El método científico. Visión general

¿En que se basa la ciencia? ¿Cómo llegan los científicos a descubrir las leyes de la naturaleza, a desarrollar teorías que expliquen el funcionamiento del universo y a dar forma matemática a las normas que rigen la existencia? Y lo más importante, ¿por qué hemos de aceptar lo que nos dicen? Mucha gente no se cree, por ejemplo, cuando los científicos afirman: “El universo tiene 15000 millones de años”. ¿De dónde han sacado ese dato?

Eso es lo que vamos a averiguar hoy. ¿Cómo desarrollan los científicos sus teorías?

La filosofía deductiva

Aristóteles usando el razonamiento deductivo

En la antigüedad, se usaba el razonamiento deductivo o filosófico. Esto es, las ideas científicas, o filosóficas, se basaban casi únicamente en razonamientos. Las leyes y reglas de la naturaleza se descubrían mediante el pensamiento humano. Un ejemplo, ¿de donde viene la vida?

Sabemos que los animales de gran tamaño nacen a partir de otros miembros de la misma clase animal. Esto se observa fácilmente. Pero, ¿y los insectos, larvas, peces, etc? Los antiguos griegos, por ejemplo, sabían, como es obvio, que los mamíferos y muchos otros animales copulaban, que los reptiles y aves ponían huevos. Pero, ¿y los pequeños insectos? ¿Y las larvas?

Aristóteles dedujo que los insectos surgían de la humedad, al reaccionar esta con una fuerza a la que llamó entelequia. De la unión entre la entelequia y la humedad, surgen los insectos y, en definitiva la vida.

De la misma forma, Aristóteles, al ver que el Sol sale por el este y se oculta por el oeste, dedujo que este astro giraba alrededor de la Tierra, al igual que el resto de planetas. De hecho, para él la tierra era el centro del universo (Y, como ya hemos visto, de la fuerza gravitaria )

¿Cómo llegó Aristóteles a estas conclusiones? Razonando e imaginando las razones. En esta época, la única manera de desbaratar una idea científica como esta era razonando tú otra mejor. Pero todo estaba en la mente del científico – filósofo.

¿No os convence este método? ¿No os resulta creíble? Bien, pues al filósofo inglés Francis Bacon tampoco.

Fuentes:
La generación espontanea de Aristóteles
Razonamiento deductivo

El método científico

Francis Bacon

Francis Bacón, aunque admiraba a Aristóteles como pensador, no estaba muy de acuerdo con el método aristotélico. Hay que decir que en la época de Bacon, el S. XVI, la filosofía de Aristóteles era prácticamente la base de la ciencia. Francis, no obstante, pensó en que tenía que haber otra forma mejor de hacer deducciones y, por tanto, abandonó sus estudios científicos.

Para el inglés la base de toda idea científica debían ser el empirismo y el razonamiento inductivo. Es decir, todo razonamiento debe ser rechazado en un principio y solo será aceptado cuando haya sido demostrado mediante la observación y la experiencia. Y los razonamientos no han de basarse tanto en la deducción pura, sino que han de ser inducido a través de lo que observemos

Básicamente el método aristotélico era:
1. Observar
2. Razonar

Bacon propuso:
1. Observar
2. Construir una hipótesis
3. Comprobarla experimentalmente
4. Si en algún momento falla, hay que buscar una nueva hipótesis

Veamos en detalle cada uno de los pasos

Fuentes:
Francis Bacon
Aplicación del método científico

Observar y construir las hipótesis

El incensario que inspiro a Galilei

¿Qué es lo que lleva a un científico a investigar algo? La observación de que existe “algo”. Por ejemplo, actualmente existen muchos científicos tratando de averiguar la influencia de la contaminación en el cambio climático. Sin embargo nadie investiga la influencia de la contaminación en la órbita lunar. Del primer fenómeno existen observaciones, de lo segundo no.

¿Dónde observan los científicos los motivos de estudio? Pues puede ser de varias formas:

Estadísticas: Por ejemplo, a lo largo del siglo XX se observó que los casos de cáncer de pulmón aumentaban muchísimo entre fumadores. La existencia de esta correlación llevó a los científicos a tratar de comprobar si el tabaco provocaba cáncer de pulmón y, en caso afirmativo, a averiguar cual era la causa.

A partir de conocimientos previos: Supongo que sabréis que en Suiza se está haciendo un experimento con el objetivo de encontrar el Bosón de Higgs Esta partícula jamás ha sido observada, pero las ecuaciones del modelo de partículas, que se han desarrollados gracias a estudiar otras partículas que si han sido observadas, nos dicen que debe estar ahí. A partir de un conocimiento previo, inducimos la existencia de una nueva partícula

Observación simple: ¿Os acordáis de como se entretenía Galileo Galilei en misa? Pasaba las horas viendo como los incensarios se movían de un lado a otro. Se fijó en que el movimiento no era al azar, sino que seguía algún tipo de esquema. Lo mismo pasaba al hacer caer cuerpos desde distintas alturas o por planos inclinados. Existía un patrón obvio en dichos movimientos.

Galileo, observó. Y después hizo mediciones, desarrolló ecuaciones y a partir de estas ecuaciones pudo predecir el comportamiento de las cosas que observaba. Como veis es un círculo. Se observa, se inducen fórmulas y modelos matemáticos y con estos modelos se predicen el resultado de nuevas observaciones. Así funciona el método científico.

Por cierto, destacar que científicos como Hawkings o Einstein consideran al genio de la Toscana como el padre de la ciencia moderna. Bacón puso el método, pero Galilei puso las herramientas, las matemáticas y los aparatos de medición.

A partir de las observaciones construimos las hipótesis. Una hipótesis es un modelo que explica las observaciones realizadas. Pero no basta con esto para que se acepte una hipótesis. Tenemos que dar un paso más. Necesitamos comprobaciones.

Fuentes:
Razonamiento Inductivo
Estadísticas sobre el cáncer de pulmón
Método científico de Galilei

Realizar comprobaciones

Urbain Le Verrier

Para que una hipótesis se convierta en una teoría científica aceptada, se necesita demostrar empíricamente que es correcta. Esto se hace experimentalmente. La hipótesis debe ser capaz de predecir el resultado de experimentos. En el caso de Galilei una vez desarrollada las ecuaciones del movimiento, solo tuvo que ponerlas a prueba. Mediante sus ecuaciones pudo calcular el tiempo que iban a tardar determinados objetos. Después simplemente tuvo que hacer mediciones para comprobar que sus ecuaciones eran correctas.

Otros casos eran más complicados. ¿Cómo comprobar la mecánica celestial de Newton?

Cuando Newton desarrolló sus ecuaciones, se comprobó que el movimiento de los planetas encajaba a la perfección con lo que Newton había predicho. Todos aceptaron las ecuaciones de Newton como correctas. Pero años después se descubriría un nuevo planeta, llamado Urano. Y se comprobó que había un problema con las ecuaciones de Newton. El movimiento de Urano no coincidía con lo que las ecuaciones predecían. ¿Estaba Newton equivocado?

Le Verrier pensaba que no. Este astrónomo francés opinaba que si Urano se comportaba de manera extraña, es porque debía estar afectado por el campo gravitatorio de un planeta aún desconocido. Y dedico años a recoger información, realizar comprobaciones y calcular nuevas ecuaciones. Finalmente creyó dar con la clave. Si sus cálculos y las ecuaciones de Newton eran correctas, tenía que haber un planeta más aparte de Urano.

Mandó sus cálculos a los observatorios. Les indicó donde debían mirar. Y efectivamente, allí estaba. Un planeta más, Neptuno. Gracias a las ecuaciones de Newton, un matemático fue capaz de encontrar un nuevo planeta, simplemente mediante el uso de fórmulas matemáticas.

Esto fue un gran espaldarazo a la mecánica celestial. Pero a veces, las más perfectas teorías se vienen totalmente abajo. Pues en ciencia cualquier teoría puede ser refutada.

Fuentes:
Le Verrier

Refutando una teoría

El planeta mercurio

Como he dicho, cualquier teoría se mantiene en pie, hasta que encontremos un fenómeno para el cual nuestra teoría no sea capaz de encontrar una explicación o predicción correcta. En este caso, hay que reformular la teoría para ajustarla al experimento que falla. Y si no somos capaces, es el momento de tirar la teoría a la basura y empezar de nuevo.

Sigamos con Newton y Le Verrier. La teoría del primero y las cuentas del segundo habían corregido el problema con Urano y habían descubierto a Neptuno. Pero teníamos otro problema más en el sistema solar. Mercurio también tenía una órbita extraña. Tampoco se ajustaba totalmente a las leyes de Newton.

Le Verrier rehízo los cálculos y predijo la existencia de otro planeta más. Situado entre el Sol y Mercurio, el planeta Vulcano. Pero el planeta no estaba. Leverrier volvió a calcular la posición de Vulcano, pero nada. Los telescopios no encontraban el escurridizo planeta. Y durante medio siglo nadie encontró a Vulcano ni fue capaz de encontrar que fallaba en los cálculos.

Finalmente, en 1915 alguien encontró la solución. No había un planeta entre el Sol y Mercurio. El problema estaba en las propias ecuaciones. Las leyes de Newton estaban equivocadas. Y ¿cómo se demuestra que unas leyes científicas se equivocan? Tan sencillo y a la vez tan complicado como el hecho de presentar una nueva teoría que sea capaz de cubrir todos las observaciones que cubría la antigua teoría a la vez que resuelve los problemas que esta no era capaz de resolver.

Y así fue como Einstein tiró por tierra las teorías de Newton, presentando en su lugar la mecánica relativista. Una nueva teoría más avanzada sustituía a la antigua teoría equivocada.

Nota: Decir que a pesar de lo erróneo de la teoría de Newton es lo suficiente precisa para dar resultados satisfactorios en la mayoría de los casos. Por ejemplo, para los vuelos a la Luna, las ecuaciones de Newton son más que suficientes.

Fuentes:
Sobre Le Verrier y los planetas (Lectura especialmente recomendada)

Conclusiones

Y así trabajan los científicos. Primero hacen unas observaciones. Después, a partir de estas observaciones extraen un modelo. Seguidamente ponen dicho modelo a prueba mediante experimentos controlables, cuyos resultados deben ser predichos a la perfección por el modelo desarrollado. Y la teoría se mantendrá como aceptada hasta que se descubra algún caso que no sea capaz de explicar. Entonces tendremos que desarrollar una teoría mejor.

Pero eso no es todo. En un artículo posterior os contaré algunos detalles más sobre el método científico.

La historia de la gravedad

Supongo que muchos de vosotros habréis oído alguna vez esta historia: “Newton descubrió la gravedad cuando le cayó una manzana encima”. Lo que ya no sé es cuantos sabéis que eso no es del todo cierto. Newton se interesó por la gravedad cuando le cayó la manzana. Y llegó a una conclusión increíble en esa época. Pero él no descubrió la gravedad. A fin de cuentas ¿tan difícil era darse cuenta de que las cosas caen al suelo?

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Aristóteles

Obviamente muchos sabios de la antigüedad se habían percatado de que los objetos son atraídos por la tierra. El más conocido fue Aristóles, alumno de Platón y maestro de Alejandro Magno. Para él todo lo que ocurre en el mundo debía tener una causa. La llamada relación causa-efecto. En el caso de la caída de los objetos al suelo, Aristóteles concluyó que debía existir una fuerza que atraía a los objetos hacía el centro de la tierra. Estamos en el siglo IV a.c.

A esta fuerza la llamo gravitas. Gravedad. Aristóteles había dado nombre a la causa que provocaba el efecto de caída de los objetos. Pero cometió dos errores. El primero, pensar que la fuerza gravitas venía del centro del universo y solo de allí. Por cierto, tened en cuenta que según la idea que tenía Aristóteles del universo, el centro del universo y el centro de la tierra eran lo mismo. El otro error que cometió fue decir que cuerpos distintos son atraídos con distinta aceleración por la gravedad. Es decir, que la gravedad no es uniforme  y  un trozo de madera se verá menos acelerado que un trozo de hierro.

Y durante casi 20 siglos, todo el mundo aceptó a Aristóteles.

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Copérnico

Pero entonces llegó Copérnico. Este sacerdote polaco solventó el primer error de Aristóteles. La tierra no era el centro del universo. Era el Sol. Aunque todavía los astrónomos estaban lejos de comprender la absoluta inmensidad del universo y lo limitaban al sistema solar, Copérnico había hecho una gran revolución, pues de repente, la humanidad había dejado de ser el centro del universo. Todo esto molestó a la Iglesia Católica, pero eso es otra historia, tal vez para otro momento.

Al expulsar la tierra del centro del universo, no solo cambia la visión del universo, sino también la teoría gravitatoria Aristotélica. La gravitas aristotélica procedía del centro del universo. Si la tierra ya no es el centro del universo, es obvio que la gravedad viene, por tanto, de la propia tierra. Y la duda es, ¿y el resto de planetas? ¿Tienen su propia fuerza de la gravedad como la tierra? Y lo más importante, ¿Por qué giran los planetas, y la tierra, alrededor del sol?

Todavía faltaban más piezas en el rompecabezas. La siguiente pieza sería puesta por Galileo Galilei. Durante su vida en Pisa y Padua hizo varios experimentos con planos inclinados, péndulos y bolas de distintos materiales. La leyenda, tal vez falsa, cuenta que pasó días tirando objetos desde la torre de Pisa y midiendo el tiempo que tardaban en caer. También cuentan que pasaba las horas en misa haciendo cálculos mentales para tratar de medir el movimiento de los incensarios.

Gracias a esto consiguió desarrollar fórmulas para el movimiento acelerado, el movimiento pendular, el movimiento por planos inclinados y, en general, todas esas ecuaciones que muchos de nosotros hemos estudiado en el colegio. Y descubrió una cosa muy importante. Que la aceleración que produce la gravedad es constante para todos los cuerpos. Había corregido el segundo error de Aristóteles.



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Galileo

Y después remató del todo al sabio griego. Copernico tuvo miedo de divulgar sus teorías sobre el sol por la vieja y piadosa Europa. Galileo las escuchó y empezó a tomarlas por ciertas. A fin de cuentas, las predicciones sobre órbitas que se podían hacer mediante la teoría de Copérnico eran mucho más acertadas y sencillas que mediante el modelo tradicional. Ayudado de un telescopio fabricado por él mismo empezó a estudiar el universo en detalle. Descubrió cosas increíbles para le época, como las lunas de Jupiter y los anillos de Saturno. Tras ver tales maravillas llegó a la conclusión de que realmente el centro del “universo” era el Sol y no la tierra.

Como todos seguramente sabéis, el libro donde explicaba estas cosas, “Discurso sobre dos nuevas ciencias”, fue prohibido por la Iglesia Católica. Galileo había echado abajo la antigua ciencia aristotélica, pero a cambio de ello, fue encarcelado y sus libros prohibidos hasta mediados del siglo XVIII. En esta época dijo la frase Eppur si muove, y sin embargo se mueve, una frase que resume la misión del científico de encontrar la verdad ante todo.

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Kepler

A pesar de las dificultades, la teoría heliocéntrica de Copernico y Galilei fue acogida por la Europa no católica. Y aquí tenemos a Johannes Kepler, pastor protestante, científico y firme creyente en Dios y en la teoría de Copérnico. Para él, el deber de todo cristiano era comprender la obra de Dios y ¿qué mayor obra que el sistema solar? Y a ello dedico gran parte de su vida, como ayudante primero del astrónomo Tycho Brahe y como heredero después de la inmensa base de datos astronómicos de su mentor y de su observatorio, el mejor de la época. Por cierto, como anécdota decir que Brahe envidiaba a su aventajado alumno y limitó el acceso de Kepler a muchos de los datos astronómicos hasta el momento de su muerte. Hace poco se descubrió que Brahe murió envenenado por mercurio. Algunos dicen que fue por culpa de su afición a la alquimia, pero otros señalan a Kepler como envenenador. Nunca lo sabremos.

No importa. El caso es que todos estos datos científicos fueron a manos de Johannes. Con ellos en su poder se dispuso a describir el complejo y perfecto sistema que Dios había creado para mantener a los planetas girando. Después de años tratando de completar el puzzle, consiguió demostrar que los planetas giran en órbita elípticas y desarrolló sus tres leyes en las que describió perfectamente el movimiento de los planetas.

Y por fin llegamos a Newton y a su famosa manzana

La gravedad universal de Newton

Recapitulemos un poco. Sabemos que los objetos son atraídos a la tierra por una fuerza llamada gravedad. Sabemos que los planetas giran alrededor del sol, por alguna fuerza a la que llamaremos gravitas celestialis. Y además sabemos que tenemos una serie de lunas dando vueltas alrededor de los planetas. Y aquí tenemos un gran problema. Si la tierra atrae a todo hacía sí. ¿Por qué no atrae a la luna?

Los científicos, en ese momento, pensaban que estábamos ante dos fuerzas totalmente distintas. Por un lado la que afecta a los objetos en la tierra y por otro lado la que afecta a los objetos en el espacio. Y la luna, como algo intermedio.

Sir_Isaac_Newton_(1643-1727)

Pues cuentan que Newton esta pensando un día en esto, en la razón de la no caída de la luna y en el movimiento de los planetas en general, cuando la caía una manzana cerca suya le distrajo de sus pensamientos. El caso es que la caída le hizo acordarse de la gravedad y, en un momento de inspiración, pensó que tal vez fuese esa misma gravedad la que hacía que la luna no cayera al suelo y la que mantenía en funcionamiento a todo el sistema solar.

Y a ello se puso. Tenía una buena base, o como diría él más adelante, pudo subirse a los hombros de gigantes para ver más allá. Conocía el modelo de Copérnico, las leyes de Kepler y las ecuaciones gravitatorias de Galileo. Solo tenía que unirlo todo.

Y comprobó que realmente, la fuerza que hace que la manzana caiga al suelo es la misma fuerza que hace que la luna no caiga sobre la tierra. Y que esta fuerza es también la que hace que las lunas de Júpiter giren alrededor del planeta y la de que todo gire alrededor del Sol. La misma fuerza. La fuerza de la gravedad.

Y aquí está el mérito de Newton. Consiguió unificarlo todo. Se dio cuenta que cualquier cuerpo con masa ejerce una atracción sobre los demás. Cuando son objetos de masas muy dispares, como la tierra y la manzana se atraen, cuando son objetos de masa no tan dispar, al menos no tanto como el anterior ejemplo, como la Tierra o la Luna la reacción es distinta.

Y eso es todo. Así que ya veis. No fue Newton quien descubrió la gravedad. Fue quien al convirtió en una fuerza universal.

Lecturas adicionales:
A hombros de gigantes

El universo en una cáscara de nuez