1.1: La ciencia y el método científico

La ciencia es el proceso de describir el mundo que nos rodea. Es importante señalar que describir el mundo que nos rodea no es lo mismo que explicar el mundo que nos rodea. La ciencia pretende responder a la pregunta “¿Cómo?” y no la pregunta “¿Por qué?”. A medida que desarrollamos nuestra descripción del mundo físico, debes recordar esta importante distinción y resistir el impulso de preguntar “¿Por qué?”.

El Método Científico es una receta para llegar a una descripción del mundo físico que cualquiera puede desafiar y mejorar a través de la realización de experimentos. Si se nos ocurre una descripción que pueda describir muchas observaciones, o el resultado de muchos experimentos diferentes, entonces usualmente llamamos a esa descripción una “Teoría Científica”. Podemos obtener una idea del Método Científico a través de un ejemplo sencillo.

Imagínese que deseamos describir cuánto tiempo tarda una pelota de tenis en llegar al suelo después de ser liberada desde cierta altura. Una forma de proceder es describir cuánto tiempo tarda una pelota de tenis en caer 1 m, y luego describir cuánto tiempo tarda una pelota de tenis en caer 2 m, etc. Podríamos generar una mesa gigante que muestre cuánto tiempo tarda una pelota de tenis en caer desde cualquier altura dada. Alguien podría entonces realizar un experimento para medir cuánto tiempo tarda una pelota de tenis en caer desde 1 m o 2 m y ver si su medición no está de acuerdo con los valores tabulados. Si recogiéramos las descripciones para todas las alturas posibles, entonces efectivamente tendríamos una teoría científica válida y comprobable que describa cuánto tiempo tardan las pelotas de tenis en caer desde cualquier altura.

Supongamos que una científica en ciernes, llamémosla Chloë, entonces vino y notó que hay un patrón en la teoría que se puede describir de manera mucho más sucinta y general que usando una mesa gigante. En particular, supongamos que ella nota que, matemáticamente, el tiempo\(t\),, que tarda una pelota de tenis en caer una altura,\(h\), es proporcional a la raíz cuadrada de la altura:\[t \propto \sqrt{h}\]

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Utilice la teoría de Chloë (\(t \propto \sqrt{h}\)) to determine how much longer it will take for an object to drop by \(2\) m than it would to drop by \(1\) m.

Solución:

Cuando tenemos una ley de proporcionalidad (con un\(\propto\)) signo, siempre podemos cambiar esto a un signo igual introduciendo una constante, a la que llamaremos\(k\):

\[\begin{aligned} t &\propto \sqrt{h} \\ \rightarrow t&=k\sqrt{h}\end{aligned}\]

\(t_{1}\)Sea el momento de caer una distancia\(h_{1}=1\:\text{m}\), y\(t_{2}\) sea el momento de caer una distancia\(h_{2}=2\:\text{m}\). En cuanto a nuestra constante desconocida\(k\),, tenemos:

\[\begin{aligned} t_{1} &=k\sqrt{h_{1}}=k \sqrt{(1\:\text{m})}\\ t_{2} &=k\sqrt{h_{2}}=k \sqrt{(2\:\text{m})}\\\end{aligned}\]

Al tomar la proporción,\(\frac{t_{1}}{t_{2}}\), nuestra constante desconocida\(k\) cancelará:

\[\begin{aligned} \frac{t_{1}}{t_{2}}&=\frac{\sqrt{(1\:\text{m})}}{\sqrt{(2\:\text{m})}}=\frac{1}{\sqrt 2}\\ \therefore t_{2} &= \sqrt{2} t_{1}\end{aligned}\]

y encontramos que tardará\(\sqrt{2}\sim 1.41\) tiempos más largos en caer por\(2\) m que por\(1\) m.

La “Teoría de los tiempos de caída de pelotas de tenis” de Chloë es atractiva porque es sucinta, y también nos permite hacer predicciones verificables. Es decir, usando esta teoría, podemos predecir que tomará una pelota de tenis\(\sqrt 2\) veces más en caer de\(2\) m que de\(1\) m, y luego realizar un experimento para verificar esa predicción. Si el experimento concuerda con la predicción, entonces concluimos que la teoría de Chloë describe adecuadamente el resultado de ese experimento en particular. Si el experimento no concuerda con la predicción, entonces concluimos que la teoría no es una descripción adecuada de ese experimento, y tratamos de encontrar una nueva teoría.

La teoría de Chloë también es atractiva porque puede describir no solo pelotas de tenis, sino también el tiempo que tardan otros objetos en caer. Luego, los científicos pueden proponerse a continuar probando su teoría con una amplia gama de objetos y alturas de caída para ver si también describe esos experimentos. Inevitablemente, descubrirán situaciones en las que la teoría de Chloë no logra describir adecuadamente el tiempo que tardan los objetos en caer (¿se te ocurre un ejemplo?).

Luego desarrollaríamos una nueva “Teoría de la caída de objetos” que incluiría la teoría de Chloë que describe la mayoría de los objetos que caen, y adicionalmente, un conjunto de descripciones de los tiempos de caída para casos que no son descritos por la teoría de Chloë. Idealmente, buscaríamos una nueva teoría que también describiera de manera sucinta los nuevos fenómenos no descritos por la teoría de Chloë. Por supuesto, no hay ninguna garantía, jamás, de que tal teoría existiría; es solo una esperanza optimista de los físicos para encontrar la descripción más general y sucinta del mundo físico. Esta es una diferencia general entre la física y muchas de las otras ciencias. En física, siempre se intenta llegar a una teoría sucinta (por ejemplo, una ecuación) que pueda describir muchos fenómenos, mientras que las otras ciencias suelen ser muy descriptivas. Por ejemplo, no hay una fórmula sucinta de cómo se ven las mariposas; más bien, hay una colección gigante de observaciones de diferentes mariposas.

En este ejemplo se destaca que aplicar el Método Científico es un proceso iterativo. Sin apretar, la prescripción para aplicar el Método Científico es:

1. Identificar y describir un proceso que actualmente no es descrito por una teoría.
2. Observe procesos similares para ver si se pueden describir de manera similar.
3. Mejorar la descripción para llegar a una “Teoría” que pueda generalizarse para hacer predicciones.
4. Probar predicciones de la teoría sobre nuevos procesos hasta que falle una predicción.
5. Mejorar la teoría.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Rellene los espacios en blanco:

La física es una rama de la ciencia que\(\underline{\qquad}\) el comportamiento del universo. Al hacer física, intentamos responder a la pregunta de\(\underline{\qquad}\) que las cosas funcionan de la manera en que lo hacen.

1. explica
2. describe
3. cómo
4. por qué

Responder

B. describe

C. cómo