Historia de los experimentos

La historia de la investigación experimental es larga y diversa. De hecho, la propia definición de experimento ha evolucionado en respuesta a los cambios en las normas y prácticas de cada campo de estudio. Este artículo documenta la historia y el desarrollo de la investigación experimental, desde sus orígenes en el estudio de la gravedad realizado por Galileo hasta el método de aplicación tan diverso que se utiliza hoy en día.

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 sustentar su teoría de la visión por intromisión , según la cual los rayos de luz se emiten desde los objetos y no desde los ojos. Utilizó argumentos similares para demostrar que tanto la antigua teoría de la visión por emisión, defendida por Ptolomeo y Euclides (según la cual los ojos emiten los rayos de luz utilizados para ver), como la antigua teoría de la intromisión, defendida por Aristóteles (según la cual los objetos emiten partículas físicas hacia los ojos), eran erróneas. ^{[ 2 ]}

La evidencia experimental respaldó la mayoría de las proposiciones de su Libro de Óptica y fundamentó sus teorías sobre la visión, la luz y el color, así como su investigación en catóptrica y dióptrica. Su legado se desarrolló a través de la «reforma» de su Óptica por Kamal al-Din al-Farisi (m. 1320) en su Kitab Tanqih al-Manazir ( La revisión de la Óptica de [Ibn al-Haytham] ). ^{[ 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 se interesan por otras cosas. Encontrar la verdad es difícil, y el camino hacia ella es arduo. ... ^{[ 5 ]}

El trabajo de Alhazen incluía la conjetura de que "la luz viaja a través de cuerpos transparentes solo en línea recta", la cual pudo corroborar tras años de esfuerzo. Afirmó: "[Esto] se observa claramente en las luces que entran en 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 incluso a criticar a Aristóteles por su escasa contribución al método de inducción, que Ibn al-Haytham consideraba no solo superior al silogismo, sino también un requisito fundamental para la 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 hacia los ojos, afirma que, por lo tanto, «la extramisión de rayos [visuales] es superflua e inútil». ^{[ 8 ]} También pudo 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 los fenómenos naturales», y que la comprensión de estos no puede adquirirse sin las matemáticas. Tras 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 toma en cuenta son aquellas tratables mediante la geometría y verificables experimentalmente. ^{[ 9 ]}

Las afirmaciones de Roger Bacon en el Opus Majus de que "las teorías aportadas por la razón deben ser verificadas mediante datos sensoriales, ayudadas por instrumentos y corroboradas por testigos fidedignos" ^{[ 10 ]} fueron (y siguen siendo) consideradas "una de las primeras formulaciones importantes del método científico registradas". ^{[ 11 ]}

Galileo Galilei, como científico, realizó experimentos cuantitativos sobre diversos temas. Utilizando diferentes métodos, logró medir el tiempo con precisión. Anteriormente, la mayoría de los científicos habían utilizado la distancia para describir la caída de los cuerpos, aplicando la geometría , que se había utilizado y validado desde Euclides . ^{[ 12 ]} El propio Galileo empleó métodos geométricos para expresar sus resultados. Sus éxitos se vieron favorecidos por el desarrollo de una nueva rama de las matemáticas, 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 alcanzaran la misma sofisticación que los geométricos. Además, permitió resumir los descubrimientos de científicos como Galileo —y de otros posteriores como Isaac Newton , James Clerk Maxwell y Albert Einstein— mediante ecuaciones matemáticas . Estas ecuaciones describían las relaciones físicas de forma precisa y coherente.

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 la caída y registrar, con bastante precisión, los tiempos en 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 la Caída Libre de Aristóteles, la bola de acero más pesada llegaría al suelo antes que la más ligera. La hipótesis de Galileo era que ambas bolas llegarían al suelo al mismo tiempo.

Aparte de Galileo, pocas personas de su época eran capaces de medir con precisión periodos cortos de tiempo, como el tiempo de caída de un objeto. Galileo midió con precisión estos periodos cortos de tiempo creando un pulsilógono. Esta era una máquina creada para medir el tiempo usando un péndulo . ^{[ 15 ]} El péndulo estaba sincronizado con el pulso humano . Lo usó para medir el tiempo en el que las bolas con peso pasaban por las marcas que había hecho en el plano inclinado. Sus mediciones revelaron que las 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 ]} Científicos posteriores resumieron los resultados de Galileo como La ecuación de los cuerpos en caída libre . ^{[ 17 ] [ 18 ]}

Estos resultados respaldaron la hipótesis de Galileo de que los objetos de diferente peso, cuando se miden en el mismo punto de su caída, caen a la misma velocidad porque experimentan la misma aceleración gravitatoria.

Los experimentos de Antoine Lavoisier (1743-1794), químico francés considerado el fundador de la química moderna, fueron de los primeros en ser verdaderamente cuantitativos. Lavoisier demostró que, si bien la materia cambia de estado en una reacción química , la cantidad de materia es la misma al final que al principio de cada reacción. En un experimento, quemó fósforo y azufre en el aire para comprobar si los resultados respaldaban 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 repetir el experimento. 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. Estos experimentos proporcionaron un mayor respaldo 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 un mismo proceso, y que la combustión se produce con cada respiración. En colaboración con Pierre-Simon Laplace , Lavoisier diseñó un calorímetro de hielo para medir la cantidad de calor liberado durante la combustión o la respiración. Este aparato constaba de tres compartimentos concéntricos. El compartimento central contenía la fuente de calor, en este caso, un conejillo de indias o un trozo de carbón encendido . El compartimento intermedio contenía una cantidad específica de hielo para que la fuente de calor se derritiera. El compartimento exterior contenía nieve compactada como aislante. Lavoisier midió la cantidad de dióxido de carbono y la cantidad de calor producidas al confinar un conejillo de indias vivo en este aparato. También midió el calor y el dióxido de carbono producidos al quemar un trozo de carbón en el calorímetro. Con estos datos, concluyó que la respiración era, de hecho, un proceso de combustión lenta. Además, descubrió, mediante 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 derretían 13 oz (370 g) de hielo en el calorímetro. Al convertir los granos a gramos y usar la energía necesaria para derretir 13 oz (370 g) de hielo, se puede calcular que por cada gramo de CO₂ _producido , se producían aproximadamente 2,02 kcal de energía por la combustión del carbono o por la respiración en los experimentos de calorimetría de Lavoisier. Esto se compara bien con el calor de combustión moderno publicado 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, por tanto, una combustión", es decir, el intercambio de gases respiratorios es combustión, como la de quemar 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 igual a 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 fermentar la mezcla. 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 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 permanecía igual. De igual modo, demostró experimentalmente que la masa de los productos de combustión es igual a la masa de los ingredientes que reaccionan.

El biólogo francés Louis Pasteur (1822-1895), considerado el "padre de las ciencias microbiológicas e inmunológicas", trabajó durante el siglo XIX. ^{[ 24 ]} Postuló —y apoyó con resultados experimentales— la idea de que los agentes patógenos 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 aviar , el ántrax y la rabia , y desarrolló métodos para reducir las bacterias en algunos alimentos mediante el calentamiento ( 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 la época creían que la vida microscópica surgía de la generación espontánea en la materia inerte.

Las observaciones de Pasteur de organismos diminutos bajo el microscopio le hicieron dudar de la generación espontánea. Diseñó un experimento para comprobar su hipótesis de que la vida no podía surgir donde no la hay. Se aseguró de controlar posibles factores de confusión. Por ejemplo, necesitaba asegurarse de que no hubiera vida, ni siquiera microscópica, en los matraces de caldo que utilizaba como medio de prueba. Decidió eliminar cualquier organismo microscópico presente hirviendo el caldo hasta estar 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 comprobar adecuadamente la teoría. Un colega sugirió un matraz con un cuello en forma de "S" girada de lado. El polvo (que Pasteur creía que contenía microorganismos) quedaría atrapado en la parte inferior de la primera curva, pero el aire fluiría libremente. ^{[ 25 ]}

Así, si las bacterias se generaran espontáneamente, deberían crecer en el matraz después de unos días. Si no ocurriera la generación espontánea, el contenido de los matraces permanecería inerte. El experimento parecía concluyente: no apareció ni un solo microorganismo en el caldo. Entonces Pasteur dejó 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 diversas condiciones y lugares para asegurarse de que los resultados fueran correctos. De esta manera, Pasteur apoyó su hipótesis de que la generación espontánea no ocurre. ^{[ 26 ]} A pesar de que los resultados experimentales respaldaban sus hipótesis y su éxito curando o previniendo diversas enfermedades, corregir la idea errónea del público sobre 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 asolaba la industria francesa de la seda en 1865. Tras un año de trabajo diligente, identificó correctamente al organismo responsable y ofreció consejos prácticos para desarrollar una población sana de polillas. Sin embargo, al poner a prueba sus propios consejos, descubrió que la enfermedad seguía presente. Resultó que había acertado, pero la solución era incompleta: había dos organismos implicados. Fueron necesarios dos años más de experimentación para encontrar la solución completa. ^{[ 27 ]}

• Lista de experimentos

• Bell, Madison Smartt (2005) Lavoisier en el Año Uno .. WW Norton & Company, Inc. ISBN 0-393-05155-2
• Borlik, Todd Andrew (2013). «Más que arte: Autómatas mecánicos, el actor improvisador y la cabeza descarada en Friar Bacon y Friar Bungay ». En Hyman, Wendy Beth (ed.). El autómata en la literatura del Renacimiento inglés . Ashgate Publishing, Ltd. ISBN 978-1-4094-7884-3.
• Holmes, Frederic Lawrence (1987) Lavoisier y la química de la vida: una exploración de la creatividad científica , Univ. Wisconsin Press. Reimpresión. ISBN 978-0-299-09984-8.
• Dubos, René J. (1986) Louis Pasteur: Free Lance of Science . Prensa Da Capo. ISBN 978-0-306-80262-1
• Kupelis, Theo; Kuhn, Karl F. (2007) En busca del universo . Jones and Bartlett Publishers. ISBN 978-0-7637-4387-1.