Método experimental de las ciencias empíricas

De Wikillerato

Las ciencias empíricas, experimentales o naturales son aquellas que estudian los fenómenos observables en la naturaleza. Se llaman experimentales porque parten de la experiencia y utilizan como criterio para aceptar sus tesis, la verificación experimental, su comprobación en la experiencia.

Experiencia se define por tanto, como todo objeto, hecho o fenómeno susceptible de ser observado o experimentado a través de la percepción sensible.

Tradicionalmente se las ha llamado ciencias inductivas, ya que partiendo de la experiencia, de la observación, pretenden alcanzar tesis o leyes que se puedan aplicar universalmente. Es problema de la inducción: cómo a partir de los datos observados se puede realizar una generalización universal.

Al método inductivo, hoy día le llamamos método hipotético – deductivo. Su creador fue Galileo Galilei (1564 – 1642), y también William Whewell, (1794 – 1866), con grandes aportaciones y críticas de lógicos y teóricos de la ciencia de la actualidad.

Fases del método hipotético-deductivo

Este método tiene las siguientes fases:

1. Observación.
2. Formulación de hipótesis.
3. Comprobación de la hipótesis
4. Formulación de la ley.
5. Expresión matemática de la ley.
6. El conjunto de leyes forma una teoría que se aplica de manera deductiva como los axiomas en las matemáticas

Observación

Es la primera fase, aquella en la que el científico pone su atención en el estudio de las características del fenómeno objeto de su investigación.

Esta observación puede ser directa, es decir, según como se desarrolle el fenómeno en la naturaleza, o provocada en un laboratorio, esta segunda forma es la experimentación. La experimentación ofrece mayores ventajas que la mera contemplación del fenómeno en la naturaleza. En el laboratorio el fenómeno se puede repetir cuantas veces sea necesario y además se puede manipular.

Esta primera fase de investigación es muy importante, ya que un fallo en la observación puede generar una teoría equivocada.

Para ser fecunda, la observación ha de ser medida, es decir, cuantificada. El eminente investigador en Biología y Medicina Claude Bernard (1813 – 1878) señaló la importancia que tiene para el método experimental, la sistematización y matematización de los experimentos, se trata de una experiencia armada, es decir, una experiencia provocada y sistematizada mediante instrumentos cada vez más complejos (microscopio, telescopio etc.), que ayuden al proceso de medición y cuantificación de lo observado. Leonardo da Vinci afirmaba a este respecto: “Ninguna certeza hay allí donde no están las matemáticas o donde no se aplican”. De igual modo Galileo afirmaba que “el que quisiera leer en el libro de la Naturaleza tendría que conocer las matemáticas, pues dicho libro está escrito en lenguaje matemático”. También Descartes decía en Los Principios de Filosofía: “No acepto en Física principios que no sean también aceptados en matemáticas”.

La matematización de la ley sólo es posible en el caso de que la observación haya sido cuantificada.

Formulación de hipótesis

La hipótesis –tesis débil-, es una explicación provisional del fenómeno que cumple un doble papel.

1. Papel heurístico. La hipótesis sirve para dirigir la investigación permitiendo su avance.
2. Papel sistemático. La hipótesis organiza los hechos observados: Henri Poincaré (1854 – 1912) en su importante libro La ciencia y la hipótesis afirma: “La ciencia se hace con hechos, al modo como una casa se hace con piedras, pero una acumulación de hechos no es una ciencia, como una casa no es una acumulación de piedras…Los hechos no nos bastan, nos es necesaria la ciencia ordenada, organizada”.

Para organizar los hechos, toda hipótesis debe cumplir varias condiciones:

• Tiene que ser sugerida por los hechos observados.
• Tiene que ser coherente, es decir, no llevar a contradicciones
• Tiene que ser verificable, susceptible de ser comprobada experimentalmente
• Debe ser lo más sencilla posible. En igualdad de condiciones entre dos hipótesis se debe elegir la más sencilla. Este principio opera según la máxima de que la naturaleza obra de la manera más sencilla, así lo afirmaba Aristóteles; Guillermo de Occam un filósofo inglés del siglo XIV, lo llamó principio de economía metafísica, según el cual la naturaleza actúa con la mínima acción y el menor gasto de energía, de la manera más sencilla y rápida posible.

Comprobación de las hipótesis

Una vez formulada, la hipótesis ha de ser verificada. Esta verificación se realiza mediante los llamados métodos de Stuart Mill (1806 – 1876), que perfeccionan las antiguas tablas de Francis Bacon (1561 – 1626).

Estos métodos son tres:

1. Método de concordancias: Si A es causa de B, siempre que se dé A se dará B.
2. Método de diferencias: Si A es causa de B, al faltar A, tiene que faltar B.
3. Método de variaciones concomitantes: Si A es causa de B, al variar A, tiene que variar B.

La aplicación de estos métodos de Stuart Mill, se llama hoy día implicaciones contrastadoras, es decir predicciones de lo que sucederá si la hipótesis es exacta y correcta. Estas predicciones implicadas por la hipótesis, sirven para contrastarla o confirmarla.

Formulación de la ley

Una vez corroborada la hipótesis, se generaliza para todos los casos, pasa a la categoría de ley científica y como tal se formula. Una ley científica funciona como los axiomas en la matemática; a partir de la ley se deduce la teoría, como a partir de los axiomas se deducen los teoremas.

Matematización de la ley

Suele realizarse de manera deductiva como hizo Isaac Newton con las leyes de la mecánica celeste, aunque no siempre es posible; en ese caso hay que recurrir a otros métodos.

El conjunto de leyes forma una teoría que se aplica de manera deductiva como los axiomas en las matemáticas.

Ejemplo de la bomba de agua

Un ejemplo interesante del método experimental lo encontramos en 1643, cuando Torricelli (1608 – 1647), discípulo de Galileo, se enfrentó con el problema de explicar por qué las bombas no pueden levantar el agua a una altura superior a 10 metros.

El problema era interesante para los ingenieros de minas y los fontaneros, pero también tenía un alcance más amplio. Era una teoría de carácter general que podía aplicarse a varios dominios de la tecnología.

La presión atmosférica se transmite al cuerpo líquido y lo único que hace el pistón es liberar la columna líquida de dicha presión.

Los supuestos iniciales eran:

A 1: El aire es un fluido que obedece a las leyes de la estática de los líquidos.

A 2: La tierra está rodeada por una capa de aire, Torricelli decía: “Vivimos sumergidos en un mar de aire elemental”.

De A 1, dedujo:

• T 1: El aire ejerce una presión sobre los cuerpos en contacto con él. De A 1 y T 1, dedujo:
• T 2: El aire atmosférico ejerce una presión sobre la superficie de la tierra – nos encontramos ante el concepto actual de presión atmosférica -. De hecho, Torricelli explica la subida del líquido en las bombas como el efecto de la presión del aire atmosférico sobre la superficie libre del líquido; la función del pistón no es absorber el agua – como pensaron los antiguos -, sino desalojar el aire liberando así el agua que sube de la presión atmosférica.
• T 3: El aire atmosférico ejerce una presión sobre la superficie libre de los líquidos.

De A 1, se sigue que las leyes de los vasos comunicantes valen también para el sistema aire líquido. De A 1 y T 3, se sigue:

• T 4:Si no hay una fuerza que actúe sobre una porción de la superficie de un líquido mientras el resto de la superficie sufre la acción de la atmósfera, la primera posición sube hasta que su peso se equilibra con el paso de la columna de aire. Aquí introduce el concepto de equilibrio hidrostático en un tubo en forma de U.
• Definición: Dos fluidos se encuentran en equilibrio en un tubo U, si y solo si las presiones que ejercen recíprocamente sobre la superficie de contacto son iguales.

Esta definición unida al Teorema 4, implican:

• T 5: La altura máxima alcanzada por un líquido que sube bajo la acción de la presión atmosférica es la que corresponde al equilibrio. La presión atmosférica , es igual a la presión del líquido, es decir, a su gravedad específica multiplicada por la altura de su columna: , de donde

Esta afirmación no es una pura intuición, puesto que va precedida por un análisis; tampoco es una inducción, ya que no es una generalización de un número determinado de observaciones; tampoco se trata de una deducción, porque no es la conclusión de ninguna premisa anterior. Es por tanto, un nuevo axioma sugerido por la comparación de dos cosas, que afirma su semejanza: es una analogía. La nueva hipótesis se expresa como un axioma:

• Axioma 3: Una bomba aspirante – impelente: El líquido en el que está parcialmente sumergida y la atmósfera constituyen un tubo en forma de U, cuya peculiaridad consiste en que la presión atmosférica no actúa sobre una de sus ramas.

Ejemplo de la bomba aspirante-impelente

Bomba aspirante-impelente

De A 3 y T 5, se deduce la posibilidad de producir realmente un vacío, posibilidad negada en su época, especialmente por la física de Descartes.

• T 6: Si una vez que la columna líquida ha alcanzado la altura de equilibrio, la bomba sigue trabajando, aparece un vacío entre la superficie de la columna líquida y el pistón.

Ya tenemos lo necesario para explicar por qué suben los líquidos en las bombas, y por qué la subida tiene un límite.

Resumen del razonamiento

1. Enunciado del problema
La limitada capacidad de extracción de las bombas de succión y la inadecuación de la hipótesis del horror vacui (- rechazo que siente la naturaleza por el vacío -) para explicar esa generalización empírica.

2. Hipótesis iniciales
2.1. La aerostática y la hidráulica son una disciplina (analogía).
2.2. Existe la atmósfera (mar de aire elemental) (analogía).

3. Elaboración de hipótesis iniciales
A 1 teoría hidróstatica. Luego ( ├ T 1) (deducción).
A 2, T 2. Luego (├T 2) (deducción).
T 2 ├ T 3 (deducción).
A 1 T 3 ├T 4. (deducción).

4. Expansión de la teoría inicial
Df. (estipulación).
(Df. T 4 y T 5) (deducción).
A 3: Parte de un tubo en U que funciona como una bomba (analogía).
A 3, T 5, T 6 (deducción).

5. Solución del problema
T 4, A 3, subida de los líquidos en las bombas (deducción).
T 5 A 3 altura limitada de la columna de líquido que sube por la bomba