Title: ¿Cómo piensan y trabajan los científicos?
Course: Física Plus + 2 BGU

¿Cómo piensan y trabajan los científicos?

¿Cómo piensan y trabajan los científicos?

“Vivimos en un universo extraño y maravilloso. Se necesita una extraordinaria imaginación para apreciar su edad, tamaño, violencia, e incluso su vasto cosmos es insignificante; quizá por ello tratamos de encontrarle un sentido y de ver cómo encajamos en él” (Hawking & Mlodinow, 2008, p. 17).

¿Qué impulsa al ser humano a escudriñar el universo?

Sin duda, lo que lo impulsa es la incesante búsqueda de aquel conocimiento que lo acerque a la verdad, a responder preguntas que le permitan comprender su existencia y el todo que lo rodea. Es por ello que el ser humano rasga con su mirada las inmensidades del cosmos y las minúsculas partículas en donde pretende encontrar su propio origen.

¿Qué es la ciencia?

“La ciencia puede ser definida de muchas maneras diferentes. Puede ser considerada como un esfuerzo colectivo de una multitud de investigadores, escépticos y pragmáticos, que basan sus conclusiones en una cuidadosa y progresiva búsqueda de hechos por medio del uso sistemático y constante de los experimentos, con gran respeto por la evidencia objetiva” (Jaffe, 2017, p. 50).

La palabra ciencia tiene un origen latino: scientia, que significa conocer. Al conjunto de conocimientos obtenidos de forma sistemática, estructurados y enmarcados en un ámbito definido, los llamamos ciencia. La disciplina de la física pertenece a un conjunto de ciencias denominadas ciencias experimentales o fácticas.

Las ciencias se componen de un conjunto de conocimientos denominados conocimientos científicos, cuyo origen se halla en la acumulación de diversas experiencias humanas que buscan respuestas a preguntas que han inspirado al ser humano desde sus orígenes.

La fundamentación de un conocimiento científico radica en la máxima posibilidad de ser comprobado, en cualquier momento y en cualquier espacio. Para esto, un conocimiento científico debe poseer las siguientes características que se enumeran en la imagen
de la izquierda.

El método científico

Para llegar a un conocimiento científico, las ciencias basan sus investigaciones en el método científico.

El método científico es un conjunto de pasos que, por medio de la rigurosidad de procedimientos,  intenta lograr la mayor objetividad en la observación, obtención de datos, análisis, emisión de conclusiones y evaluación de resultados.

Además, el método científico busca perfeccionar sus procedimientos; deja siempre abierta la posibilidad de ampliar y corregir una investigación o de modificar una teoría.

▲ Gran colisionador de hadrones.

Etapas del método científico

Al observar la naturaleza, nos preguntarnos el porqué es así y al mismo tiempo elaboramos una presunta respuesta a esta interrogante. Este hecho ha dado origen a una multitud de acciones humanas a las que se les ha llamado experimentos.
El resultado de las experimentaciones nos ha acercado a conocer cómo funciona el universo y a establecer teorías que permiten, con bastante precisión, predecir su comportamiento.

▲ Stephen Hawking.

La observación

¿Cómo conocemos aquello que esta fuera y dentro de nosotros?

Cualquier investigación se inicia en la observación. Lo que conocemos proviene de la contemplación que nuestros sentidos hacen de una realidad. Con ellos podemos percibir los colores, diferenciar lo cálido de lo frío, distinguir sabores, olores, sonidos, texturas.

Por mucho tiempo, y aún ahora, incontables fenómenos de la naturaleza nos son invisibles debido a la funcionalidad de nuestros sentidos. Podemos observar sus efectos, pero no lo que los origina. Esto ha hecho que los seres humanos inventen aparatos que amplifiquen su capacidad de observación, que hagan visible lo invisible; así, han inventado aparatos como los telescopios, las antenas, los espectrómetros, los lentes infrarrojos, entre otros.

▲ Isaac Newton en sus cavilaciones bajo un manzano.

Galileo, el método científico y el movimiento de los cuerpos

Desde la época de Aristóteles (384-322 a. C.), se creía que los cuerpos se movían de acuerdo con su naturaleza celestial o terrenal. Los astros, planetas y estrellas poseían un movimiento natural, y tendían a permanecer moviéndose eternamente en la estela celeste. Sin embargo, los cuerpos terrenales eran atraídos por la Tierra y tendían a caer sobre su superficie. Además, la gente creía que los cuerpos pesados caían más rápido que los ligeros. Así, una piedra descendía más deprisa que una pluma. Hasta el siglo XVII, se decía que los cuerpos en la Tierra solo podían moverse si un ser vivo provocaba el movimiento (por ejemplo: un caballo podía propulsar una carreta). Esta observación solo era válida para un grupo de objetos, pero no explicaba por qué el mar, el viento y los cuerpos que caen se mueven sin que nada los anime.

Isaac Newton y el método científico

Desde el siglo IV a. C. se mantenía la idea aristotélica de que el estado natural de los cuerpos que se hallaban en la Tierra era permanecer en reposo. Solo hasta el siglo XVII d. C., Galileo Galilei (Italia, 1574-1642) contradijo esta idea, añadiéndoles a los cuerpos la propiedad de la inercia (del latín inertĭa que significa pereza o inacción). Para Galileo, el reposo de un cuerpo era solo relativo al punto de vista. El estado natural de los cuerpos en el universo es siempre hallarse en movimiento. Por ello, pensaba que lo que debe interesarnos estudiar es lo que causa y cambia el estado de movimiento de los cuerpos.

Al igual que Galileo y Aristóteles, Isaac Newton (Inglaterra, 1642-1727) observó que los cuerpos pequeños caían más lentamente que los cuerpos de mayor tamaño, pero coincidía con Galileo en que esto no se debía a su peso, como decía Aristóteles, sino a la resistencia que el aire ejercía sobre los cuerpos por el hecho de rozarlos mientras se deslizaban a través de él.

A partir de las ideas de Galileo sobre la inercia, y el desplome del pensamiento aristotélico sobre el movimiento, Newton se interesó en establecer el efecto que producía la presencia del aire en la caída de los cuerpos y el rozamiento de los cuerpos cuando se movían sobre diversas superficies.

Las preguntas que se planteó ante sus primeras observaciones fueron:

¿Qué sucedería si un objeto se moviera sin que nada le produjera rozamiento?

¿Qué sucedería si un cuerpo se moviera en el vacío?

▲ Newton observa la manzana caída.

La hipótesis

Cuando observamos un fenómeno físico y queremos explicar el porqué de su comportamiento, conjeturamos y elaboramos ideas que respondan estas cuestiones. A estas proposiciones se las conoce como hipótesis.

Las hipótesis se componen de las ideas o suposiciones que se plantean con el fin de explicar las causas, la relación o el efecto que provoca el fenómeno observado.

Toda la actividad investigativa tiene como fin validar o negar la hipótesis y responder a la pregunta que inició la actividad investigativa.

▲ Albert Einstein.

En el siglo XVII, las ideas acerca del movimiento de los cuerpos –ya sean estos terrenales o celestes– se hallaban desordenadas. Por una parte, estaban las ideas de Galileo sobre la inercia, y por otra, las ideas del astrónomo alemán Johannes Kepler (1571-1630), y sus leyes sobre el movimiento de los planetas.

Newton pensó que los cuerpos retardaban sus movimientos debido a fuerzas que actúan sobre ellos en contra de su movimiento. Cuanta menos resistencia presentaba el espacio por donde se mueven los cuerpos, este movimiento tendería a prolongarse.

Las hipótesis de Newton

“Los proyectiles perseveran en sus movimientos, a no ser en la medida en que son retardados por la resistencia del aire y son empujados hacia abajo por la fuerza de la gravedad. Una rueda, cuyas partes en cohesión se retraen continuamente de los movimientos rectilíneos, no cesa de dar vueltas sino en la medida en que el aire la frena. Los cuerpos mayores de los cometas y de los planetas conservan por más tiempo sus movimientos, tanto progresivos como circulares, que tienen lugar en los espacios menos resistentes” (Shapiro, 2017).

La experimentación

La parte experimental es la que permite obtener datos del fenómeno investigado. Para ello se requiere que el fenómeno sea estudiado de forma aislada y bajo condiciones controladas.

En la experimentación es importante:

Diseñar el experimento, lo cual facilitará la toma de datos y el control de las condiciones ideales para observar el fenómeno sin interferencias.

Definir las variables que se medirán. En el caso de la física, se manejan tres tipos de variables:

- la variable independiente,

- la variable dependiente,

- la variable controlada.

Adaptado de la teoría psicoanalítica de Ricardo Palma.

Medir (o cuantificar el fenómeno) corresponde a la generación de datos cuantificados, los cuales se recolectan en tablas, se procesan y se analizan.

Newton introdujo la palabra “fenómeno” en sus experimentos para identificar aquello que era el objeto de observación y cuantificación. Tras realizar experimentos con diversos cuerpos en caída libre, observó que solo en los cuerpos pequeños, el aire retardaba de forma considerable su caída, pero los cuerpos de mayor tamaño casi no se veían afectados por la resistencia que ofrecía el aire a su paso. También probó con el movimiento de los cuerpos en diferentes superficies, observando que, en superficies lisas, los cuerpos conservaban el movimiento por un tiempo más prolongado. Sin nada que los roce, los cuerpos se mueven en línea recta por tiempo indefinido. Con relación a los planetas, estos no se mueven en línea recta debido a una fuerza que curva su trayectoria.

El fenómeno observado

En uno de sus borradores, Newton escribe: “Llamo fenómeno a lo que puede percibirse, bien sean cosas externas que se conocen por los cinco sentidos o cosas internas que contemplamos en nuestra mente al pensar. Como que el fuego es caliente y el agua es húmeda, el oro es pesado, y el sol luminoso, yo soy y yo pienso. Todas estas son cosas sensibles y pueden llamarse fenómenos en un sentido amplio; aquellas cosas son propiamente llamadas fenómenos, las que pueden verse, pero entiendo la palabra en un sentido más amplio” (Shapiro, 2017).

▲ La descomposición de la luz.

Las conclusiones

Una vez que los datos son analizados, se puede extraer de ellos las conclusiones. Para la física, las conclusiones parten del procesamiento de una suficiente cantidad de datos.

Se pueden obtener conclusiones a partir de los resultados obtenidos en:

- la correlación que existe entre las variables;

- la gráfica (sea esta lineal, polinómica, logarítmica, entre otras);

- el significado de la pendiente, de la derivada, y otros;

- la propagación de la incertidumbre.

Las conclusiones confirman o niegan la hipótesis y responden a la pregunta que generó la investigación.

Por último, si en varios experimentos una hipótesis es validada por expertos, esta se acepta como una teoría científica.

Luego de sus repetidos experimentos y observaciones del movimiento de los cuerpos terrenales y celestes, Newton escribió sus conclusiones en tres libros muy importantes para la física: Principia Mathematica. En ellos establece las leyes del movimiento, y recalca la importancia de que las conclusiones deben estar basadas en los resultados de los experimentos y las repetidas observaciones: “Y no hay otra forma de hacer alguna cosa con certeza, sino trazando conclusiones de los experimentos y de los fenómenos hasta que se llegue a principios generales y luego de estos principios, se da una explicación de la naturaleza. Lo que es cierto en filosofía se debe a este método y nada puede hacerse sin él” (Koyré & Cohen, 1962, pp. 63-126).

Las leyes tras las conclusiones de Newton

“La primera ley establece que todos los cuerpos perseveran en su estado de reposo o de movimiento uniforme en línea recta, salvo que se vean forzados a cambiar ese estado por fuerzas impresas; el estado de la inercia se convierte así en la primera ley o axioma. La segunda ley establece que el cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa, y se hace en la dirección de la línea recta en la que se imprime esa fuerza. La tercera manifiesta que para toda acción hay siempre una reacción opuesta e igual; es en esta tercera ley en la que se basa la dinámica gravitacional como sistema de atracciones recíprocas” (Complutense, 2017).

▲ Newton y la ley de gravitación universal.