Cada uno tenemos percepciones, creencias y prejuicios que nos hacen ver las cosas de manera diferente. Para poder separar lo verdadero de lo falso, sin dejarse llevar por la subjetividad, se utiliza el método científico.
El método científico experimental es un conjunto de etapas o procedimientos que siguen los científicos para responder a las preguntas que se plantean sobre la naturaleza.
Para llevarlo a cabo, los científicos hacen observaciones y realizan preguntas, formulan hipótesis, diseñan experimentos para probar la validez de sus hipótesis, obtienen datos, analizan los resultados, sacan conclusiones y comunican los resultados.
1 Hacer observaciones
La investigación científica comienza con la observación de un fenómeno, es decir, cualquier suceso u objeto material que pueda ser observable. Por ejemplo, el peso, la forma, el tamaño, la temperatura y el color son propiedades observables de los objetos.
Observar consiste en utilizar los sentidos, con la ayuda de instrumentos científicos, para apreciar las características externas o internas de los objetos, los fenómenos o los seres vivos y sus peculiaridades, con el fin de extraer conclusiones.
La observación no siempre es fácil, ya que muchos fenómenos ocurren sin que nos demos cuenta; además, está limitada no solo por la mayor o menor pericia del observador, sino, fundamentalmente, por las técnicas y los instrumentos científicos que emplea. Estos permiten amplificar la capacidad de los sentidos para distinguir hasta los más pequeños y finos detalles.
Instrumentos ópticos. La lupa (1), el estereomicroscopio o lupa binocular (2) y el microscopio compuesto (3) permiten aumentar el tamaño de la imagen de un objeto para poder observar con nitidez aquello que nuestros ojos no pueden percibir.
2 Realizar preguntas
Cuando observamos algo que nos llama la atención, porque está fuera de lo normal o es difícil de explicar, suele plantearnos un interrogante, de manera que la búsqueda de la respuesta a menudo implica hacer más observaciones.
Encontrar una buena pregunta suele ser un obstáculo, y para facilitar la investigación conviene que la pregunta que realizamos sea del tipo: ¿Cuál es el efecto de A sobre B? ¿Qué pasa con B cuando cambia A? Si mantenemos constante A, ¿qué pasará con B? El término que utilizan los científicos para designar A y B se denomina variable.
Una variable es un factor observable y medible que se puede manipular o controlar. Puede ser una característica de un objeto, fenómeno o ser vivo que cambia en el transcurso de un experimento y puede adoptar diferentes valores, desde el punto de vista cuantitativo o cualitativo.
3Formular una hipótesis
A menudo formulamos hipótesis o predicciones sobre el mundo que nos rodea para comprobar si estamos en lo cierto: ¿por qué no arranca el automóvil? ¿Tiene gasolina? ¿Es la batería? ¿Qué va a pasar si hago esto
...?
Se trata de posibles explicaciones o respuestas «provisionales» a una pregunta que, si nos basamos en los conocimientos de que disponemos, en principio nos parecen buenas, aunque puede que sean acertadas o quizá erróneas.
Una hipótesis es una suposición sobre las causas probables que han dado lugar al fenómeno observado y es también una predicción de lo que se espera que suceda durante el curso de la experimentación.
Una hipótesis plantea una relación entre dos o más variables y se presenta a menudo en la forma «si... entonces
». Por ejemplo: si trituramos la sal de mesa, entonces se disolverá antes que si se encuentra en forma de cristales grandes.
La hipótesis debe ser comprobable mediante el diseño de un experimento que pruebe su veracidad. Por ejemplo, podemos comprobar el tiempo que tardan en disolverse distintos tipos de sal, con tamaños de grano diferentes. Si la hipótesis se prueba una y otra vez, gana credibilidad; por el contrario, si se demuestra que es errónea, es refutada y se rechaza.
La hipótesis también debe tener poder explicativo y dar una idea de por qué se produce el fenómeno observado. En nuestro ejemplo, cuanto menor sea el tamaño del grano, mayor es la superficie en contacto con el agua y mayor es la velocidad de disolución.
Falsabilidad
Para que una hipótesis sea válida debe ser falsable; esto quiere decir que, en caso de que sea falsa, los científicos deben ser capaces de reunir pruebas para refutarla mediante las observaciones y el diseño de experimentos que demuestren su falsedad.
Influencia de la temperatura en la división celular
Los resultados obtenidos en un experimento de microbiología se organizaron en la siguiente tabla, que muestra el efecto de la temperatura sobre el tiempo que tardan las bacterias en experimentar la división celular y duplicar su población, expresado mediante el número de duplicaciones/hora.
- ¿En qué ejes, de ordenadas o abscisas, debes representar cada una de las variables?
- ¿A qué temperatura se realiza más rápidamente la multiplicación bacteriana? ¿Qué ocurre a 50 ºC?
El término falsable significa algo así como comprobable, es decir, la experimentación debe poder comprobar que es una hipótesis verdadera o falsa. Solo son científicas las hipótesis falsables.
Reconocer causa y efecto
En la naturaleza las cosas ocurren porque obedecen a determinadas causas.
La causa es el fenómeno que provoca la aparición de un hecho, que es el efecto.
- De la causa al efecto. La íntima relación entre la causa y el efecto nos permite establecer, a partir de la causa, el efecto. Por ejemplo, sabemos que los hongos se reproducen por esporas y que estas necesitan un medio húmedo para desarrollarse; por lo que podemos formular la siguiente hipótesis: tras unas abundantes lluvias (causa) aparecerán muchas setas en los bosques (efecto).
- Del efecto a la causa. A partir del efecto producido, se puede establecer cuál es la causa. Por ejemplo, sabemos que los tallos de las plantas leñosas dicotiledóneas presentan anillos de crecimiento. ¿Qué hipótesis podemos formular a partir de la observación del desarrollo de dichos anillos?
Hipótesis no falsable
«La evolución obedece al diseño inteligente de una deidad superior». No es una hipótesis científica, porque no es falsable: no existe la posibilidad de realizar observaciones ni diseñar experimentos que demuestren la falsedad de la existencia de esta deidad. Y si no se puede demostrar su falsedad, tampoco su veracidad.
- Formula una hipótesis falsable y otra que no lo sea y argumenta sobre la falsabilidad como criterio de validez científica de las hipótesis. Elabora un informe y preséntalo al resto de la clase.
- ¿En qué consiste el principio de parsimonia o navaja de Occam?
- El musgo y los líquenes crecen en la cara norte de los árboles. ¿Cuál es la causa?
- Si fumigamos con insecticida un árbol frutal en flor, ¿qué efectos perniciosos ocasionará?
La navaja de Occam
Si queremos saber cuál puede haber sido la causa más probable que ha provocado el desarrollo de un cáncer de labio en un marinero, podemos pensar varias hipótesis: la maldición lanzada por un chamán al que estafó, haber besado a las numerosas mujeres que conoció en los puertos donde recalaba, la radiación ultravioleta del Sol o el humo de su pipa.
¿Qué hacer a la hora de elegir entre dos o más hipótesis alternativas que en principio son igualmente válidas? Pues seguir el principio de parsimonia, también conocido como la navaja de Occam: consiste en «afeitar» las hipótesis más complejas y rocambolescas y quedarnos con las más sencillas y depuradas. La explicación más simple es la más probable, aunque no necesariamente la verdadera.
Lo más probable es que el marinero haya desarrollado un cáncer de labio por el contacto permanente de los alquitranes del tabaco de pipa con el labio; tal vez ayudado por la excesiva radiación ultravioleta que recibe del Sol durante sus viajes. Esta es la hipótesis que deberemos comprobar experimentalmente
Identificación de variables
Error de medición
Siempre que medimos cometemos un error: los valores que resultan de las mediciones se desvían ligeramente del valor real de dicha magnitud.
Un procedimiento para reducir el error consiste en realizar, al menos, tres mediciones de cada magnitud y calcular el valor medio (se suman los tres valores y se dividen por 3):
La formulación de una hipótesis requiere la identificación previa de las variables que resultan de la observación inicial y de las preguntas que se plantean.
Las variables se utilizan en los experimentos para determinar si los cambios en una cosa dan como resultado cambios en otra. Por ejemplo, formulamos la siguiente hipótesis: si adicionamos fertilizante nitrogenado a las plantas de tomate, entonces crecerán más en altura que las plantas que no reciban este tipo de abono.
- Variable independiente. Su nombre hace referencia a que no depende de otra cosa para estar presente. También se denomina variable manipulada, porque es el factor cuyos valores manipula voluntariamente el experimentador en el transcurso de la investigación, con el fin de determinar su relación con el fenómeno que se pretende observar (los cambios de la variable dependiente).
Para identificarla hay que responder a la pregunta: ¿qué puedo cambiar? En nuestro ejemplo, la variable independiente adopta varios niveles: son los distintos porcentajes de fertilizante nitrogenado (2 %, 4 %, 6 %, 8 % y 10 %) que se añaden al suelo donde se cultivan las plantas de tomate.
- Variable dependiente. Su nombre hace referencia a que depende de algo que la hace variar. Es el factor que el experimentador piensa que podría cambiar en respuesta a los cambios o manipulaciones de la variable independiente.
La variable dependiente es la que se mide en el experimento y para identificarla hay que responder a la pregunta: ¿qué es lo que observo, es decir, cuál es la respuesta que estoy midiendo? En nuestro ejemplo, la variable dependiente sería la altura que alcanzan las plantas de tomate.
- Variables controladas. Son los factores cuyos valores se mantienen constantes en la experimentación para evitar que influyan en el efecto de la variable independiente sobre la variable dependiente.
Para identificarlas hay que responder a la pregunta: ¿qué puedo mantener constante en el experimento? En nuestro ejemplo, las variables controladas son las que permanecerán sin cambios: la variedad de planta de tomate, la marca del fertilizante, el tipo de maceta y de suelo en el que se cultivan las plantas y la cantidad de agua y de luz solar que reciben.
- Describe las características de las variables dependiente, independiente y controlada.
Variable independiente. Es el porcentaje de fertilizante nitrogenado que se añade a cada una de las macetas.
Variable dependiente. Es la altura que alcanzan las plantas de tomate.
4 Diseñar experimentos
Un experimento es un conjunto de procedimientos que se llevan a cabo para probar una hipótesis en condiciones controladas.
El experimento se diseña para demostrar las relaciones causales entre las variables; para ello, el investigador manipula la variable independiente y mide el efecto provocado sobre la variable dependiente. De esta forma, obtiene datos y recopila pruebas medibles, empíricas (obtenidas por la experimentación), que más tarde evaluará de manera crítica.
Cuantas más veces se repita un experimento, más fiables serán los resultados si apoyan las mismas conclusiones. Por el contrario, si los resultados no apoyan la hipótesis original, los investigadores pueden sugerir nuevas observaciones, formular otras hipótesis o llevar a cabo experimentos adicionales. De esta manera, la investigación permite refutar una o más de las posibles hipótesis hasta que una de ellas permanece.
El experimento requiere un protocolo experimental, es decir, un plan de acción en el que se especifican los siguientes elementos: los procesos empleados para la observación y las fuentes de información consultadas, la hipótesis formulada, los materiales utilizados, la metodología que se sigue y la forma en que se analizan los datos y se interpretan los resultados. El ensayo clínico es una evaluación experimental para valorar en los seres humanos los beneficios, la seguridad de un medicamento o la eficacia de una prueba diagnóstica o terapéutica.
Experimento controlado
Es aquel que prueba solo un factor cada vez y compara los resultados obtenidos en un grupo control con los que se obtienen en uno o más grupos experimentales, en los cuales se manipula únicamente la variable independiente que se desea comprobar. El tamaño de los grupos debe ser suficientemente grande para que los resultados sean significativos.
Debido a que entre el grupo control y los grupos experimentales solo difiere la variable independiente, las diferencias observadas en el resultado del experimento probablemente serán causadas por los cambios realizados sobre esa variable.
- Grupo control. Contiene los mismos factores que el grupo experimental, a excepción de uno: carece de la variable independiente. Es una forma de detectar o medir la influencia de otros factores no previstos en los resultados de la experimentación.
Ensayo clínico doble ciego. Grupo experimental (A) con tratamiento y grupo de control (B) con placebo (una sustancia carente de ingredientes activos: por ejemplo, una píldora de azúcar). En este tipo de ensayo, tanto el investigador como los pacientes desconocen quiénes pertenecen a uno u otro grupo, con el fin prevenir los errores que se pueden cometer a causa del efecto placebo: el paciente se sugestiona y experimenta una mejoría, solo por la esperanza de curación y la sensación de ser tratado médicamente tras la administración del placebo.
Grupo control: sin fertilizante.
Grupo experimental: con distintos porcentajes de fertilizante.
En el experimento mencionado anteriormente sobre la adición de fertilizante nitrogenado a las plantas de tomate, el grupo de control incluiría los siguientes factores: la misma variedad de planta de tomate, cultivada en el mismo tipo de maceta y de suelo y con igual aporte de agua y de luz solar que las del grupo experimental.
- Grupo experimental. Contiene los mismos factores que el grupo control y, además, está presente la variable independiente, que es la que se va a manipular, para ver los posibles cambios en la variable dependiente, que son los efectos que se desean probar.
En el ejemplo anterior, el grupo experimental contendría los mismos factores que el control (variedad de planta de tomate, tipo de maceta y de suelo de cultivo y la cantidad de agua y de luz solar que reciben) y, además, la variable independiente: los distintos porcentajes de fertilizante nitrogenado (2 %, 4 %, 6 %, 8 % y 10 %) que se añaden al suelo de las macetas donde se cultivan las plantas de tomate.
5 Obtener y organizar los datos
Una de las destrezas que debe adquirir un investigador es la de aprender a usar los instrumentos científicos que amplifican sus sentidos para observar, medir y obtener datos con exactitud y precisión.
Los datos son la información obtenida a partir de las observaciones y las mediciones realizadas en la experimentación de las correspondientes magnitudes. Pueden ser cualitativos o cuantitativos y los investigadores los analizan e interpretan con el fin de averiguar si confirman su hipótesis o, por el contrario, la refutan.
- Datos cualitativos. Describen cualidades de fenómenos, situaciones o procesos, como el comportamiento, las preferencias, las opiniones, etc.
- Datos cuantitativos. Se expresan como magnitudes de las variables que intervienen en un experimento y se pueden medir: temperatura, presión arterial, tiempo, luz, intensidad de sonido, número, masa, altura, longitud, volumen, área, velocidad, concentración, densidad, etc.
Cuando se anotan, hay que asegurarse de incluir las unidades correspondientes a las magnitudes registradas en las mediciones (mL, cm2, segundos, etc.).
Cuando los experimentos no son posibles, los científicos poner a prueba sus hipótesis mediante las observaciones naturales, cuyo datos se obtienen a partir de la observación visual o las encuestas. Consiste en la observación de un fenómeno o un comportamiento tal como ocurre en su entorno natural, sin intervención por parte del investigador.
La información que suministran los datos recolectados durante una investigación se hace más evidente cuando se agrupan, se procesan y se organizan mediante tablas y gráficos. De esta manera son más fáciles el análisis de los resultados, la observación de regularidades y patrones y el establecimiento de las posibles relaciones entre dos o más variables.
Tablas
Ayudan a organizar los datos recopilados durante una observación o experimentación para que se puedan analizar e interpretar con mayor facilidad. En la parte superior tienen un título y una descripción del tema que tratan (también llevan un número si hay más de una).
Observaciones naturales. Se utilizan para investigar fenómenos que no podemos manipular, como la erupción de un volcán o el comportamiento de los gorilas en la selva africana.
Reproducibilidad. Para que una experimentación sea válida ha de poder reproducirse en cualquier lugar y por cualquier investigador, Un ensayo experimental no será aceptado como válido si ningún otro investigador puede reproducir o repetir los resultados del experimento.
| COMPOSICIÓN DEL AIRE INSPIRADO, EXPIRADO Y ATMOSFÉRICO |
| Gases |
Aire inspirado |
Aire espirado |
Aire atmosférico |
| Oxígeno |
21 % |
16,5 % |
21 % |
| Dióxido de carbono |
0,03 % |
4,5 % |
0,03 % |
| Nitrógeno |
78 % |
78 % |
78 % |
| Vapor de agua y otros |
0,07 % |
0,1 % |
0,07 %
|
Tabla de datos. Compara la composición de gases del aire inspirado, espirado y atmosférico. Está dividida en celdas formadas por columnas (verticales) y filas (horizontales).
- En los encabezados de las columnas figuran las características, variables o magnitudes que se van a comparar.
- En las filas se recogen los datos correspondientes a los valores que adoptan las variables dependientes.
- ¿En qué consiste un experimento controlado?
- ¿Qué son las observaciones naturales y cuándo se llevan a cabo?
Gráficos
Después de organizar los datos en tablas, pueden representarse en un gráfico para facilitar su análisis e interpretación. Los tres tipos de gráficos más utilizados son el lineal, el de barras y el de sectores (de tarta).
- Gráficos líneales. Se utilizan para mostrar la relación matemática entre dos variables. Cada una de ellas se representa en un eje de coordenadas: los valores de la variable independiente se representan en el eje horizontal o de abscisas (eje X) y los de la variable dependiente en el eje vertical o de ordenadas (eje Y). Dicha relación se pone de manifiesto mediante una línea, recta o curva, constituida por infinitos puntos. Cada punto representa los valores de ambas variables en un instante determinado.
El gráfico lineal permite analizar el comportamiento de un proceso o la interpretación de un fenómeno; además, permite calcular valores que no se han obtenido experimentalmente mediante interpolación y extrapolación.
- Interpolación. Es el procedimiento de obtención de datos en un gráfico cuando el punto que buscamos se encuentra entre los valores que hemos representado.
- Extrapolación. Es el procedimiento de obtención de datos en un gráfico cuando el punto que buscamos se encuentra fuera del rango de los valores que hemos representado.
- Gráficos de sectores (o de tarta). Se utilizan para representar la proporción de las partes que componen un todo. Cada sector representa una parte y la suma de todos ellos es el 100 % (la tarta completa).
- Gráficos de barras. Son una forma de representar gráficamente un conjunto de datos. Permiten comparar los valores que adopta la variable dependiente mediante barras rectangulares, cuyas longitudes son proporcionales a los valores representados, frente a una categoría o valor discreto de la variable independiente.
En un gráfico de barras verticales, la variable independiente se representa a largo del eje horizontal, mientras que la altura de la barra representa el valor de la variable dependiente.
Gráfico de barras. Compara el incremento del número de defunciones por cáncer de pulmón en varones por cada 100 000 habitantes (variable dependiente) en función del aumento del número de cigarrillos fumados diariamente y la edad (variables independientes).
Gráfico lineal. Este ejemplo muestra que hay una relación prácticamente lineal entre el incremento de la temperatura del agua (variable independiente) y la solubilidad de la sal cloruro de potasio (KCl) (variable dependiente).
- Interpolación (verde): a 40 ºC se disuelven 40 g de KCl /100 g de H2O.
- Extrapolación (azul): a 100 ºC se disuelven 57,5 g de KCl /100 g de H2O.
Gráfico de sectores de los porcentajes de elementos químicos más abundantes en el agua marina. Cada componente se representa mediante un sector de la tarta proporcional al tanto por ciento que representa. Como la circunferencia del círculo supone 360°, el ángulo de cada sector (α) se calcula mediante una sencilla regla de tres. Para el sodio, por ejemplo, será:
360° –––––––– 100 %
α° –––––––– 30,6 %;
α = 360º × 30,6/100 = 110,16º
6 Analizar los resultados y sacar conclusiones
Los investigadores analizan los resultados obtenidos en los experimentos con el fin de sacar conclusiones y elaborar una explicación razonable.
Para probar o refutar una hipótesis debe existir al menos un 95% de probabilidad de que los resultados son precisos y no se deben a una casualidad. Para un científico resulta tan importante demostrar que una hipótesis es apoyada por sus resultados como que no lo es.
Las conclusiones de un experimento pueden probar una de las hipótesis sobre las demás, pero también pueden sugerir una explicación totalmente nueva y llevar a la formulación de nuevas hipótesis y experimentos. De esta manera la ciencia progresa y el conocimiento científico continúa creciendo.
Resultados y conclusiones. A veces, los científicos pueden llegar a diferentes conclusiones a partir de los mismos resultados.
7 Comunicar los resultados
Código ético. El intercambio intelectual entre los científicos debe cumplir un código ético por el que se comprometen a no falsear los datos en sus publicaciones ni utilizar el trabajo de otros sin reconocer su autoría.
Los científicos forman una comunidad global y aprenden los unos de los otros, así como de los descubrimientos de sus antecesores. «Si he visto más lejos es porque estoy sentado sobre los hombros de gigantes», escribió en 1675 Isaac Newton a Robert Hooke, en referencia a los grandes hombres de ciencia que le precedieron, como Kepler, Copérnico o Galileo: las grandes ideas científicas son el resultado de un número incalculable de interacciones.
Los investigadores reflexionan sobre sus descubrimientos, informan de sus hallazgos y comunican sus resultados de muchas maneras: conversan con sus colegas, escriben libros, dan conferencias, acuden a simposios, etc., aunque la forma más habitual de hacerlo es mediante las publicaciones en revistas. De esta manera otros científicos pueden acceder a los protocolos experimentales y los resultados; así otros pueden repetir los experimentos y confirmar la validez de las conclusiones.
8 Elaborar teorías y leyes científicas
Las teorías científicas son un conjunto de explicaciones coherentes que unifican uno o varios fenómenos relacionados, observaciones e hipótesis probadas una y otra vez y avaladas por un amplio conjunto de pruebas objetivas obtenidas mediante la investigación científica.
Las leyes científicas son afirmaciones o enunciados, generalmente expresados mediante ecuaciones matemáticas, obtenidas a partir de numerosos resultados y observaciones experimentales, que expresan lo que sucede en una situación concreta, en condiciones específicas.
Las teorías son sistemas de ideas que ayudan a organizar el pensamiento científico, como la teoría celular, del Big Bang, de la evolución por selección natural, de la tectónica de placas, etc. A diferencia de las teorías, que explican cómo funciona la naturaleza, las leyes son generalizaciones que solo expresan la forma en que se comportan los fenómenos naturales en determinadas condiciones, no por qué lo hacen así: las leyes necesitan una teoría que las explique.
Así, por ejemplo, la ley de la gravitación solo expresa que todos los objetos siempre caen hacia el centro de la Tierra, pero no por qué lo hacen. Hace falta una teoría, en este caso la teoría de la gravitación, para explicar cómo los cuerpos se atraen entre sí.
- ¿Dónde se representan las variables dependiente e independiente en un gráfico lineal?
- ¿Qué es una teoría científica? Describe algunos ejemplos de teorías.
