La observación y la experimentación en ciencia

"Vivimos en una sociedad fuertemente dependiente de la ciencia y la tecnología, en la que casi nadie sabe nada sobre ciencia y tecnología. Este cóctel nos lleva inevitablemente al desastre" [1].

Desgraciadamente, 25 años después de que Carl Sagan escribiera estas palabras su advertencia sigue aun más vigente todavía. No sólo la mayoría de la población, incluso en países desarrollados supuestamente democráticos en los que todo adulto tiene derecho a voto, sigue sin tener los conocimientos más básicos sobre ciencia y tecnología, además, los problemas que preocupaban a Sagan en 1989 han empeorado. Junto con la amenaza nuclear, que sigue existiendo aunque ya no se hable de ella, y del calentamiento global, hemos visto que el crecimiento exponencial de la economía, que estamos obligados a mantener para que no se nos castigue con la dureza del paro, ha traído consigo una destrucción sin precedentes de los ecosistemas naturales, tanto por su explotación como por su incapacidad para asimilar la ingente cantidad de residuos que generamos.

Más aún, el auge y proliferación de pseudoterapias como la homeopatía, de timadores de todo tipo y de negacionistas del calentamiento global, e incluso de la evolución, nos ponen de manifiesto que no sólo hay que trabajar duramente para que toda la población adquiera unos conocimientos científicos sólidos, sino que, además, es mucho más importante que todo ciudadano bien formado entienda en qué consiste el quehacer científico y por qué el conocimiento derivado del mismo es, aunque falible, el más fiable de todos. Es importante hacer esto último muy bien. De lo contrario, estaremos alimentando al fanatismo y a las pseudociencias.

Por ello, es de vital importancia que, tanto en la divulgación científica como en las clases de ciencias en colegios e institutos no se presenten los conocimientos científicos como "dogmas de fe". Así los alumnos no aprenden ciencia y, además, se consigue que los que tienen un mayor sentido crítico la rechacen. Invito al lector a que pida a las personas que tiene a su alrededor que le expliquen, por ejemplo, por qué el modelo heliocéntrico es más adecuado para describir la realidad que el geocéntrico. Simplicio ahora es heliocentrista, pero sigue siendo Simplicio.

Las actividades de clase tienen que mostrar explícitamente que los conocimientos en Física, Química, Biología, etc, descansan sobre "hechos'', y que esto es lo que le confiere a las ciencias experimentales su legitimidad y objetividad frente a otras formas de conocimiento. Tiene que quedar claro, además, el éxito tan espectacular que ha tenido el desarrollo estas ciencias en los últimos siglos.

Pero hay que tener cuidado de hacerlo bien. Como indica Chalmers [2], para poder asegurar en rigor que el conocimiento científico es totalmente objetivo, legítimo e infalible, es necesario que se cumplan estas cuatro condiciones:

• A) Los "hechos'' en los que se basa la ciencia se dan directamente a observadores cuidadosos y desprejuiciados por medio de los sentidos. 
• B) Estos "hechos'' son anteriores a la teoría e independientes de ella. 
• C) Estos "hechos'' constituyen un fundamento firme y confiable para el conocimiento científico. 
• D) Es posible ir de forma correcta y legítima de los "hechos'' a las leyes y teorías mediante el uso de la razón. 

La confianza en estas cuatro proposiciones, junto con la creencia en que debe haber sólo un único y verdadero método científico aplicable a todas las ciencias constituye lo que se llama una visión empirista-positivista de la ciencia. Este pensamiento se ha presentado recurrentemente a lo largo de la historia en diversas formas desde la epistemología de Augusto Comte de principios del siglo XIX y es hoy en día todavía dominante en parte de la sociedad, incluso entre famosos "divulgadores" de la ciencia y opositores a las pseudociencias.

En este artículo, mediante el estudio de la naturaleza de la observación y la experimentación, vamos, siguiendo el análisis que hace Alan Chalmers en su libro ¿Qué es esa cosa llamada ciencia?, a ver que la visión positivista de las ciencias experimentales es excesivamente ingenua. La concepción positivista de la ciencia descansa sobre mitos que, además, son peligrosos, ya que al creer y difundir estos mitos no estamos siendo más que marionetas del poder.

Por otro lado, en un artículo posterior estudiaremos las características y capacidades del razonamiento humano, lo que nos llevará a enfrentarnos con los problemas de la inducción y, posteriormente, a una visión más sofisticada sobre cómo los científicos pasan de los "hechos" articulares de los experimentos a las leyes y teorías generales.

Por último, en otro artículo daremos algunas nociones sobre el estudio de la historia de la ciencia, en el que ésta se muestra como un proceso de continua construcción y de revisiones revolucionarias, lo que nos llevará a las concepciones que han sido dominantes en filosofía de la ciencia desde los años 60 del siglo pasado. Al contrario que en las concepciones anteriores, en estas últimas juega un papel muy importante el estudio del contexto histórico y social en el que se desarrolla el trabajo científico.

Los primeros resultado que nos hacen dudar de la validez absoluta de las proposiciones A), B) y C) vienen de la psicología:

• Ya desde la primera mitad del siglo pasado, los trabajos sobre la percepción y el aprendizaje realizados por los investigadores de la psicología de la Gestalt como Köhler y Koffka pusieron de manifiesto el enorme margen de indeterminación semántica acerca de la posibilidad de predecir qué significado aparece en la mente de un sujeto ante el más elemental y simple de los estímulos visuales: un mismo estímulo visual simple puede dar lugar a una enorme diversidad de significados. Esta diversidad va más allá de lo que sería simplemente interpretar una percepción visual de forma distinta. Dos observadores normales y cuidadosos que miren al mismo objeto desde el mismo lugar en las mismas circunstancias físicas no tienen necesariamente idénticas percepciones visuales. Éstas dependen de la experiencia, el conocimiento y las expectativas del observador. 

Ante un mismo estímulo visual algunos observadores ven a una mujer joven, y otros a una anciana. Sólo tras un tiempo de adiestramiento (que este caso suele ser de sólo unos segundos) somos capaces de pasar de ver una cosa a ver otra.
«Gestalt Principles Composition» por Impronta - Trabajo propio. Disponible bajo la licencia CC BY-SA 3.0 vía Wikimedia Commons.  

• No hay que olvidar que los hechos son enunciados de los estados o cambios de las cosas y, como tales, no se dan directamente por medio de los sentidos, sino que el observador, además de estar preparado y adiestrado para tener determinadas experiencias visuales, ha de estar en posesión también del entramado conceptual adecuado, ha de estar en posesión de una gran cantidad de conocimiento. De hecho, en psicología educativa, en las visión constructivista del proceso de aprendizaje [3], se considera que cada sujeto va construyendo su propio conocimiento integrando de forma activa las nuevas experiencias con lo que previamente ya sabe: todos construimos el conocimiento de manera similar, pero el conocimiento que construye cada uno es diferente, al menos en parte, del de los demás, porque las ideas previas que cada uno tiene son diferentes en parte de las de los demás. Por ejemplo, al mirar el contorno de un mapa, el estudiante ve líneas sobre un papel, mientras que el cartógrafo ve una fotografía de un terreno. Al examinar una fotografía de cámara de burbujas, el estudiante ve líneas interrumpidas que se confunden, mientras que el físico de partículas ve un registro de sucesos subatómicos que le son familiares. Sólo después un cierto número de transformaciones de la visión como la que hemos experimentado con el dibujo de la joven y la anciana, y después de haber aprendido determinados conceptos, el estudiante se convierte en habitante del mundo de los científicos, ve lo que ven los científicos y responde en la misma forma que ellos. Sin embargo, este mundo de los científicos al que entonces penetra el estudiante no depende sólo de la realidad que se está investigando, que le causa determinados estímulos visuales, sino también por los conocimientos científicos previos que adquirió.

Por tanto, el juicio acerca de la verdad o falsedad de un determinado enunciado tiene cierta dependencia de la experiencia, conocimiento y expectativas de cada observador, de cada científico, y de todo el trasfondo teórico que hay detrás del juicio. Es cierto, por tanto, que los hechos observacionales y experimentales son falibles y están sujetos a corrección. 

No obstante, no parece razonable llevar estos resultados de la psicología y la epistemología hasta sus últimas consecuencias en filosofía de la ciencia. Después de todo, la diferencia entre las distintas percepciones visuales que puedan tener los distintos sujetos, y los distintos conocimientos construidos por cada uno, no es siempre tan grande como para hacer que sea imposible la comunicación entre ellos.

Aunque no siempre la comunicación entre los científicos funciona a la perfección, claramente estos obstáculos no han sido un impedimento para que pueda desarrollarse con tan tremendo éxito la ciencia. El desarrollo científico nos demuestra que los hechos pueden ser confirmados o refutados por la observación y el experimento de forma aceptable para toda la comunidad científica. Por tanto, podemos seguir admitiendo las proposiciones A y C aunque con matices.

Otro argumento a favor de seguir aceptando A y C viene de la apreciación de que los hechos observables en las ciencias experimentales suceden siempre dentro de un proceso que es a la vez activo y público.

• Activo, porque el científico no se dedica a observar pasivamente, sino que actúa manipulando y cambiando las condiciones en las que se realiza la observación y la experimentación para estar seguro de la fiabilidad de las mediciones y los hechos que constata. Por ejemplo, podemos repetir los experimentos bajo condiciones distintas de temperatura, presión, etc, para comprobar si estos parámetros eran o no relevantes. Tenemos mecanismos para comprobar si las burbujas de la imagen de arriba en realidad se están moviendo o no.

• Y público, porque la producción científica puede ser siempre verificada, criticada y aumentada por otros. Cualquiera, tras leer el artículo científico que hemos publicado, podría en principio repetir el experimento y comprobar si llega o no a las mismas conclusiones que nosotros.

Estas dos características posibilitan el que los aspecto subjetivos de la percepción y el aprendizaje no sean necesariamente un problema intratable para la ciencia, se pueden minimizar. La ciencia, por tanto, no es perfecta, pero aspira a ello más que cualquier otra forma de conocimiento, ya que intenta minimizar la subjetividad y es consciente de que los "hechos'' en los que se apoya son falibles en cierto grado y podrían ser revisados. Esto nos lleva al interesante concepto de los niveles o grados de confianza en ciencia [4] que no trataremos aquí por falta de espacio.

Lo que sí es necesario remarcar aquí es que, cuando un científico realiza un experimento y mide unas determinadas magnitudes, el resultado de la medición no pude ser un número real bien definido. Siempre hay una incertidumbre, un error experimental, que se comete. Aunque los científicos hacen todo lo posible por hacer que esta incertidumbre experimental sea lo más pequeña posible, es imposible eliminarla por completo. Por este motivo, lo que se da como resultado de la medición no es un número, sino un intervalo, dentro del cual estamos muy convencidos de que va a estar el valor real. En este artículo explicamos como proceden los científicos para estimar ese intervalo. Mejorando la forma de medir y los aparatos es posible hacer que ese intervalo sea más pequeño, pero siempre será un intervalo.

Además, en este otro artículo explicamos que hay un tipo errores experimentales, denominados errores sistemáticos, que ocurren cuando hemos diseñado mal el proceso de medida o hemos calibrado mal un aparato, y que no siempre somos capaces de cazar. Es muy difícil estar seguros de que no estamos cometiendo algún error sistemático a la hora de medir, lo cual es otro elemento más que nos lleva a no poder decir que un "hecho" experimental es totalmente seguro. Normalmente, lo que se hace para tener mucha confianza en que no estamos cometiendo un error sistemático importante es comparar el resultado de la medición con los resultados de mediciones llevadas a cabo en experimentos distintos con métodos distintos. Si coinciden, muy raro sería que estuviéramos cometiendo un error sistemático.

No obstante, no hemos considerado hasta ahora de forma explícita una característica fundamental del quehacer científico: lo que se necesita en ciencia no son simplemente hechos, sino los hechos pertinentes. Hay infinitas formas de diseñar un experimento y de decidir qué magnitudes son relevantes y, por tanto, hay que tratar de medir. Aunque hubiéramos eliminado al máximo los aspectos subjetivos de forma que los "hechos'' de los que estamos hablando sean objetivos, lo que nos dice qué hecho es pertinente es el conocimiento científico previo.

Un ejemplo bastante impactante que ilustra esta proposición lo encontramos en el desarrollo de la química del siglo XIX. En el contexto de la teoría atómica de la combinación química, era muy interesante estudiar la validez de la famosa hipótesis de William Prout, que afirmaba que el átomo de hidrógeno representaba el ladrillo con el que estaban construidos los otros átomos. A la luz de los conocimientos actuales Prout no iba muy descaminado, puesto que el átomo de hidrógeno posee en su núcleo solamente un protón, mientras que los átomos del resto de los elementos tienen varios protones: el helio dos, el litio tres, etc... Durante décadas, algunos de los químicos más prestigiosos hicieron un trabajo experimental formidable para medir con una gran precisión las masas atómicas de los distintos elementos y comprobar así si eran múltiplos de la del átomo de hidrógeno. Lo que no sabían estos investigadores es que existen varios isótopos de cada elemento, cada uno de ellos con el mismo número de protones en el núcleo (número que caracteriza al elemento), pero con distinto número de neutrones y, por tanto, con distinta masa atómica. Lo que habían medido estos químicos con tanta precisión no eran masas exactas de átomos individuales, sino el promedio de la masa de los distintos isótopos de las muestran con las que trabajaban . Este promedio depende tanto de las masas de cada isótopo como de la proporción de cada uno de ellos que podemos encontrar en la naturaleza; y este último dato puede considerarse contingente en tanto que depende, más que de las leyes fundamentales de la naturaleza, de las características específicas de formación y edad del planeta Tierra, de nuestro sistema solar y de nuestra galaxia. Como consecuencia, todo este trabajo experimental formidable, extenso y rigurosísimo acabó siendo desechado porque dejó de ser relevante a la luz de un nuevo paradigma.

Por ello, nos vemos obligados a rechazar totalmente la proposión B: los hechos no son anteriores a la teoría ni independientes de ella. Es imposible realizar una observación o experimentación en ciencia si no contamos con una guía respecto de qué clase de conocimiento estamos buscando. Si no tenemos esa guía, ¿cómo sabemos qué magnitudes tenemos que medir cuando diseñamos cada experimento? Siempre hay una teoría (mucho o poco elaborada) que nos ayuda a la formulación de hipótesis y al diseño, planificación y ejecución de experimentos para poner a prueba las hipótesis. Es decir, para poder seguir los pasos del método científico resulta indispensable trabajar en el contexto de alguna teoría (que puede estar más o menos elaborada) ya existente. La realización de un experimento es una tarea muy compleja que requiere una preparación y adiestramiento previo por parte del experimentador, un gran esfuerzo práctico y todos unos conocimientos previos. Esto implica que no es nada trivial estimar la importancia y la fiabilidad de los resultados del mismo.

Estos conocimientos previos necesarios pueden influir y, de hecho, han influido notablemente en algunos casos, en la aceptación o no de un determinado hecho experimental. Son notables los casos en los que ha ocurrido esto en la historia de la ciencia y comentaremos algo sobre este tema en un artículo posterior.

Por ello, para ser lo más rigurosos posibles y tener todas las variables controladas, sería necesario explicitar todo el entramado de conocimiento previo a la realización del experimento. No obstante, esto resulta imposible. Como señaló el químico-físico, economista y filósofo hungaro-británico Michael Polanyi [5], gran parte del conocimiento que tiene un sujeto en cada momento, incluso el conocimiento científico, es implícito: no es posible explicitarlo entre otras cosas porque el sujeto ni siquiera es consciente de que lo tiene.

Todo esto hace que los hechos en los que descansan las ciencias experimentales no sean tan directos, infalibles y objetivos de lo que a primera vista podría parecer, y tampoco es posible controlar con exactitud esta falibilidad. No obstante, insistimos de nuevo en que es un objetivo principal de la ciencia el minimizar en el mayor grado posible esta subjetividad y arbitrariedad. El gran éxito que han tenido las ciencias experimentales en los últimos siglos nos indica claramente que esta empresa no es ni mucho menos utópica.

Por otro lado, la proposición

• D) Es posible ir de forma correcta y legítima de los "hechos'' a las leyes y teorías mediante el uso de la razón. 

se analiza en el siguiente artículo:

"Los problemas de la inducción"

Sobre el autor: Sergio Montañez Naz es doctor en física y profesor de secundaria de la enseñanza pública en la Comunidad de Madrid.

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[1] "We live in a society exquisitely dependent on science and technology, in which hardly anyone knows anything about science and technology. This is a clear prescription for disaster" en Sagan C: "Why we need to understand science", Parade Magazine, September 10, 1989

[2] A.F. Chalmers, Qué es esa cosa llamada ciencia. Tercera edición. Siglo XXI de España Editores. Madrid. 2000.

[3] D.P. Ausubel, J.D. Novak, H. Hanesian, Psicología Educativa: Un punto de vista cognoscitivo. Ed.TRILLAS México. 1983.

[4] D. Mayo, ``Error and the Growth of Experimental Knowledge''. Science and Its Conceptual Foundations series University of Chicago Press, 1996.

[5] M. Polanyi, Personal Knowledge: Towards a Post-Critical Philosophy. University of Chicago Press. 1958.