El quehacer de la ciencia experimental: Una guía práctica para investigar y reportar resultados en las ciencias naturales
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Esta obra permitirá que quienes inician un proyecto de investigación experimental cuenten con elementos básicos y recomendaciones para desarrollarlo de la mejor manera. Será útil para el curso 'Metodología de la investigación' dentro de las ciencias naturales. desde el nivel preuniversitario hasta posgrado. Esta pensado también para los estudiantes que. sin estar llevando formalmente un curso. hacen investigación experimental coma parte de su tesis de pre o posgrado. A nivel preuniversitario, este libro será una referencia útil para estudiantes y profesores que quieran iniciar actividades de investigación.
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El quehacer de la ciencia experimental - Galindo Fentanes Enrique
1. LA SOCIEDAD DEL CONOCIMIENTO
La importancia de la ciencia
y la tecnología en la sociedad
Los imperios del futuro son los
imperios de la mente
Winston Churchill
La ciencia y la tecnología juegan un papel determinante en el desarrollo económico de un país y han contribuido de manera fundamental al bienestar de la humanidad. Es difícil imaginar el estilo de vida contemporáneo sin hacer referencias, no siempre muy obvias, a las contribuciones que la ciencia y la tecnología han aportado prácticamente en todos los campos de la actividad humana.
El físico y filósofo inglés, Bertrand Russell, escribió en 1949:
Así como la religión y el arte existen desde hace ochenta mil años, la ciencia, como fuerza importante, comienza con Galileo y, por consiguiente, existe desde hace unos trescientos años. En la primera mitad de ese corto periodo, fue como un anhelo de los eruditos, sin afectar a los pensamientos o costumbres de los hombres corrientes. Sólo en los últimos ciento cincuenta años la ciencia se ha convertido en un factor importante que determina la vida cotidiana de todo el mundo. En ese breve tiempo ha causado mayores cambios que los ocurridos desde los días de los antiguos egipcios. Ciento cincuenta años de ciencia han resultado más explosivos que cinco mil años de cultura precientífica (Russell, 1992).
Esta aseveración sigue vigente en la actualidad y es cada vez más cierta y dramática, ya que bien podríamos decir que la evolución y el impacto de la ciencia en los últimos sesenta años (desde que Russell lo escribió), ¡han resultado mucho más explosivos que los primeros 150 años de ciencia!
El conocimiento científico, que se puede medir por el número de artículos científicos publicados a nivel mundial, ha tenido un crecimiento exponencial en los últimos cincuenta años (figura 1.1, p. 14). Esto puede interpretarse como que la comunidad científica mundial duplica todo el conocimiento previo de la humanidad, en menos de cuarenta años.
Si bien la ciencia y la tecnología han tenido impactos muy visibles en la transformación de nuestra vida cotidiana, el mayor de éstos se relaciona con el entendimiento de la naturaleza y, en consecuencia, con nuestra forma de interaccionar con ella. A veces no es evidente en la vida cotidiana, donde algunos piensan que la ciencia, y sobre todo la tecnología, son las causantes de la contaminación, de la violencia y de otros muchos males que aquejan a la humanidad.
Está bien documentado que aquellas naciones que han invertido seriamente en ciencia y tecnología, son más prósperas y con mejores niveles de vida. La ciencia ha cambiado radicalmente al mundo, no sólo en términos materiales, que son los más visibles, sino sobre todo en términos de cómo lo entendemos e interaccionamos con él. Este cambio se ha dado de una forma vertiginosa, a tal grado que en relativamente poco tiempo, la humanidad ha pasado de ser una sociedad agrícola a convertirse en una industrial, para aproximarse a ser una sociedad basada en el conocimiento.
Figura 1.1 Explosión del conocimiento científico. Adaptación de la figura 6.2, p. 158, del libro El universo en una cáscara de nuez, S. Hawking, Barcelona, Crítica/Planeta, 2003.
Las sociedades modernas que aspiren a tener elevados niveles de desarrollo y calidad de vida de sus ciudadanos, tendrán que generar conocimiento de una forma cada vez más eficiente y competitiva.
Referencias
Russell, Bertrand, Introducción
, en La perspectiva científica, Barcelona y México, Planeta-Ariel, 1992, pp. 7-9 (edición original en inglés: The Scientific Outlook, Londres, George Allen & Unwin Ltd., 1949).
Lecturas adicionales sugeridas
Pérez Tamayo, Ruy, Cómo acercarse a la ciencia, México, Limusa-Noriega Editores, 150 pp. En el prólogo de esta colección de breves ensayos, el doctor Pérez Tamayo dice: El objetivo de estas páginas es proporcionar una visión inicial de la estructura y algunas características de la ciencia que resulte accesible y amable al lector. El mundo contemporáneo está de tal modo permeado por la ciencia que nuestras vidas transcurren casi completamente sumergidas en ella
.
2. GALILEO
Los orígenes de la investigación experimental
Mide lo que se pueda medir, y lo que
no se pueda medir, hazlo medible
Galileo Galilei
Hoy en día, ante algo no conocido, pretendiendo conocerlo, es común oír haz la prueba
. Hacer la prueba
significa, más formalmente, realizar un experimento. Esta forma de conocer la realidad nos parece, además de lógica, muy familiar y convencional, pero no siempre fue así. Antes de mediados del siglo XVI, hacer la prueba
no sólo no era lógico ni aceptado, sino que resultaba hasta peligroso. Un italiano, nacido en Pisa en 1564, quien iba a ser médico pero que terminó siendo matemático, revolucionó la forma de adquirir el conocimiento. Hoy nos parecería trivial y sin importancia que alguien nos dijera, ante un asunto desconocido, que hiciéramos la prueba
. Pero justamente ésa fue la aportación más importante que Galileo Galilei hizo a la filosofía natural
, como se llamaba en esa época lo que hoy conocemos como ciencia
. Por ello se considera a Galileo el primero de los científicos, en el sentido moderno de la palabra.
Aunque Galileo murió hace casi cuatro siglos (en 1642), en las ciencias naturales los científicos seguimos usando la misma manera para generar conocimiento: haciendo experimentos. Los investigadores experimentales actuales tenemos mucho que agradecerle, no sólo porque hacer experimentos es convencional y casi siempre muy útil, sino también porque nos legó la manera de hacerlos bien, de una forma sistematizada y rigurosa. Además, nos enseñó la utilidad y necesidad de construir instrumentos para obtener información que no se puede generar sólo con los sentidos y cómo usar la información obtenida para elaborar leyes, que permiten hacer predicciones sobre el comportamiento de un sistema que sigue las mismas leyes, pero bajo condiciones diferentes. Nada menos que la esencia del quehacer científico moderno.
Para entender la inmensa contribución de Galileo, hay que poner en perspectiva la situación que prevalecía en el ámbito de la filosofía natural
en el mundo occidental a mediados del siglo XVI. Fundamentalmente, los filósofos naturales se basaban en las enseñanzas de los clásicos, principalmente de Aristóteles (384-322 a.C.) o bien en lo escrito en los libros sagrados, principalmente la Biblia. Los textos de los clásicos y los libros sagrados constituían verdades absolutas sobre las cuales se conocían e inferían todas las cuestiones de la naturaleza. Si algún filósofo natural quería investigar
algún fenómeno, consultaba a los clásicos y obtenía conclusiones que resultaran de un análisis lógico del propio texto clásico. Era lo que se ha llamado la ciencia de sillón
(de Régules, 2001), esto es:
a) se planteaba un problema
b) se buscaba un texto clásico que hablara del tema
c) se concluía o infería, haciendo uso de la lógica deductiva, sobre el particular
d) y … ¡listo!
Para ilustrar el asunto, vale la pena reproducir parcialmente el excelente texto de Sergio de Régules (2001) titulado El huevo de Galileo
, publicado en la revista ¿Cómo ves? Revista de Divulgación de la Ciencia de la Universidad Nacional Autónoma de México. El texto cuenta la historia de cómo Galileo se enfrentó al jesuita Orazio Grassi para demostrar (Galileo con un experimento y Grassi mediante una deducción de un texto clásico) que un proyectil en vuelo se calentaba —según Grassi— o se enfriaba —según Galileo— usando un huevo en movimiento:
No hay mejor ejemplo del contraste entre la manera antigua y moderna de hacer ciencia que una polémica que sostuvieron a principios del siglo XVII Galileo y el estudioso jesuita Orazio Grassi acerca de la temperatura de los proyectiles. Grassi decía que los proyectiles en vuelo se calentaban, Galileo decía que se enfriaban.
Grassi optó por un método de investigación que ya en esa época era añejo (y aún hay quien confunde añejo con eficaz): buscó la confirmación de su hipótesis en los libros de las todopoderosas autoridades antiguas. Quiso la fortuna que Grassi diera en sus pesquisas con un texto griego cuyo autor, al parecer historiador, afirmaba que los babilonios cocían huevos atándoles cuerdas y haciéndolos girar como si quisieran lanzar una piedra con una honda. Ergo, se dijo el astuto Grassi muy ufano, los proyectiles siempre se calientan. Que es lo que queríamos demostrar. Y sanseacabó.
Galileo (¡terco de él!) se negaba a aceptar ciegamente la autoridad de los antiguos, de manera que, cuando se enteró del argumento de Grassi, tuvo la pintoresca idea de conseguir un huevo y una onda y ponerlos a girar hasta que le dolió el brazo. El huevo, naturalemente, no se coció, lo cual no le bastó a Galileo. Entonces puso a hervir agua y metió el huevo en el recipiente para calentarlo. Una vez caliente el huevo lo puso a girar con la honda y comprobó que se enfriaba. Muy satisfecho, Galileo se comió el huevo en el desayuno y luego se fue a hacer trizas al pobre de Grassi con el siguiente razonamiento, de una mordacidad típicamente galileana:
Si Grassi pretende que yo crea que los babilonios cocían huevos haciéndolos girar con hondas, lo creeré, pero la causa de tal efecto no es la que Grassi supone. Para describir la verdadera causa razono de esta manera: si no obtenemos un efecto que otros han obtenido en el pasado, debe ser porque a nuestras operaciones les ha faltado algo que a los otros no. Y si sólo nos falta una cosa, entonces esa cosa tiene que ser la verdadera causa. Ahora bien, huevos no nos faltan, hondas tampoco, ni tampoco gente fuerte para ponerlos a girar; con todo, nuestros huevos no se cuecen, sólo se enfrían si estaban calientes. Así, puesto que lo único que nos falta es ser babilonios, es el ser babilonio lo que hace cocer al huevo y no la fricción del aire.
Hoy en día sabemos que el proyectil se calentará o se enfriará dependiendo de varios factores como la temperatura del aire, la velocidad del proyectil, el material de que está hecho, y por lo general, de si predomina la producción de calor por fricción o el enfriamiento por convección. Pero el hecho de que ambos contendientes en esta disputa hayan tenido parcialmente la razón no debería impedirnos ver que el método de Galileo es muy superior al de Grassi. Grassi acertó por error (los proyectiles se pueden calentar, mas no porque lo haya dicho una autoridad griega); Galileo erró por no acertar bastante (en su experimento el proyectil se enfrió, pero en ciertas circunstancias podría calentarse; por ejemplo, si volara a la velocidad del sonido).
El método galileano de comprobación experimental y razonamiento lógico reina hoy en día dondequiera que se practique la ciencia, salvo en muchas escuelas, donde la autoridad y la memorización siguen predominando.
Una de las leyendas que han pasado de generación en generación sobre Galileo es aquella que cuenta cómo, lanzando dos objetos de diferente peso desde lo alto de la torre de Pisa, demostró que ambos llegaban al suelo al mismo tiempo. No hay evidencia de que se haya hecho tal cosa; más bien la evidencia del propio Galileo apunta a que fueron otros los que hicieron el experimento para demostrarle que estaba equivocado:
Aristóteles dice que una bola de cien libras de peso que caiga de una altura de cien codos llega al suelo antes que una bola de una libra que caiga desde la altura de un codo. Yo afirmo que llegan al mismo tiempo. Si se hace la prueba, se ve que la bola mayor adelantará a la menor por dos pulgadas. Ahora bien, detrás de esas dos pulgadas queréis esconder los noventa y nueve codos de Aristóteles, y habláis solo de mi error, pero guardáis silencio sobre su enorme equivocación.
Como es claro, el experimento que supuestamente hicieron los partidarios de Aristóteles demostraba claramente ¡que aquéllos estaban equivocados! Un experimento honesto y bien hecho, siempre dice la verdad.
Una de las aportaciones más importantes de Galileo es la ley de la caída de los graves
, esto es, cómo se comporta, en términos de su velocidad y del tiempo, un objeto en caída libre. Galileo se enfrentó ante un problema doble al tratar de resolverlo… y la solución nos legó aspectos fundamentales para el quehacer de la ciencia. En primer lugar, la caída de los cuerpos es un fenómeno que sucede muy rápido y no existían relojes suficientemente precisos para documentar el proceso. Es indispensable contar con instrumentos fiables para lo que se quiere medir. Haciendo gala de ingenio, Galileo desarrolló un sistema para medir intervalos muy cortos de tiempo de forma reproducible y fiable. Al respecto, vale la pena citar al propio Galileo en una de sus obras fundamentales (Diálogos de dos nuevas ciencias, 1638):
Para la medida del tiempo empleamos un gran recipiente de agua colocado en una posición elevada; en el fondo de este recipiente se soldó un tubo de pequeño diámetro que da un fino chorro de agua, que recogemos en un pequeño vaso durante el tiempo de cada descenso… el agua así recogida se pesa en una balanza muy precisa; la diferencia y las proporciones de peso nos dan las diferencias y proporciones de los tiempos […] (Galilei, 1638).
Sin embargo, la caída libre seguía siendo un fenómeno muy rápido para ser medido por su reloj de agua. Si no se tiene un reloj suficientemente preciso para medir intervalos de tiempo muy cortos, ¿qué se puede hacer?, se preguntó seguramente Galileo. Lo que hizo fue desarrollar un modelo experimental, que siguiera los mismos principios del problema real, pero que pudiera ser medido con los instrumentos disponibles. Galileo desarrolló el plano inclinado, en donde era posible —en sus palabras— frenar
el movimiento hasta hacerlo medible. La idea de estudiar modelos es algo muy común y útil en la ciencia moderna.
Estos experimentos han sido repetidos en la actualidad (Rice University, 2006) usando un plano inclinado y una versión del reloj de agua (clepsidra) usado por Galileo. El experimento consiste fundamentalmente en soltar, desde la parte superior del plano inclinado, una bola metálica (balín) y medir —varias veces— el tiempo que tarda la bola en recorrer una determinada distancia. En la tabla 2.1 (p. 20) se reproducen los datos que se obtuvieron. Como se sabe, los datos son fundamentales para el avance de la ciencia; pero éstos, a pesar de las dificultades para obtenerlos, no son, por sí solos, información o conocimiento. La contribución fundamental de Galileo fue establecer el patrón de los datos, después de haberlos repetido varias veces. La figura 2.1 (p. 21) muestra lo que obtuvo. Dicho en pocas palabras: si se duplica la distancia recorrida, la bola irá cuatro veces más rápido. Si se triplica la distancia, la bola se moverá nueve veces más rápido, y así sucesivamente. Esto es: la velocidad aumenta al cuadrado de la