(Ciencias de Joseleg)( Biología)( Introducción y biología celular)(Iniciando en Ciencias Naturales) (Introducción)(Historia de las ciencias)(Epistemología de las ciencias)(Teorías, fenómenos e hipótesis)(de los experimentos a las leyes)(La humanidad de la ciencia)(Las principales ciencias de la naturaleza)(Referencias bibliográficas)(Versión documento word)
Figura 14. El laboratorio. Es muy raro encontrar un
laboratorio en uso que esté "ordenado en el sentido tradicional".
La observación es pues un fenómeno al azar que no está
guiado o mediado por un modelo teórico, la experimentación por el contrario
basa su trabajo en los proyectos de investigación de los modelos teóricos.
Adicionalmente existe otra diferencia entre lo que es la observación y lo que
es la experimentación y todos tienen que ver con el concepto de verdad. Por lo
general se tiene la idea de que los experimentos permiten comprobar la verdad o
falsedad de una teoría, pero esto es una tergiversación. Esto es porque los
modelos teóricos no se miden en base al criterio de verdad o mentira. El
concepto de verdad absoluto solo es alcanzable cuando se pueden observar todos
los estados de un sistema de estudio que son, fueron y serán en TODO EL UNIVERSO. Debido a que es
evidentemente imposible alcanzar tal criterio de verdad absoluta, los modelos
teóricos aspiran a representar de una forma adecuada los fenómenos conocidos en
un momento determinado. De esta forma los modelos son solo transitorios,
aproximaciones a la verdad, pero no la verdad absoluta. En este sentido la
experimentación permite rastrear que también funciona el modelo teórico para
representar los fenómenos medibles. Y los fenómenos medibles se obtienen
mediante la experimentación planeada y no mediante
Son aquellos eventos de la realidad que emergen de la manipulación, o de la observación consciente de la naturaleza. Se cree que todos los fenómenos experimentales se obtienen en un laboratorio y se interpretan directamente por medio de los sentidos, de allí la expresión “ha sido observado, no ha sido observado” como si toda la ciencia dependiera exclusivamente del sentido de la vista. Como bien dice Hume, la ciencia excede los fenómenos, pero también es posible afirmar que la mayoría de los fenómenos exceden por mucho nuestros sentidos, especialmente la vista, órgano que puede ser engañado con suma facilidad.
Figura 15. El campo. Los experimentos no se confinan
a los laboratorios. Cuando hacemos experimentos fuera de las paredes de un
laboratorio, sin importar el lugar, lo denominamos campo.
De acuerdo con lo anterior, se emplean instrumentos que
amplifican nuestros sentidos, el microscopio nos permite seguir “observando”
los fenómenos, lo mismo el telescopio. Sin embargo, existen fenómenos que no
son posibles de “observar con los ojos”, y por lo tanto deben ser medidos
mediante cálculos que los interpretan. De lo anterior podemos postular cuatro
adjetivos de los fenómenos obtenidos mediante experimentación.
·
Fenómenos directos/indirectos, dependiendo de
cuanta interpretación lógico-matemática es necesaria para llegar a ellos.
· Los fenómenos de campo/laboratorio dependiendo
de cómo son controladas las variables experimentales, entre menos variables
mayor control experimental.
Son aquellos fenómenos que no pueden obtenerse en un
laboratorio debido a que el objeto de estudio que los genera es demasiado
grande, o a que no existe o no existía laboratorio para estudiarlos al ser
demasiado complejos o demasiado costosos para poder ser reproducido de forma
satisfactoria en un laboratorio. Nuevamente, el uso de instrumentos debe ser
mínimo, y estos no deben generar una reinterpretación de la realidad tan
marcada. Por ejemplo, los telescopios ópticos. Este puede ser el tipo de fenómenos
experimentales más antiguo ya que es el fundamento de la ciencia de la
astronomía.
La astronomía es la ciencia que estudia el movimiento de los cuerpos celestes. Originalmente no se empleaban instrumentos, pero la información recolectada podía ser consignada por medio de dibujos y valores matemáticos. Evidentemente antes de las computadoras no podía reducirse el cielo al laboratorio, y al no tener tecnología de lentes los cosmólogos debían contentarse con una buena vista y una noche clara para poder poner a prueba sus hipótesis de sobre cómo es que los objetos del cielo se mueven.
Figura 16. La medición. La colorimetría genera un
fenómeno experimental de laboratorio que puede percibirse sin cálculos,
instrumentos o razonamientos y es el cambio de color. Este fenómeno directo sin
embargo es la base para realizar razonamientos que permiten de forma indirecta
encontrar el fenómeno subyacente que genera el cambio de color. Sin embargo al
aplicar instrumentos de medición de color, es posible realizar predicciones muy
confiables, a las cuales nuestros ojos no alcanzarían.
Los definiremos como aquellos fenómenos que son accesibles
por medio de los sentidos sin la necesidad de emplear razonamientos lógicos,
instrumentos, o interpretaciones matemáticas. Estos fenómenos se obtienen en
condiciones de laboratorio, donde las variables pueden ser controladas, y los
procedimientos repetidos. Son observaciones relativamente simples, pero de índole
cualitativo, como colores, aromas, texturas, comparaciones relativas.
La expresión de fenómenos directos o indirectos no es
absoluta, es decir existe una escala continua entre cuan directo y cuan indirecto
es un fenómeno estudiado. Un fenómeno absolutamente directo es aquel que no
requiere de los instrumentos, es decir, es percibido por nuestros sentidos sin
ningún mecanismo intermediario; y adicionalmente no necesita de un razonamiento
lógico para percibirlo. Instrumentos tan simples como una regla ya empiezan a
generar una mediación, una interpretación del mundo externo sobre lo que
percibimos.
En la medida en que los instrumentos se hacen más complejos,
una mayor gama de fenómenos, se hacen accesibles, pero siempre debe tenerse en
cuenta que es el instrumento el mediador para su percepción. Los cambios
tecnológicos alteran el modo de mediación, y por lo tanto el modo en que se
interpretan los fenómenos. Los instrumentos más sofisticados generan representaciones
matemáticas, no generan imágenes.
En biología un ejemplo de fenómenos experimentales obtenidos
en el laboratorio son las microfotografías de los microscopios ópticos en los
que la imagen sigue siendo una imagen generada por luz y perceptible por medio
de los sentidos. La imagen no requiere de una reinterpretación por medio de
cálculos matemáticos o razonamientos complejos. Otro ejemplo es el de la
modificación genética para algunos rasgos, cuyos resultados son evidentes a
simple vista sin el apoyo de instrumentos, como por ejemplo la modificación de
ratones de laboratorio para producir el cartílago de la oreja humana. El
fenómeno experimental es más directo en cuanto se empleen instrumentos menos
sofisticados.
Figura 17. Medición indirecta, la apuesta
científica. El capítulo 1 de la temporada 1 de la serie
Doctor House,
en esta puede observarse como una serie de síntomas examinados de forma directa
en el laboratorio permiten diagnosticar la causa subyacente, una parásito del
sistema gastrointestinal llamado tenia o solitaria, o más precisamente su larva
en el cerebro del paciente llamada cisticerco.
Se obtienen en el laboratorio bajo condiciones
experimentales, pero adicionalmente deben ser racionalizados. Es decir, los
exámenes de laboratorio revelan una serie de fenómenos más o menos directos,
pero que si no se los conecta mediante algún razonamiento no sirven para nada.
Cuando estos fenómenos son conectados mediante una causa global, esta causa es
nuestro fenómeno observado de forma indirecta, es posible señalar su presencia
aun cuando no es posible percibirlo de forma directa. Muchas veces esta conexión
e interpretación requiere del apoyo de instrumentos más sofisticados y de
computadoras que digitalizan la información y generan la conclusión. En
ocasiones en este tipo de fenómenos se genera la duda de si el fenómeno tiene
una naturaleza real o si por el contrario es solo una fumada mental que por
casualidad sirve para explicar la información que se posee. Por otro lado, los
fenómenos indirectos son de hecho causas hipotéticas hasta que se demuestra su
naturaleza física real "o algo que se le acerque".
El diagnóstico médico es el ejemplo más pertinente sobre
fenómenos que se perciben de forma indirecta. En general se requiere de una
serie de exámenes médicos que revelan una serie de fenómenos, a los que podemos
catalogar como relativamente directos. Estos fenómenos son síntomas “que son
los más directos” o resultados de exámenes de laboratorio “menos directos”, los
cuales al racionalizarse permiten percibir una causa subyacente que es el
fenómeno indirecto. Los fenómenos indirectos generalmente se describen más
fácilmente en términos cuantitativos, es decir como números que interpretan
unos objetos de estudio.
En este caso tenemos un sistema de estudio muy grande, complejo o costoso para reducir a un laboratorio y que adicionalmente su fenómeno subyacente solo puede ser percibido de forma indirecta. Un ejemplo de ello es el fenómeno de la expansión del universo.
Figura 18. Midiendo la naturaleza. El cielo que se observa con los ojos no es el mismo que puede observarse con telescopios, y del mismo modo, un telescopio más avanzado puede mostrar un cielo diferente que el observado con uno de menor calidad. Si asumimos una realidad real, el cielo siempre es el mismo, pero la percepción que tenemos de él es interpretada por el instrumento haciendo parecer que son cielos diferentes.
Figura 19. El campo cambia los datos. La medición no es un trabajo
sencillo en el campo, pues variables externas pueden afectar lo que puede
medirse. De izquierda a derecha, la
interferencia causada por la luz artificial para ver el cielo nocturno: 9.
Cielo de una ciudad en su centro urbano; 7. Un barrio luminoso; 5. Barrio; 3.
Pueblo; 1. Ambiente sin luces
artificiales.
Para llegar a esta conclusión se emplea un fenómeno más
directo llamado efecto Doppler que afecta a las ondas de luz. Generalmente los
materiales de los soles tienen un patrón de color fijo, como si fuera un código
de barras. Sin embargo, con el tiempo este código de barras se va corriendo
poco a poco hacia el rojo, lo que revela que las ondas de luz se hacen cada vez
más largas. Como las ondas largas son generadas por objetos más distantes se
emplea el siguiente razonamiento.
Premisas
·
Las ondas largas son generadas por objetos muy
distantes.
·
Cuando las ondas se alargan los objetos se
alejan.
·
La luz es una onda.
·
El color rojo está compuesto por ondas de luz
muy largas.
·
La luz emitida por los soles se corre hacia el
rojo.
Conclusión
·
Los soles se alejan cada vez más, lo que es
igual a que los soles se alejan de la Tierra.
Concordancia
entre hipótesis y fenómenos
Las hipótesis de trabajo generan consecuencias que son
susceptibles de comparar con los fenómenos experimentales, por lo que ambas
deben tener la misma dimensión. Si el fenómeno experimental es una estructura,
la hipótesis debe predecir cómo es esa estructura. Si el fenómeno experimental
es un valor numérico, la hipótesis debe predecir un intervalo entre el cual se
encuentre el número encontrado de forma experimental. La concordancia se
descubre por medio de métodos estadísticos. Si la hipótesis no puede generar
consecuencias que concuerden con algún método experimental conocido, esa
hipótesis debe permanecer como tal hasta que la tecnología avance. Si se
generan excusas para que aun con el avance tecnológico esta nunca pueda
compararse con algún fenómeno, esta no es científica. En otras palabras, para
que una hipótesis sea científica esta debe ser susceptible de encontrar un
fenómeno para contrastarla.
Puede ser el caso de que los fenómenos experimentales
obtenidos en una primera ronda de experimentación no concuerden con las
consecuencias de la hipótesis de trabajo. En tal caso, contrario de lo que se
piensa, los investigadores no refutan sus hipótesis tan fácilmente. Por lo
general lo que se hace es modificar las condiciones de los experimentos “en el
laboratorio” o incrementar la muestra de estudio “si es en el campo” para poder
concluir de forma acertada. Con regularidad se encuentra que lo que en primera
instancia parecía una refutación de la hipótesis de trabajo no era más que un
artefacto producido por un mal diseño experimental.
Los fenómenos experimentales o datos son medidos bajo dos
criterios de calidad: (1) Precisión y (2) exactitud. La precisión es la medida
de repetibilidad de un fenómeno, un fenómeno que se repite de forma consistente
en cada ronda experimental, es decir cuyos datos son concordantes cada vez que
se experimenta es un dato preciso. La exactitud es la medida de un fenómeno
sobre un valor que se sabe de antemano que es exacto.
Un ejemplo de ello es el tiro al blanco, los fenómenos
experimentales pueden arrojar datos que son: (A) imprecisos e inexactos,
completamente inservibles para la ciencia; (B) Exactos pero imprecisos, en los
que, aunque el promedio de todos arroje el valor exacto, no son repetibles, y
sin repetibilidad tampoco sirven para la ciencia; (C) Precisos pero inexactos,
los valores son repetibles pero no concuerdan completamente con la realidad;
(D) Precisos y exactos, datos reales y repetibles.
Como se recordará, en las ciencias no se trabaja con el
concepto de verdad ya que este es inalcanzable, si lo aplicamos a la alegoría
del tiro al blanco significa que los dardos nunca darán todos en el blanco, lo
que se busca es que estos se acerquen lo más posible al blanco, aunque nunca se
pueda alcanzar.
El diseño experimental posee dos fuentes de errores que
causan que los datos obtenidos pierdan precisión y exactitud. Los errores
metodológicos son las imitaciones del diseño experimental. Si el diseño
experimental es malo poseerá un alto grado de error experimental; si por el
contrario el diseño experimental es muy bueno el nivel de error experimental es
menor.
No se considera que exista un método libre de errores
experimentales, pues no existe un diseño experimental que sea perfecto. Los
errores de procedimiento es aquel causado por los seres humanos al emplear de
forma errónea los instrumentos, anotar mal los valores, entre otros. Es un
error humano intrínseco al método. Ambos métodos se corrigen con repeticiones,
el primero repitiendo con diseños experimentales diferentes, y la otra
repitiendo el diseño experimental con investigadores diferentes. Ambos errores
reciben un tratamiento cuantitativo por métodos matemáticos-estadísticos.
En muchas ocasiones los fenómenos obtenidos arrojan datos que
no concuerdan con las hipótesis debido a que el diseño experimental es
defectuoso. Esto puede causarse por interferencias del medioambiente. Un
ejemplo de ello ocurre con los telescopios. Las luces de las ciudades
interfieren con la luz de las estrellas, haciendo parecer que hay menos
estrellas en el firmamento de las que en realidad existen.
A medida que se traslada el puesto de observación a un punto
con menos luces artificiales la calidad de la observación va mejorando. Es
responsabilidad del investigador ajustar las condiciones experimentales de
forma racional para que la refutación o aprobación de sus hipótesis dependa de
los fenómenos en sí mismos y no de las interferencias y artefactos de un mal
diseño experimental
Mucho de lo que se hace en los experimentos cuantitativos se
reduce a, comparar entre grupos de números, un grupo de números son los
teóricos o esperados, y el segundo grupo son los datos experimentales; o puede
darse el caso que los dos grupos de datos sean experimentales bajo diferentes
condiciones o variables. Aunque teóricamente un conjunto de números al medir la
misma variable de la misma manera debería arrojar el mismo valor, en la
realidad lo que se obtienen valores cercanos, pero no exactamente iguales, por
lo que se genera el problema de la subjetividad y el punto de vista. Al ser
números decir que casi se parece no nos sirve, esto nos lleva a la pregunta,
¿Cómo determinar de manera objetiva que un grupo de números es diferente de
otro?
Para responder a esta pregunta usamos la estadística, la
cual es una rama de las matemáticas y del cálculo integral. Los científicos
usan la estadística debido a que aún las medidas de fenómenos invariables,
poseen variaciones debido a errores de uso de las maquinas o al error
intrínseco que posee una máquina. Aun
cuando todo es igual, el ambiente y el operario introducen una fuente de
variación.
A la variación introducida por las máquinas y los operarios
la denominamos ruido. La variación real puede ser sesgada o aleatoria, y en
ocasiones el ruido puede hacer difícil diferenciar se una variación es sesgada
o aleatoria. Y allí es donde entran las herramientas estadísticas. El objetivo
de desarrollar y mejorar nuevos aparatos de medición en ciencia, es reducir la
cantidad de ruido, y lograr unas mediciones más repetibles.
Las leyes de la naturaleza son cada una de
las relaciones existentes entre algunas variables al interior de un fenómeno.
Las leyes son producidas por la consistencia de los datos obtenidos por
diversos modelos experimentales con hipótesis propuestas por el modelo teórico.
La ley y la hipótesis difieren en que esta última se postula antes de hacer la
experimentación, mientras que la ley es el producto de la experimentación.
1
La segunda ley de Newton: Descripción
semántica: Si una masa "m" experimenta una aceleración "a" implica que hay una fuerza "F" actuando sobre ella; de forma tal que multiplicando la masa
por la aceleración se tiene la suma de todas las fuerzas que actúan sobre la
masa.
En física y las ciencias de la naturaleza generalmente
poseen una forma matemática, y entre más simple mejor. Aunque no siempre es el
caso. Sin embargo, las leyes más universales son aquellas que se describen
mediante una fórmula matemática simple.
Al ser relaciones estadísticas entre variables, la
definición con la palabra ley es meramente un recurso retórico. Las leyes son
regularidades, pero la causa de esas regularidades es desconocida. En base a la
filosofía de Santo Tomás de Aquino las leyes se pueden denominar causas
secundarias que describen las regularidades de la naturaleza. Sin embargo, a
diferencia de la convicción del Doctor de la Iglesia Católica, a existencia de
una causa primaria “a la cual él llama Dios” es un tema que escapa del dominio
de las ciencias de la naturaleza. Las leyes que estudian la naturaleza pueden
dividirse en tres campos de los cuales se desprende todos los demás: La física,
la química y la biología. No se las ha conocido así siempre, en la edad media
la física englobaba a todas las demás y recibía el nombre de filosofía natural.
La química era denominada alquimia, y la biología se llamaba historia natural.
De las tres, la primera en introducir las matemáticas fue la
filosofía natural. El libro que escribió el padre de la física Isaac Newton
"1643-1727" se denominaba “Principios Matemáticos de Filosofía
Natural. Newton no fue el primero en introducir leyes como expresión de
relaciones entre variables reduccionistas en forma de una fórmula matemática,
el primero fue Galileo Galilei "1564-1642", pero Newton si fue el
primero en emplearlas de forma tan extensiva. De hecho, lo hizo a tal nivel que
en su estudio de la naturaleza se inventó toda una rama de la matemática
llamada el cálculo diferencial. Esto se dio en el intermedio del siglo XVII al
XVIII. Para el siglo XIX todas las demás ciencias empezaron a buscar sus
propias leyes simples con mayor o menor éxito.
2
Resulta difícil realizar más afirmaciones a cerca de las
leyes ya que su definición sigue siendo un tópico abierto al interior de la
epistemología de las ciencias. Las leyes son similares a los axiomas
matemáticos, pues sus causas últimas no pueden ser explicadas, pero ellas
mismas sirven para construir los modelos teóricos más generales.
Descubrir una ley universal con una fórmula matemática
simple es un gran honor en el mundo de las ciencias, tanto así que al descubridor
le es permitido ponerle su apellido, ejemplos son:
·
Las leyes de los gases: Ley de Boyle, Ley de
Gay-Lussac, Ley de Carles.
·
Las leyes de la genética de Mendel.
·
Las leyes de Newton.
Finalmente, muchas leyes famosas pueden ser interpretadas de
forma semántica, es decir, transformar una fórmula matemática en una frase que
intenta explicarla. Aunque resulta útil, muchas veces la frase con texto no es
capaz de representar con total eficacia a lo que está contenido en la fórmula
matemática. Por ejemplo, la primera ley de la termodinámica.
3
La primera ley
de la termodinámica.
Que generalmente se describe como: La energía no se crea o
se destruye, solo se transforma.
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