calor se derritiera. El compartimiento exterior contenía nieve compactada para aislamiento. Lavoisier luego midió la cantidad de dióxido de carbono y la cantidad de calor producido al confinar 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. Utilizando 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. Encontró que para 224 granos de "aire fijo" (CO₂) producido, 13 oz (370 g). de hielo se derritió en el calorímetro. Conversión de granos a gramos y uso de la energía requerida para derretir 13 oz (370 g). de hielo, se puede calcular que por cada gramo de CO ₂ producido, se produjeron alrededor de 2,02 kcal de energía por la combustión de carbono o por la respiración en los experimentos del calorímetro de Lavoisier. Esto se compara bien con el calor de combustión moderno publicado para el carbono de 2,13 kcal/g. Esta combustión lenta y continua, que Lavoisier y Laplace supusieron que tenía lugar en los pulmones, permitía que el animal vivo mantuviera la temperatura de su cuerpo por encima de la de su entorno, explicando así el desconcertante fenómeno del calor animal. Lavoisier concluyó: "La respiration est donc une combustion", es decir, el intercambio de gases respiratorios es combustión, como el de una vela encendida.

Lavoisier fue el primero en concluir mediante un experimento que la Ley de Conservación de la Masa se aplicaba al cambio químico. 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 del vino, determinando las cantidades de hidrógeno, oxígeno y carbono en el azúcar. Pesando una cantidad de azúcar, añadió levadura y agua en cantidades medidas, dejando fermentar la mezcla. Luego, Lavoisier midió la masa del gas ácido carbónico y el agua que se desprendía durante la fermentación y pesó el licor residual, cuyos componentes luego se separaron y analizaron para determinar su composición elemental. De esta forma, 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 del residuo. Además, demostró que la masa total de cada elemento constituyente antes y después del cambio químico seguía siendo la misma. De manera similar, demostró a través de la experimentación que la masa de los productos de la combustión es igual a la masa de los ingredientes que reaccionan.

Luis Pasteur

El biólogo francés Louis Pasteur (1822-1895), considerado el "Padre de las ciencias microbiológicas y la inmunología", trabajó durante el siglo XIX. 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 entorno adecuado para prosperar y multiplicarse. A partir de este descubrimiento, utilizó la experimentación para desarrollar vacunas contra el cólera de los pollos, 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) las técnicas quirúrgicas antisépticas. La mayoría de los científicos de esa época creían que la vida microscópica surgió de la generación espontánea en la 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 podría surgir de donde no hay vida. 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 usó como medio de prueba. Decidió matar cualquier organismo microscópico ya presente hirviendo el caldo hasta que estuvo seguro de que cualquier microorganismo presente estaba muerto. Pasteur también necesitaba asegurarse de que no entraran organismos microscópicos en el caldo después de hervir, pero el caldo necesitaba exposición al aire para probar adecuadamente la teoría. Un colega sugirió un matraz con un cuello en forma de "S" girado hacia un lado.

Por lo tanto, si las bacterias realmente se generaran espontáneamente, entonces deberían estar creciendo en el matraz después de unos días. Si no ocurriera la generación espontánea, entonces el contenido de los matraces permanecería sin vida. El experimento parecía concluyente: no apareció ni un solo microorganismo en el caldo. Pasteur luego permitió que el polvo que contenía los microorganismos se mezclara con el caldo. En solo 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 varias condiciones y lugares para asegurarse de que los resultados fueran correctos. De esta forma Pasteur apoyó su hipótesis de que la generación espontánea no ocurre.A pesar de los resultados experimentales que respaldan sus hipótesis y su éxito en la curación o prevención de diversas enfermedades, corregir la idea errónea pública de la generación espontánea resultó ser 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 del gusano 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 probó su propio consejo, encontró que la enfermedad aún estaba presente. Resultó que había estado en lo correcto pero incompleto: había dos organismos en el trabajo. Fueron necesarios dos años más de experimentación para encontrar la solución completa.