La historia de la investigación experimental es larga y variada. De hecho, la definición de un experimento en sí 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 utiliza 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 respaldar su teoría de la visión de 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 utilizados para ver), y la antigua teoría de la intromisión apoyada por Aristóteles (donde los objetos emiten partículas físicas a los ojos). ), ambos estaban equivocados. [2]
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 catoptría y dioptría. Su legado fue elaborado a través de la 'reforma' de su Óptica por Kamal al-Din al-Farisi (dc 1320) en Kitab Tanqih al-Manazir de este último ( La Revisión de la Óptica [de Ibn al-Haytham] ). [3] [4]
Alhazen vio sus estudios científicos como una búsqueda de la verdad : "La verdad se busca por sí misma. Y aquellos que están comprometidos en la búsqueda de cualquier cosa por sí misma no están interesados en otras cosas. Encontrar la verdad es difícil, y el camino es áspero ... [5]
El trabajo de Alhazen incluyó la conjetura de que "la luz viaja a través de cuerpos transparentes sólo en línea recta", que pudo corroborar sólo después de años de esfuerzo. Dijo: "[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 al lado del 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 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 una verdadera investigación científica. [7]
Algo parecido a la navaja de Occam también está presente en el Libro de 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". [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 utilizar conceptos puros en la investigación de los 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 analiza 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 las que se pueden tratar mediante geometría y verificables mediante experimentos. [9]
Galileo Galilei
Galileo Galilei, como científico, realizó experimentos cuantitativos que abordaron muchos temas. Utilizando 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 cuerpos, aplicando geometría , que se había usado y confiable desde Euclides . [10] El propio Galileo utilizó métodos geométricos para expresar sus resultados. Los éxitos de Galileo se vieron favorecidos por el desarrollo de nuevas matemáticas, así como por experimentos y equipos inteligentemente diseñados. En ese momento, se estaba desarrollando otro tipo de matemáticas: el álgebra . El álgebra permitió que los cálculos aritméticos fueran 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 describen las relaciones físicas de una manera precisa y coherente.
Un ejemplo destacado es el "experimento de la bola y la rampa". [11] 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 los que una bola de acero pasaba determinadas marcas en una viga. [12] 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 pulsilogon. Esta fue una máquina creada para medir el tiempo usando un péndulo . [13] El péndulo estaba sincronizado con el pulso humano . Usó esto para medir el tiempo en el que las bolas ponderadas pasaron las marcas que había hecho en el plano inclinado. Sus mediciones 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. [14] Científicos posteriores resumieron los resultados de Galileo como La ecuación de la caída de cuerpos . [15] [16]
Distancia d recorrida por un objeto que cae durante el tiempo t donde g es la aceleración gravitacional (~ 9,8 m / s 2 ): |
Estos resultados apoyaron 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.
Antoine 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 volver a hacer el experimento. Esta vez también midió la masa de aire que rodeaba el experimento. Descubrió que la masa ganada en el producto se perdía en el 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 y la misma, 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 la 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 ardiendo . El compartimento central contenía una cantidad específica de hielo para que la fuente de calor se derrita. El compartimento exterior contenía nieve compacta como aislamiento. Luego, Lavoisier midió la cantidad de dióxido de carbono y la cantidad de calor producida 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 lento. También descubrió a través de medidas precisas que estos procesos producían dióxido de carbono y calor con la misma constante de proporcionalidad. Encontró que por 224 granos de "aire fijo" (CO 2 ) producido, 13 oz (370 g). de hielo se derritió en el calorímetro. Convertir granos a gramos y usar la energía necesaria para derretir 13 oz (370 g). de hielo, se puede calcular que por cada gramo de CO 2 producido, aproximadamente 2,02 kcal de energía fueron producidas 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. [17] Esta combustión lenta y continua, que Lavoisier y Laplace supusieron que tenía lugar en los pulmones , permitió al animal vivo mantener su temperatura corporal por encima de la de su entorno, lo que explica el desconcertante fenómeno del calor animal. [18] Lavoisier concluyó, "La respiración est donc une combustión", es decir, el intercambio de gases respiratorios es combustión, como la de encender una vela.
Lavoisier fue el primero en concluir mediante un experimento que la Ley de Conservación de la Masa se aplicaba al cambio químico. [19] 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 vinosa , determinando las cantidades de hidrógeno , oxígeno y carbono en el azúcar . Pesando una cantidad de azúcar, añadió levadura y agua en cantidades medidas, permitiendo que la mezcla fermente. Luego, Lavoisier midió la masa del gas ácido carbónico y el agua que se desprendieron durante la fermentación y pesó el licor residual, cuyos componentes se separaron y analizaron para determinar su composición elemental. [20] 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. [21] Además, demostró que la masa total de cada elemento constituyente antes y después del cambio químico seguía siendo la misma. Asimismo, demostró a través de la experimentación que la masa de los productos de combustión es igual a la masa de los ingredientes que reaccionan.
Luis Pasteur
El biólogo francés Louis Pasteur (1822-1895), considerado [¿ por quién? ] como el "Padre de las ciencias microbiológicas y la inmunología", trabajó durante el siglo XIX. [22] 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 pollo , 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 abogar (junto con el médico inglés Dr. Joseph Lister ) por técnicas quirúrgicas antisépticas. La mayoría de los científicos de esa época creían que la vida microscópica surgió 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 podría surgir de donde no hay vida. Se cuidó de controlar posibles factores de confusión. Por ejemplo, necesitaba asegurarse de que no hubiera vida, ni siquiera microscópica, en los frascos de caldo que usaba como medio de prueba. Decidió matar cualquier organismo microscópico ya presente hirviendo el caldo hasta estar seguro de que cualquier microorganismo presente estaba muerto. Pasteur también necesitaba asegurarse de que ningún organismo microscópico entrara 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 los lados. El polvo (que Pasteur pensó que contenía microorganismos) quedaría atrapado en la parte inferior de la primera curva, pero el aire fluiría libremente. [23]
Por lo tanto, si las bacterias realmente se generan de manera espontánea, deberían estar creciendo en el matraz después de unos días. Si no se produjera una generación espontánea, el contenido de los matraces permanecería sin vida. El experimento pareció 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 eran correctos. De esta manera Pasteur apoyó su hipótesis de que la generación espontánea no ocurre. [24] A pesar de los resultados experimentales que respaldan sus hipótesis y su éxito en la curación o prevención de varias enfermedades, corregir la idea errónea 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 una enfermedad que devastaba la industria francesa de los 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 probó su propio consejo, encontró que la enfermedad aún estaba presente. Resultó que había estado en lo correcto pero incompleto: había dos organismos en acción. Fueron necesarios dos años más de experimentación para encontrar la solución completa. [25]
Ver también
- Lista de experimentos
Referencias
- ↑ a b Alhazen, traducido al inglés del alemán por M. Schwarz, de "Abhandlung über das Licht", J. Baarmann (ed. 1882) Zeitschrift der Deutschen Morgenländischen Gesellschaft Vol 36 como se hace referencia en la p.136 por Shmuel Sambursky (1974) Pensamiento físico desde los presocráticos hasta los físicos cuánticos ISBN 0-87663-712-8
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- ^ p.136, citado por Shmuel Sambursky (1974) Pensamiento físico de los presocráticos a los físicos cuánticosISBN 0-87663-712-8
- ^ Plott, C. (2000), Historia global de la filosofía: El período de la escolástica , Motilal Banarsidass , p. 462, ISBN 81-208-0551-8
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- ^ Rashed, Roshdi (2007), "La cinemática celestial de Ibn al-Haytham", Ciencias y filosofía árabes , Cambridge University Press , 17 : 7–55 [19], doi : 10.1017 / S0957423907000355:
"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 estos no puede ser adquirido sin matemáticas. Así, una vez que ha asumido que la luz es una sustancia material, Ibn al-Haytham no discute más su naturaleza, sino que se limita a considerar su propagación y difusión. En su óptica, "las partes más pequeñas de la luz", como él los llama, retienen sólo propiedades que pueden ser tratadas por la geometría y verificadas por el experimento; carecen de todas las cualidades sensibles excepto la energía ".
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