Experimento

Un experimento es un procedimiento que se lleva a cabo para apoyar o refutar una hipótesis , o para determinar la eficacia o probabilidad de algo que no se ha probado previamente. Los experimentos permiten comprender la relación causa-efecto al demostrar qué resultado se produce cuando se manipula un factor determinado. Los experimentos varían mucho en cuanto a su objetivo y escala, pero siempre se basan en un procedimiento repetible y en un análisis lógico de los resultados. También existen estudios experimentales naturales .

Un niño puede realizar experimentos básicos para comprender cómo caen las cosas al suelo, mientras que equipos de científicos pueden tardar años de investigación sistemática para profundizar en la comprensión de un fenómeno. Los experimentos y otros tipos de actividades prácticas son muy importantes para el aprendizaje de los estudiantes en el aula de ciencias. Los experimentos pueden mejorar las calificaciones en las pruebas y ayudar a que un estudiante se involucre más y se interese por el material que está aprendiendo, especialmente cuando se utilizan a lo largo del tiempo. ^{[ 1 ]} Los experimentos pueden variar desde comparaciones naturales personales e informales (por ejemplo, probar una variedad de chocolates para encontrar un favorito), hasta altamente controlados (por ejemplo, pruebas que requieren aparatos complejos supervisados ​​por muchos científicos que esperan descubrir información sobre partículas subatómicas). Los usos de los experimentos varían considerablemente entre las ciencias naturales y las humanas .

Los experimentos suelen incluir controles , diseñados para minimizar los efectos de variables distintas a la variable independiente principal . Esto aumenta la fiabilidad de los resultados, a menudo mediante la comparación entre las mediciones de los controles y las demás mediciones. Los controles científicos forman parte del método científico . Idealmente, todas las variables de un experimento están controladas (contabilizadas por las mediciones de control) y ninguna queda sin controlar. En un experimento de este tipo, si todos los controles funcionan como se espera, se puede concluir que el experimento funciona según lo previsto y que los resultados se deben al efecto de las variables analizadas.

En el método científico , un experimento es un procedimiento empírico que arbitra modelos o hipótesis en competencia . ^{[ 2 ] [ 3 ]} Los investigadores también utilizan la experimentación para probar teorías existentes o nuevas hipótesis para apoyarlas o refutarlas. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Un experimento generalmente pone a prueba una hipótesis , que es una expectativa sobre cómo funciona un proceso o fenómeno en particular. Sin embargo, un experimento también puede tener como objetivo responder a una pregunta hipotética, sin una expectativa específica sobre lo que revelará, o confirmar resultados previos. Si un experimento se lleva a cabo con cuidado, los resultados generalmente apoyan o refutan la hipótesis. Según algunas filosofías de la ciencia , un experimento nunca puede "probar" una hipótesis, solo puede aportar evidencia que la respalde. Por otro lado, un experimento que proporciona un contraejemplo puede refutar una teoría o hipótesis, pero una teoría siempre puede ser rescatada mediante modificaciones ad hoc apropiadas , aunque a costa de la simplicidad.

Un experimento también debe controlar los posibles factores de confusión , es decir, cualquier factor que pueda afectar la precisión o la repetibilidad del experimento o la capacidad de interpretar los resultados. Los factores de confusión se eliminan comúnmente mediante controles científicos o, en experimentos aleatorios , mediante la asignación aleatoria .

En ingeniería y ciencias físicas , los experimentos son un componente fundamental del método científico. Se utilizan para comprobar teorías e hipótesis sobre cómo funcionan los procesos físicos en condiciones específicas (por ejemplo, si un proceso de ingeniería determinado puede producir un compuesto químico deseado). Por lo general, los experimentos en estos campos se centran en replicar procedimientos idénticos con la esperanza de obtener resultados idénticos en cada repetición. La asignación aleatoria es poco común.

En medicina y ciencias sociales , la prevalencia de la investigación experimental varía ampliamente entre disciplinas. Sin embargo, cuando se utilizan, los experimentos suelen seguir la forma del ensayo clínico , donde las unidades experimentales (generalmente seres humanos individuales) se asignan aleatoriamente a una condición de tratamiento o control donde se evalúa uno o más resultados. ^{[ 5 ]} A diferencia de las normas en las ciencias físicas, el enfoque suele estar en el efecto promedio del tratamiento (la diferencia en los resultados entre los grupos de tratamiento y control) u otra estadística de prueba producida por el experimento. ^{[ 6 ]} Un solo estudio generalmente no implica replicaciones del experimento, pero los estudios separados pueden agregarse a través de revisiones sistemáticas y metaanálisis .

Existen diversas diferencias en la práctica experimental en cada una de las ramas de la ciencia . Por ejemplo, la investigación agrícola suele utilizar experimentos aleatorios (por ejemplo, para probar la eficacia comparativa de diferentes fertilizantes), mientras que la economía experimental a menudo implica pruebas experimentales de comportamientos humanos teóricos sin depender de la asignación aleatoria de individuos a condiciones de tratamiento y control.

Varios estudiosos han señalado que el relato de Daniel 1:12-16 contiene una de las primeras descripciones de una prueba comparativa controlada en la literatura antigua. En la narración, Daniel y sus compañeros solicitan una prueba de diez días en la que solo consumen vegetales y agua, mientras que otros jóvenes continúan con la dieta del rey. Se comparan los resultados de ambos regímenes y se instruye al administrador para que actúe en función del resultado observado. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Los historiadores de la ciencia han citado ocasionalmente este pasaje como un ejemplo literario temprano de razonamiento empírico. David C. Lindberg señala que la Biblia hebrea contiene "procedimientos que se asemejan a pruebas empíricas" e incluye Daniel 1 entre los ejemplos donde se organiza deliberadamente un ensayo para evaluar condiciones contrapuestas. ^{[ 9 ]} James C. VanderKam describe asimismo el episodio como la presentación de "un diseño experimental rudimentario" que contrasta dos dietas en circunstancias controladas. ^{[ 10 ]} Si bien esta opinión no es universal, algunos comentaristas se han referido al episodio como una de las primeras pruebas experimentales registradas. ^{[ 11 ]}

Uno de los primeros enfoques metódicos de los experimentos en el sentido moderno se observa en las obras del matemático y erudito árabe Ibn al-Haytham . Llevó a cabo sus experimentos en el campo de la óptica —remontándose a problemas ópticos y matemáticos en las obras de Ptolomeo— controlando sus experimentos mediante factores como la autocrítica, la confianza en los resultados visibles de los experimentos y la criticidad en función de resultados anteriores. Fue uno de los primeros eruditos en utilizar un método inductivo-experimental para obtener resultados. ^{[ 12 ]} En su Libro de Óptica describe el enfoque fundamentalmente nuevo del conocimiento y la investigación en un sentido experimental:

Es decir, deberíamos retomar la investigación de sus principios y premisas, comenzando con un examen de las cosas existentes y un análisis de las condiciones de los objetos visibles. Deberíamos distinguir las propiedades de los particulares y deducir por inducción qué concierne al ojo cuando se produce la visión y qué se encuentra, en el modo de la sensación, como uniforme, inmutable, manifiesto e indudable. Después, deberíamos avanzar en nuestra investigación y razonamientos de forma gradual y ordenada, criticando las premisas y siendo prudentes con respecto a las conclusiones. Nuestro objetivo en todo lo que sometemos a examen y revisión es emplear la justicia, no seguir los prejuicios, y tener cuidado en todo lo que juzgamos y criticamos de buscar la verdad y no dejarnos influir por la opinión. De esta manera, podremos llegar finalmente a la verdad que agrada al corazón y alcanzar gradual y cuidadosamente el fin en el que aparece la certeza; mientras que, mediante la crítica y la prudencia, podremos captar la verdad que disipa el desacuerdo y resuelve las dudas. A pesar de todo, no estamos libres de esa turbidez humana que es propia de la naturaleza del hombre; pero debemos hacer lo mejor que podamos con lo que poseemos de nuestras capacidades humanas. De Dios recibimos apoyo en todas las cosas. ^{[ 13 ]}

Según su explicación, es necesaria una ejecución de pruebas estrictamente controlada, teniendo en cuenta la subjetividad y la susceptibilidad de los resultados debido a la naturaleza humana. Además, es necesaria una visión crítica de los resultados de estudios anteriores.

Por lo tanto, es deber del hombre que estudia los escritos de los científicos, si su objetivo es conocer la verdad, convertirse en enemigo de todo lo que lee y, aplicando su mente al núcleo y a los márgenes de su contenido, atacarlo desde todos los ángulos. También debe cuestionarse a sí mismo al realizar su examen crítico, para evitar caer en prejuicios o indulgencia. ^{[ 14 ]}

Por lo tanto, para un experimento objetivo es necesaria la comparación de resultados previos con los resultados experimentales, siendo los resultados visibles los más importantes. En última instancia, esto puede significar que un investigador experimental deba tener el valor suficiente para descartar opiniones o resultados tradicionales, especialmente si estos no son experimentales, sino que provienen de una derivación lógica o mental. En este proceso de reflexión crítica, el investigador no debe olvidar que tiende a tener opiniones subjetivas —debido a prejuicios y cierta indulgencia— y, por consiguiente, debe ser crítico con su propia manera de formular hipótesis.

Francis Bacon (1561-1626), filósofo y científico inglés del siglo XVII, se convirtió en un influyente defensor de la ciencia experimental durante el Renacimiento inglés . Discrepaba del método de deducción para responder preguntas científicas —similar al de Ibn al-Haytham— y lo describió así: «Tras determinar la pregunta según su voluntad, el hombre recurre a la experiencia y, doblegándola a su antojo, la lleva como a una prisionera en procesión». ^{[ 15 ]} Bacon buscaba un método basado en observaciones repetibles, o experimentos. Cabe destacar que fue el primero en establecer el método científico tal como lo conocemos hoy.

Queda la experiencia simple; que, si se acepta tal como viene, se llama accidente, si se busca, experimento. El verdadero método de la experiencia primero enciende la vela [hipótesis], y luego, por medio de la vela, muestra el camino [organiza y delimita el experimento]; comenzando, pues, con una experiencia debidamente ordenada y asimilada, no torpe ni errática, y de ella deduciendo axiomas [teorías], y de los axiomas establecidos, nuevos experimentos. ^{[ 16 ] : 101}

En los siglos siguientes, quienes aplicaron el método científico en diferentes áreas realizaron importantes avances y descubrimientos. Por ejemplo, Galileo Galilei (1564-1642) midió el tiempo con precisión y realizó experimentos para obtener mediciones y conclusiones exactas sobre la velocidad de un cuerpo en caída libre. Antoine Lavoisier (1743-1794), químico francés, utilizó la experimentación para describir nuevas áreas, como la combustión y la bioquímica , y para desarrollar la teoría de la conservación de la masa (materia). ^{[ 17 ]} Louis Pasteur (1822-1895) utilizó el método científico para refutar la teoría predominante de la generación espontánea y para desarrollar la teoría microbiana de las enfermedades . ^{[ 18 ]} Debido a la importancia de controlar las variables potencialmente confusoras, se prefiere el uso de experimentos de laboratorio bien diseñados siempre que sea posible.

A principios del siglo XX se produjo un progreso considerable en el diseño y análisis de experimentos, con contribuciones de estadísticos como Ronald Fisher (1890-1962), Jerzy Neyman (1894-1981), Oscar Kempthorne (1919-2000), Gertrude Mary Cox (1900-1978) y William Gemmell Cochran (1909-1980), entre otros. ^{[ 19 ]}

Los experimentos pueden clasificarse según diversas dimensiones, en función de las normas y estándares profesionales de los diferentes campos de estudio.

En algunas disciplinas (por ejemplo, psicología o ciencias políticas ), un «experimento verdadero» es un método de investigación social en el que existen dos tipos de variables . La variable independiente es manipulada por el experimentador, y la variable dependiente es medida. La característica distintiva de un experimento verdadero es que asigna aleatoriamente a los sujetos para neutralizar el sesgo del experimentador y garantiza, a lo largo de un gran número de iteraciones del experimento, que controla todos los factores de confusión. ^{[ 20 ]}

Dependiendo de la disciplina, los experimentos pueden realizarse para lograr objetivos diferentes pero no mutuamente excluyentes: ^{[ 21 ]} probar teorías, buscar y documentar fenómenos, desarrollar teorías o asesorar a los responsables políticos. Estos objetivos también se relacionan de manera diferente con las preocupaciones sobre la validez .

Un estudio observacional se utiliza cuando resulta poco práctico, poco ético, prohibitivo en costos (o ineficiente) adaptar un sistema físico o social a un entorno de laboratorio, controlar completamente los factores de confusión o aplicar una asignación aleatoria. También puede utilizarse cuando los factores de confusión son limitados o se conocen lo suficientemente bien como para analizar los datos a la luz de ellos (aunque esto puede ser poco frecuente cuando se examinan fenómenos sociales). Para que una ciencia observacional sea válida, el experimentador debe conocer y tener en cuenta los factores de confusión . En estas situaciones, los estudios observacionales son valiosos porque a menudo sugieren hipótesis que pueden contrastarse mediante experimentos aleatorios o recopilando nuevos datos.

Fundamentalmente, sin embargo, los estudios observacionales no son experimentos. Por definición, carecen de la manipulación necesaria para los experimentos baconianos . Además, los estudios observacionales (por ejemplo, en sistemas biológicos o sociales) suelen implicar variables difíciles de cuantificar o controlar. Los estudios observacionales son limitados porque carecen de las propiedades estadísticas de los experimentos aleatorizados. En un experimento aleatorizado, el método de aleatorización especificado en el protocolo experimental guía el análisis estadístico, que generalmente también se especifica en dicho protocolo. ^{[ 24 ]} Sin un modelo estadístico que refleje una aleatorización objetiva, el análisis estadístico se basa en un modelo subjetivo. ^{[ 24 ] Las inferencias derivadas de modelos subjetivos no son fiables ni} en teoría ni en la práctica. ^{[ 25 ]} De hecho, existen varios casos en los que estudios observacionales realizados con rigor arrojan resultados erróneos de forma sistemática; es decir, los resultados de los estudios observacionales son inconsistentes y difieren de los resultados de los experimentos. Por ejemplo, los estudios epidemiológicos sobre el cáncer de colon muestran sistemáticamente correlaciones beneficiosas con el consumo de brócoli, mientras que los experimentos no encuentran ningún beneficio. ^{[ 26 ]}

Un problema particular de los estudios observacionales con sujetos humanos es la gran dificultad para lograr comparaciones justas entre tratamientos (o exposiciones), ya que estos estudios son propensos al sesgo de selección , y los grupos que reciben diferentes tratamientos (exposiciones) pueden diferir considerablemente según sus covariables (edad, altura, peso, medicamentos, ejercicio, estado nutricional, etnia, antecedentes médicos familiares, etc.). En cambio, la aleatorización implica que, para cada covariable, se espera que la media de cada grupo sea la misma. En cualquier ensayo aleatorizado, se espera cierta variación con respecto a la media, por supuesto, pero la aleatorización garantiza que los grupos experimentales tengan valores medios cercanos, debido al teorema del límite central y la desigualdad de Markov . Con una aleatorización inadecuada o un tamaño de muestra pequeño, la variación sistemática de las covariables entre los grupos de tratamiento (o de exposición) dificulta la separación del efecto del tratamiento (exposición) de los efectos de las demás covariables, la mayoría de las cuales no se han medido. Los modelos matemáticos utilizados para analizar dichos datos deben tener en cuenta cada covariable diferente (si se mide), y los resultados no son significativos si una covariable no se aleatoriza ni se incluye en el modelo.

Para evitar condiciones que hagan que un experimento sea mucho menos útil, los médicos que realizan ensayos clínicos —por ejemplo, para la aprobación de la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU.— cuantifican y aleatorizan las covariables que se pueden identificar. Los investigadores intentan reducir los sesgos de los estudios observacionales con métodos de emparejamiento como el emparejamiento por puntuación de propensión , que requieren grandes poblaciones de sujetos e información extensa sobre las covariables. Sin embargo, el emparejamiento por puntuación de propensión ya no se recomienda como técnica porque puede aumentar, en lugar de disminuir, el sesgo. ^{[ 27 ]} Los resultados también se cuantifican cuando es posible (densidad ósea, cantidad de alguna célula o sustancia en la sangre, fuerza o resistencia física, etc.) y no se basan en la opinión de un sujeto o un observador profesional. De esta manera, el diseño de un estudio observacional puede hacer que los resultados sean más objetivos y, por lo tanto, más convincentes.

Al poner la distribución de la(s) variable(s) independiente(s) bajo el control del investigador, un experimento —particularmente cuando involucra sujetos humanos— introduce posibles consideraciones éticas, como equilibrar el beneficio y el daño, distribuir equitativamente las intervenciones (por ejemplo, tratamientos para una enfermedad) y el consentimiento informado . Por ejemplo, en psicología o atención médica, no es ético proporcionar un tratamiento deficiente a los pacientes. Por lo tanto, se supone que los comités de revisión ética deben detener los ensayos clínicos y otros experimentos a menos que se crea que un nuevo tratamiento ofrece beneficios tan buenos como la mejor práctica actual. ^{[ 28 ]} También es generalmente no ético (y a menudo ilegal) realizar experimentos aleatorios sobre los efectos de tratamientos deficientes o dañinos, como los efectos de la ingestión de arsénico en la salud humana. Para comprender los efectos de tales exposiciones, los científicos a veces utilizan estudios observacionales para comprender los efectos de esos factores.

Incluso cuando la investigación experimental no involucra directamente a seres humanos, puede plantear dilemas éticos. Por ejemplo, los experimentos con bombas nucleares realizados por el Proyecto Manhattan implicaban el uso de reacciones nucleares para dañar a seres humanos, aunque dichos experimentos no involucraron directamente a ningún sujeto humano.

• Dunning, Thad (2012). Experimentos naturales en las ciencias sociales  : un enfoque basado en el diseño . Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-1107698000.
• Shadish, William R.; Cook, Thomas D.; Campbell, Donald T. (2002). Diseños experimentales y cuasiexperimentales para la inferencia causal generalizada (ed. Nachdr.  ). Boston: Houghton Mifflin. ISBN 0-395-61556-9.( Fragmentos )
• Jeremy, Teigen (2014). «Métodos experimentales en estudios militares y de veteranos». En Soeters, Joseph; Shields, Patricia; Rietjens, Sebastiaan (eds.). Routledge Handbook of Research Methods in Military Studies . Nueva York: Routledge. pp. 228–238 . 

• Lecciones de circuitos eléctricos – Volumen VI – Experimentos
• Experimento en física de la Enciclopedia de Filosofía de Stanford