domingo, 13 de junio de 2021

10. Los métodos científicos | ⚗️ Introducción a la química | Joseleg

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 Probablemente hayas pasado algún tiempo jugando videojuegos, y sepas que aprender a jugar requiere de un proceso lento de prueba y error. Intentas una cosa y te derriban, así que la próxima vez que intentes con otra cosa. Poco a poco llegarás a saber cómo superar todas las trampas y llegar al final. Tus acciones en el juego no están muy lejos de la forma en que los científicos abordan el estudio del mundo que nos rodea. Los científicos son criaturas curiosas que quieren saber qué hace que el mundo "funcione". El enfoque que adoptan para su trabajo se conoce generalmente como el Método Científico. Básicamente se reduce a reunir información y formular explicaciones naturales, es decir sin recurrir a eventos que estén más allá del control tecnológico, por lo que es trampa recurrir a explicaciones que impliquen espíritus, fantasmas, dioses, ángeles o demonios.

En las ciencias, por lo general, recopilamos información realizando experimentos en laboratorios bajo condiciones controladas para que las observaciones que hacemos sean reproducibles. Una observación es una declaración que describe con precisión algo que vemos, escuchamos, sentimos, sentimos u olemos. Las observaciones que hacemos durante la realización de experimentos se conocen como datos. Los datos recopilados durante un experimento a menudo nos llevan a sacar conclusiones. Una conclusión es una declaración que se basa en lo que pensamos acerca de una serie de observaciones (Timberlake, 2015). Por ejemplo, considere las siguientes declaraciones sobre la fermentación del jugo de uva para hacer vino:

1. Antes de la fermentación, el jugo de uva es muy dulce y no contiene alcohol.

2. Después de la fermentación, el jugo de uva ya no es tan dulce y contiene una gran cantidad de alcohol.

3. En la fermentación, el azúcar se convierte en alcohol.

Las declaraciones 1 y 2 son observaciones o fenómenos porque describen las propiedades del zumo de uva que se puede saborear y oler. El enunciado 3 es una conclusión porque interpreta las observaciones disponibles, y dado que no es posible ver como las bacterias modifican las moléculas de azúcar en alcohol se requiere de generar modelos, idealizaciones para poder representar mentalmente, en papel o en un programa computarizado, para “visualizar” la explicación del fenómeno (Timberlake, 2015).

   Fenómenos y leyes

Uno de los objetivos de la ciencia es organizar los hechos para establecer relaciones o generalizaciones entre los datos. Por ejemplo, si estudiamos el comportamiento de los gases, como el aire que respiramos, pronto descubrimos que el volumen de un gas V depende de varios factores, incluida la cantidad de gas n, su temperatura T y su presión P. Las observaciones que registramos relacionando estos factores son nuestros datos.

Una generalización que podríamos hacer al estudiar los datos obtenidos de muchos experimentos realizados con diferentes temperaturas y presiones es que cuando la temperatura del gas se mantiene constante, exprimir el gas en la mitad de su volumen original hace que la presión del gas se duplique. Si tuviéramos que repetir nuestros experimentos muchas veces con numerosos gases diferentes, entenderíamos que esta generalización es uniformemente aplicable a todos ellos.

Una generalización tan amplia, basada en los resultados de muchos experimentos, se llama ley o ley científica, en este caso obtenida inductivamente. A menudo expresamos leyes en forma de ecuaciones matemáticas (McComas, 1998). Por ejemplo, si representamos la presión de un gas por el símbolo P y su volumen por V, la relación inversa entre presión y volumen puede escribirse como Pi∙Vi =k, donde k es una constante de proporcionalidad.

Modelos como hipótesis y teorías

Por muy útiles que sean, las leyes obtenidas inductivamente solo establecen lo que sucede; ellos no proporcionan explicaciones. ¿Por qué, por ejemplo, los gases se comprimen tan fácilmente a un volumen más pequeño? Más específicamente, ¿cómo deben ser los gases al nivel elemental más elemental para que se comporten como lo hacen? Responder tales preguntas cuando surgen no es tarea fácil y requiere mucha especulación, imaginación y matemáticas. Pero con el tiempo los científicos construyen imágenes mentales, llamadas modelos teóricos, que les permiten explicar las leyes observadas.

Una vez que se tiene la idea general de lo que pasa, es decir el fundamento o núcleo fuerte de la teoría, los científicos deben corporizar estas ideas en forma de ecuaciones matemáticas simples, esto se conoce como modelado axiomático. Un aspecto extraño del modelado axiomático es que, permite a los científicos toparse con muchas ecuaciones matemáticas simples de fenómenos estudiables, en otras palabras, es una segunda forma de obtener leyes científicas, pero en este caso son leyes deductivas. El modelo axiomático es el cuerpo matemático de la teoría, y para muchos podría definirse como la teoría en su forma verdadera, una forma matemática. Con las ecuaciones los científicos pueden realizar simulaciones reemplazando valores ideales en las variables y obteniendo resultados tentativos o hipótesis (McComas, 1998).

Luego realizan experimentos que prueban las predicciones derivadas del modelo, para ver si las fórmulas matemáticas generadas desde la teoría sirven o no. Algunas veces los resultados muestran que el modelo es incorrecto. Cuando esto sucede, el modelo debe abandonarse o modificarse para tener en cuenta los nuevos datos, en ocasiones solo basta con alterar alguna ecuación, en otras el presupuesto teórico fundamental debe abandonarse del todo. Eventualmente, si la teoría y su modelo sobreviven a las pruebas repetidas, logra el estado de una teoría. Una teoría es una explicación muy contrastada del comportamiento de la naturaleza y que bajo todas las condiciones posibles “técnicamente en un momento determinado en la realidad” parece funcionar para explicar, predecir y controlar. Tenga en cuenta, sin embargo, que es imposible realizar cada prueba “idealmente concebible” que pueda mostrar que una teoría está equivocada, por lo que nunca podemos demostrar absolutamente que una teoría es correcta. En ocasiones las teorías y modelos no son perfectos y se producen muchos contraejemplos, pero no por eso se abandona un modelo, una ciencia sin modelo no puede avanzar. En química sucede mucho, los modelos que empleamos explican la mayoría de los fenómenos, pero casi siempre nos encontramos un fenómeno que no cuadra o contraejemplo (Kuhn, 2010; Lakatos, 1978).

La ciencia no siempre procede de la manera ordenada paso a paso descrita anteriormente. La suerte a veces juega un papel importante. Por ejemplo, en 1828 Frederick Wöhler, un químico alemán, estaba probando una de sus teorías y obtuvo un material inesperado cuando calentaba una sustancia llamada cianato de amonio. Por curiosidad, lo analizó y descubrió que era urea (un componente de la orina). Esto fue emocionante porque era la primera vez que alguien fabricaba a sabiendas una sustancia producida solo por criaturas vivientes a partir de un químico que no tiene un origen de vivo. El hecho de que esto podría hacerse llevó a una nueva rama de la química llamada química orgánica. Sin embargo, de no haber sido por la curiosidad de Wöhler y su aplicación del método científico a sus inesperados resultados, la importancia de su experimento podría haber pasado desapercibida. Recuerde siempre, los procedimientos experimentales no producen errores, todo resultado es un dato que debe analizarse y explicarse, y mucho más importante, a veces los resultados inesperados son los más valiosos (McKie, 1944; Ramberg, 2000).

Como nota final, es significativo que los cambios más espectaculares y dramáticos en la ciencia ocurran cuando las principales teorías se prueban erróneas. Aunque esto ocurre solo en raras ocasiones, cuando ocurre, los científicos son enviados a luchar para desarrollar nuevas teorías o modelos de dichas teorías, y se abren nuevas y emocionantes fronteras.

Inductivo o deductivo

Por tradición el método científico se ejemplifica en su ruta inductiva:

Experimento → dato → hipótesis → ley → teoría.

Sin embargo, muchas teorías famosas no obedecen esta ruta, por ejemplo, en la física y la químico-física lo que se tiene son:

Fenómeno →teoría →modelo matemático → leyes → hipótesis → experimento → análisis estadístico.

Por un lado, la ruta inductiva parte de los datos hasta llegar a la teoría, pero esta ruta es tan rara que virtualmente no conozco ciencia que la siga, especialmente si hablamos de una ciencia que posea un núcleo matemático fuerte, es más común encontrarnos con una ruta deductiva en la que las leyes son consecuencias de una teoría que se traduce en un núcleo matemático fuerte, y son las leyes que emergen de dicho núcleo matemático las que pueden ponerse a prueba.

Hay que destacar que la parte experimental puede dilatarse por años o décadas completas, por lo que hablamos de programas investigativos a largo plazo, por lo que es bien común que científicos prestigiosos dediquen su carrera a un modelo que resulte resulta en definitiva… erróneo, pero eso no los hace estúpidos, en ciencia los errores no son el acabose, son una parte más del trabajo científico y como tal son apreciados, lo que si se desprecia es tratar de ocultarlos o disfrazarlos. 

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