La Práctica de la Ciencia: _{Una introducción a los métodos de investigación}

Una breve historia de la práctica científica

Las raíces documentadas de la investigación científica formal se encuentran en el trabajo colectivo de un número de individuos en las antiguas culturas de Grecia, Persia, India, China y europeas, y no en una sola persona o evento. El matemático griego Pitágoras está considerado como la primera persona que promueve una hipótesis científica cuando, basándose en su estudio descriptivo del movimiento de las estrellas en el cielo, en el siglo V antes de nuestra era, propuso que la Tierra era redonda. El matemático y astrónomo indio Aryabhata usa documentos descriptivos acerca del movimiento de los objetos en el cielo nocturno para proponer en el siglo VI de nuestra era que el sol era el centro del sistema solar. En el siglo IX, alquimistas chinos inventaron la pólvora mientras realizaban experimentos para obtener oro de otras substancias. Al científico persa, Alhazen, se le atribuye la concepción del experimento científico mientras investigaba las propiedades relacionadas con la visión y la luz alrededor del año 1000 de nuestra era.

Estos y otros eventos demuestran que un enfoque científico para tratar cuestiones sobre el mundo natural ha existido en muchas culturas. Sin embargo, muchos historiadores consideran que las raíces de los métodos científicos de investigación modernos yacen en la revolución científica que ocurrió en Europa en los siglos XVI y XVII. La mayoría de los historiadores citan el comienzo de la revolución científica con la publicación de De Revolutionibus Orbium Coelestium (Sobre las revoluciones de las esferas celestes) en 1543 por el astrónomo polaco Nicolaus Copernicus. Las cuidadosas observaciones y descripciones de Copérnico sobre el movimiento de los planetas en relación con la Tierra, le llevó a formular la hipótesis de que el sol estaba en el centro del sistema solar y que los planetas giraban alrededor del sol en órbitas progresivamente más grandes en el siguiente orden: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Jupiter, y Saturno (Figura 1). A pesar de que Copernicus no fue la primera persona que propuso una perspectiva heliocéntrica del sistema solar, su sistemática recopilación de datos proporcionó un riguroso argumento que desafió la común creencia que la Tierra era el centro del universo.

Posteriormente la revolución científica fue alimentada con el trabajo de Galileo Galilei, Johannes Kepler, Isaac Newton y otros, que no solamente desafiaron la tradicional perspectiva geocéntrica del universo, sino que también rechazaron explícitamente los enfoques filosóficos más antiguos sobre la ciencia natural, popularizados por Aristóteles. Un hecho clave que marca el rechazo del método filosófico es la publicación de Novum Organum: Nuevas direcciones acerca de la interpretación de la naturaleza por Francis Bacon en 1620. Bacon no era un científico, era más bien un filósofo y ensayista inglés, y Novum es un trabajo sobre la lógica. En él, Bacon presenta un método inductivo de razonamiento, a partir del argumento de que es superior al enfoque filosófico de Aristóteles. El método de Bacon involucra un ciclo repetido de observación, hipótesis, experimentación y la necesidad de verificación independiente. El trabajo de Bacon aboga por un método que es objetivo, lógico y empírico, y proporciona una base para el desarrollo de una metodología de investigación científica.

El método de razonamiento científico se continuó desarrollando con la publicación de Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (Los principios matemáticos de la filosofía natural) del físico y matemático inglés Isaac Newton en 1686. Este texto estableció cuatro reglas (descritas más detalladamente here) convertidas en la base del enfoque moderno a la ciencia. En resumen, las reglas de Newton proponen que la explicación más simple de los fenómenos naturales es usualmente la mejor, contrarrestando la práctica común en su época, de asignar complicadas explicaciones derivadas de sistemas de creencias, de lo oculto, y de observaciones de eventos naturales. Además, este texto sostiene que no se debe usar explicaciones especiales sobre datos nuevos cuando ya existe una explicación razonable. El texto también critica especialmente la tendencia de muchos de los contemporáneos de Newton de exagerar el significado de sus conclusiones con explicaciones nuevas y exóticas.

Bacon y Newton tendieron los cimientos sobre los cuales los científicos e investigadores modernos desarrollaron una rigurosa metodología de investigación de fenómenos naturales. En particular, los estadígrafos ingleses Karl Pearson y Ronald Fisher perfeccionaron significativamente la investigación científica en el siglo XX, al desarrollar técnicas estadísticas para el análisis de datos y el diseño de investigación (vea nuestro módulo Data: Statistics). La práctica de la ciencia continúa evolucionando hoy en día, a medida que nuevos instrumentos y tecnologías se hacen disponibles y que crece nuestro conocimiento sobre el mundo natural. La práctica de la ciencia es comúnmente tergiversada como un simple camino de cuatro o cinco pasos que responde la cuestión científica, llamado el "El método científico." En realidad, los científicos raramente siguen un camino tan recto en su investigación. Al contrario, la investigación científica incluye muchos caminos posibles, y no todos conducen a respuestas inequívocas. El método científico real, o la práctica de la ciencia, es mucho más dinámico e interesante.

Más de un Método Científico

La presentación típica del "método científico" (Figura 2) sugiere que la investigación científica sigue un camino lineal, procediendo de una pregunta a través de observación, formulación de hipótesis, experimentación que al final produce resultados y una conclusión. Sin embargo, la investigación científica no siempre procede linealmente. Por ejemplo, antes de la mitad de los años 1800, una hipótesis científica popular sostenía que los gusanos y microorganismos podían ser generados espontáneamente de una fuerza viva inherente existente en algunas comidas. Louis Pasteur dudaba de esta hipótesis y la duda lo condujo a realizar una serie de experimentos que refutaron la teoría de la generación espontánea (ver nuestro módulo Research Methods: Experimentation). Sería difícil caracterizar el trabajo de Pasteur, usando la figura 2, pues a pesar de que involucraba experimentación, no desarrolló una hipótesis anterior a sus experimentos, sino que, al contrario, tenía la motivación de refutar una hipótesis existente. O considere el trabajo de Grove Karl Gilbert, cuando realizó investigaciones en las montañas Henry de Utah, al final de los 1800 (ver nuestro módulo Research Methods: Description). A Gilbert no lo atrajo una pregunta científica urgente, al contrario, a él lo mandó el gobierno americano para explorar la región. Es más, Gilbert no realizó un sólo experimento en las montañas Henry; su trabajo estaba basado solamente en la observación y descripción, y nadie disputaría que Gilbert si estaba practicando ciencia. El tradicional y simplista método científico presentado en la figura 2 ni empieza a reflejar la riqueza o diversidad de la investigación científica, mucho menos la diversidad de los científicos.

Métodos de investigación científicos

La investigación científica es una práctica robusta y dinámica que emplea múltiples métodos hacia la investigación de fenómenos, incluidos experimentación, descripción, comparación, y modelaje. A pesar de que estos métodos están descritos separadamente aquí y más detalladamente en módulos posteriores, muchos de estos métodos coinciden o se combinan. Por ejemplo, cuando en el 2005 los científicos de la NASA golpearon a propósito una nave espacial de 370 kg llamada Deep Impact con un cometa, el estudio tenía algunos aspectos de investigación descriptiva y otros aspectos de investigación experimental (ver nuestro módulo Research Methods: Experimentation). Muchas investigaciones científicas emplean ampliamente un método, pero diferentes métodos pueden ser combinados en un estudio único, o un estudio único puede tener características de más de un método. La elección de cuál de ellos utilizar es personal y depende de las experiencias de los científicos que realizan la investigación y de la naturaleza de la pregunta que buscan responder. A pesar de las coincidencias e interconexiones de los métodos de investigación, es útil discutirlos separadamente, para entender las principales características de cada uno y las maneras en que pueden ser usados para investigar una pregunta.

Experimentación (ver nuestro módulo Research Methods: Experimentation). Los métodos experimentales se usan para investigar la relación o relaciones de una o más variables cuando al menos una de ellas puede ser intencionalmente controlada o manipulada. El efecto de esta manipulación (comúnmente llamado tratamiento) puede ser medido en otra variable o variables. El trabajo del científico Louis Pasteur es un ejemplo clásico. Pasteur colocó caldo de sopa en una serie de frascos, algunos abiertos al aire y otros sellados. Posteriormente, midió el efecto que ejercía el tipo de frasco en la aparición de los microorganismos en el caldo, en un esfuerzo por estudiar el origen de estos microorganismos.

Descripción (vea nuestro módulo Research Methods: Description). La descripción se usa para recoger datos sobre los fenómenos naturales y relaciones naturales, e incluye observaciones y medidas de comportamientos. Un ejemplo clásico es el estudio descriptivo de Copérnico sobre las observaciones y los esbozos del movimiento de los planetas en el cielo, en un esfuerzo de determinar si la Tierra o el Sol están en el centro orbital de estos objetos.

Comparación (ver nuestro módulo Research Methods: Comparison). La comparación se usa para determinar y cuantificar las relaciones entre dos o más variables al observar diferentes grupos que, ya sea por elección o circunstancia, están expuestos a tratamientos diferentes. Algunos ejemplos de investigaciones comparativas son los estudios iniciados en los años 1950 para investigar las relaciones entre fumar y el cáncer de pulmón en la que los científicos compararon individuos que habían elegido fumar por su propia voluntad con no fumadores y correlacionaron la decisión de fumar (el tratamiento) con varios problemas de salud incluido el cáncer de pulmón.

Modelación (ver nuestro módulo Research Methods: Modeling). Los modelos producidos físicamente o por computadora están construidos para mimetizar los sistemas naturales y, posteriormente, ser usados para conducir experimentos o realizar observaciones. El pronóstico meteorológico es un ejemplo de un modelo científico que vemos cotidianamente. En él, los datos sobre la temperatura, la velocidad y la dirección del viento son combinados con físicas comunes de circulación atmosférica, para predecir el rumbo de la tormenta y otros patrones meteorológicos.

Estos métodos están interconectados y son frecuentemente combinados para entender mejor complejos fenómenos. La modelación y la experimentación son maneras de simplificar los sistemas hacia un entendimiento de la causalidad y eventos futuros. Sin embargo, ambos dependen de suposiciones y conocimientos de los sistemas existentes, y son usados para examinan la aplicación de resultados experimentales y modelados en los sistemas del mundo real. Los resultados de estudios comparativos son frecuentemente usados para confirmar las relaciones causales identificadas por los modelos y experimentos. Mientras que algunas preguntas se prestan a una u otra estrategia debido a la naturaleza o al alcance del problema que se investiga, la mayoría de las áreas de la investigación científica emplea todos estos métodos como una manera de complementarse para aclarar una hipótesis, teoría o idea científica específica. Las teorías científicas se aclaran y se fortalecen a través de la acumulación de datos de más de un método, lo que genera múltiples líneas de evidencia. Por ejemplo, tome los variados métodos de investigación usados para investigar lo que se conoce como el "agujero de ozono."

Los métodos de investigación en la práctica. La investigación de la depleción del ozono estratosférico

Las teorías científicas se aclaran y fortalecen mediante la recopilación de datos de más de un método que genera múltiples líneas de evidencia. Tomemos, por ejemplo, los diversos métodos de investigación utilizados para investigar lo que se conoció como el "agujero de ozono".

Los primeros estudios descriptivos y comparativos apuntan hacia problemas. En 1957, el centro British Antarctic Survey (BAS) empezó un estudio descriptivo de los niveles de ozono en un esfuerzo para comprender mejor el papel que tenía el ozono en la absorción de la energía solar (MacDowall & Sutcliffe, 1960). Desde entonces, durante los próximos 20 años, el BAS registró los niveles de ozono y observó los cambios estacionales en los niveles de ozono, lo que ellos atribuyeron a fluctuaciones naturales. A mediados de los años 1970, sin embargo, el BAS empezó a notar una caída dramática en los niveles de ozono, fenómeno que ellos correlacionaban con los cambios estacionales en la Antártica. En el curso de una década, notaron que el "agujero de ozono" (Figura 3) había empezado a aparecer en el Polo Sur (Farman et al., 1985).

El desarrollo de la nueva tecnología abre novedosos senderos de investigación. Simultáneamente a los primeros estudios de BAS, el científico británico James Lovelock estaba desarrollando nueva tecnología para la detección de restos de concentraciones de gases y vapores en la atmósfera (Lovelock, 1960). Lovelock inventó un instrumento, un sensible detector que captura electrones y que podía cuantificar los niveles atmosféricos de clorofluorocarbono (CFC). En ese momento, los CFCs eran ampliamente usados como refrigerantes y propulsores en las latas de aerosol y se pensaba que se mantenían estables en la atmósfera y, por consiguiente, que eran químicos inocuos. En 1970, Lovelock empezó un estudio de observación de los CFCs atmosféricos y encontró que los químicos eran ciertamente muy estables, y que podían trasladarse a través de largas distancias desde centros de polución urbana con los vientos predominantes. Con la impresión de que los CFCs eran químicos inertes, Lovelock propuso que los químicos podían ser usados como rastreadores atmosféricos de grandes movimientos de masa aérea (Lovelock, 1971).

Las investigaciones modeladoras y experimentales son usadas para establecer conexiones causales. En 1972, F. Sherwood Rowland, un químico de la Universidad de California, en Irvine, asistió a una charla sobre el trabajo de Lovelock. Rowland se interesó en los CFCs y empezó a estudiar el tema con un colega en Irvine, Mario Molina. Molina y Rowland estaban familiarizados con la investigación modeladora de Paul Cruntzen, un investigador del centro National Center for Atmospheric Research en Colorado, quien previamente había demostrado que los óxido nitrógenos hacen parte de las reacciones químicas en la estratosfera y, por lo tanto, pueden influenciar los niveles de ozono de la atmosfera superior (Crutzen, 1970). También estaban familiarizados con la investigación modelada de Harold Johnston, un químico atmosférico de la Universidad de California en Berkeley, que sugería que las emisiones de oxido de nitrógeno de aviones supersónicos, podía reducir los niveles de ozono estratosféricos (Johnston, 1971). Con estos estudios en mente, consultaron la investigación experimental publicada por Michael Clyne y Ronald Walker, dos químicos británicos, sobre los índices de reacción de varios compuestos de cloro (Clyne & Walker, 1973).En 1974, Molina y Rowland publicaron un famoso estudio en la revista Nature en que el que modelaron cinéticas químicas para mostrar que los CFCs no estaban completamente inertes, y que podían ser transportadas a grandes alturas donde se partirían en una fuerte luz solar y soltarían radicales de cloro (Molina & Rowland, 1974). El modelo de Molina y Rowland predijo que los radicales de cloro, que son reactivos, podían causar la destrucción de significativas cantidades ozono en la estratosfera.

La investigación descriptiva y comparativa provee confirmación del mundo real. En 1976, un grupo de científicos dirigidos por Allan Lazrus en el National Center for Atmospheric Research en Boulder, Colorado uso globos aéreos para llevar instrumentos que pudiesen tomar muestras de aire a gran alturas. En estas muestras, pudieron detectar la presencia de CFCs encima de la troposfera - confirmando que los CFCs efectivamente alcanzaban la estratosfera y que una vez ahí, podían descomponerse en luz (Lazrus et al., 1976). Investigaciones posteriores en los años 1980, usando globos y aviones de alta atmósfera, confirmaron que el cloro y los radicales de óxido de cloro contribuyen a la pérdida de ozono sobre el Antártico (McElroy et al., 1986). Al final de los años 1980, los científicos empezaron a examinar el posible lazo entre la pérdida de ozono y el cáncer de piel debido a que los altos niveles de rayos ultravioletas, tal como existirían en un agujero de ozono, pueden causar cáncer de piel. En áreas como el Sur de Chile, donde los agujeros de ozono se superponen con una masa de tierra poblada, efectivamente se encontró una significativa correlación entre el creciente agujero de ozono y el aumento de los índices de cáncer de piel (Abarca & Casiccia, 2002).

Como consecuencia de esta diversa pero complementaria colección de evidencia científica, la comunidad mundial empezó a limitar el uso de los CFCs y ratificó el Protocolo de Montreal de 1988, que impuso límites internacionales estrictos en el uso de CFCs. En 1995, Molina, Rowland, and Crutzen compartieron el Premio Nobel en química por su investigación, que contribuyó a nuestro entendimiento de la química de ozono.

La historia del ozono (mejor detallada en el enlace de Investigación asociado con ese módulo: The Ozone Depletion Phenomenon) realza un importante punto: la investigación científica es multidimensional, no lineal, y frecuentemente conduce a senderos inesperados. James Lovelock no tenía intención de contribuir a la historia del agotamiento del ozono; su trabajo estaba dirigido a cuantificar los niveles atmosféricos de los CFC. A pesar de que adquirir un conocimiento sobre el agujero de ozono pueda parecer un progreso lineal de eventos, cuando se lo ve a posteriori, no fue así en su momento. Mientras que cada investigador o equipo de investigación construye sobre la base del trabajo previo, es más acertado representar la relación entre sus estudios como una red de eventos interconectados, no unas series lineales. El trabajo de Lovelock condujo a Molina y Rowland a sus modelos de agotamiento de ozono, pero el trabajo de Lovelock también es ampliamente citado por investigadores que desarrollan detectores que capturan electrones. Molina y Rowland no solamente usaron el trabajo de Lovelock, sino que usaron la investigación de Crutzen, Johnston, Clyne, Walker y muchos otros. Cualquier avance en la investigación fue subsiguientemente continuado en varias direcciones diferentes, que se complementaban y reforzaban mutuamente - un fenómeno común en la ciencia. La completa historia del ozono requirió modelaje, experimentación, investigación comparativa y estudios descriptivos para desarrollar una teoría coherente sobre el papel del ozono en la atmósfera, la manera en la que nosotros los humanos influimos sobre ella y cómo nos influye.

La verdadera práctica de la ciencia

Los métodos de la investigación científica hacen parte de la práctica a través de la cual las preguntas son tratadas científicamente. Todos estos métodos producen datos sujetos al análisis e interpretación, y conducen a ideas en la ciencia, tales como hipótesis, teorías y leyes. Las ideas científicas son desarrolladas y diseminadas a través de la literatura, y a partir de ella, algunos individuos y grupos pueden debatir las interpretaciones e importancia de los resultados. Eventualmente, a medida que múltiples líneas de evidencia añaden peso a una idea, ésta se convierte en parte integral de un conjunto de conocimientos que existe en la ciencia y que retroalimenta el proceso de investigación. La Figura 4 aquí debajo, proporciona una visión general de los materiales que hemos desarrollado para explicar la práctica real de la ciencia.

La comunidad científica: Los científicos (ver nuestro módulo Los científicos y la comunidad científica) usan su formación previa, experiencias y hasta prejuicios para decidir los tipos de preguntas que deciden investigar y los métodos de investigación que emplearan. Sus esfuerzos son apoyados por las instituciones científicas y la comunidad en la que trabajan (ver nuestros módulos Scientific Institutions y Societies). La naturaleza humana hace que sea imposible la completa objetividad de cualquier científico, pero un importante aspecto de la investigación científica es que los científicos están abiertos a cualquier potencial resultado. La ciencia enfatiza el uso de múltiples líneas de evidencia como un control de la objetividad de los científicos individuales y de la comunidad en general. Se repite la investigación, se usan múltiples métodos para investigar el mismo fenómeno y los científicos informan estos métodos y sus interpretaciones cuando publican sus trabajos. Asegurar la objetividad de los datos e interpretación de los mismos, está incluida en la cultura científica. Estas prácticas comunes unen a la comunidad de la ciencia formada por individuos e instituciones dedicadas al avance de la ciencia. Rowland, Molina, Lovelock, y Crutzen estaban guiados por sus intereses personales y apoyados por sus respectivas instituciones. Por ejemplo, además de su trabajo con los CFCs, se le atribuye a James Lovelock a hipótesis de Gaia, la cual estipula que todas las cosas vivientes y no vivientes en el planeta interactúan entre ellas, muy similar a un gran y único organismo. Esta perspectiva influenció su interés en el movimiento de grandes masas de aire a través del globo, trabajo que fue apoyado por la National Aeronautics and Space Administration (NASA).

Los datos: La ciencia es una manera de entender el mundo que nos rodea, y está basada en el principio de reunir y analizar los datos (vea nuestro módulo Data: Analysis and Interpretation). Al contrario, previamente a la divulgación de la ciencia, eran comunes las explicaciones filosóficas de los fenómenos naturales basadas en el razonamiento en vez de los datos. Esto condujo a una cantidad de ideas no fundamentadas, muchas de las cuales han demostrado ser incorrectas. Por ejemplo, además de sus ideas sobre la visión, el filósofo griego Empédocles también razonó que debido a que la mayoría de los animales están calientes cuando se los toca, deben tener fuego en su interior (ver nuestro módulo Matter: States of Matter). Al contrario, la conclusión inicial de la presencia de un agujero en la capa de ozono estratosférico estaba basada en datos recopilados durante años por científicos del British Antarctic Survey. Tambíen era crítico registrar la cantidad de incertidumbre y error (ver nuestro módulo Data: Uncertainty, Error, and Confidence) asociados con estos datos - como que un pequeño error en las unidades Dobson podría haber hecho desaparecer, aparentemente, el agujero. Al usar métodos estadísticos (ver nuestro módulo Data: Statistics) y técnicas de visualización de datos (ver nuestro módulo a href="/library/module_viewer.php?mid=156">Using Graphs and Visual Data in Science) para analizar datos, los científicos en el BAS usaron su propia experiencia y conocimiento para interpretar los datos, demostrando que los "agujeros" eran algo más que un cambio temporal y natural de los niveles de ozono.

Las ideas en la ciencia: La investigación científica contribuye a que el conjunto de conocimiento científico sea guardado en los registros de la literatura científica (ver nuestro módulo Scientific Writing: Literature) para que los futuros científicos puedan aprender del trabajo previo. La literatura no solamente guarda los registros de todos los datos que los científicos han recopilado: también incluye las interpretaciones científicas de estos datos. Por ejemplo, después de observar, recopilar e interpretar los datos, Lovelock construyó la hipótesis de que los CFCs podían ser usados por los meteorólogos como rastreadores benignos del movimiento de grandes masas de aire. Mientras que Lovelock tenía razón en su predicción acerca de que los CFCs pueden ser usados para rastrear el movimiento aéreo, investigaciones posteriores mostraron que no son benignos. Esta hipótesis fue una de las evidencias que Molina y Rowland usaron para formular su teoría del agotamiento del ozono. Las teorías científicas (vea nuestro módulo Ideas in Science: Theories, Hypotheses, and Laws) son ideas que han resistido el escrutinio y están respaldadas por múltiples líneas de evidencia. La teoría del agotamiento del ozono se basa en los resultados de todos los estudios descritos con anterioridad, no solamente el trabajo de Lovelock. Al contrario de las hipótesis, que pueden ser de naturaleza tenue, las teorías dependen de múltiples líneas de evidencia y por consiguiente son duraderas. De todas maneras, las teorías pueden cambiar y pueden ser afinadas a medida que salen a la luz nuevas evidencias y análisis. Por ejemplo, en el año 2007, un grupo de científicos de la NASA informó sobre resultados experimentales que mostraban que el peróxido de cloro, un compuesto formado cuando los CFCs son transportados a la estratosfera y que participan en la destrucción del ozono, reacciona con un índice inferior en la presencia de los rayos ultravioleta, a los que se pensaba previamente (Pope et al., 2007). El trabajo de Pope y sus colegas no cuestiona la teoría de la destrucción del ozono; al contrario, sugiere que algunas modificaciones pueden ser necesarias respecto a los índices de reacción, usados en los modelos químicos atmosféricos.

A pesar de que diferentes científicos usan diferentes métodos, pueden fácilmente compartir resultados y comunicarse entre ellos debido al lenguaje común que se ha desarrollado para presentar e interpretar los datos y construir ideas. Estas características compartidas permiten que estudios tan dispares como la química atmosférica, la biología de las plantas y la paleontología puedan estar reunidos bajo el título de "ciencia," a pesar de que un científico en cualquiera de estas disciplinas necesitará un conocimiento factual muy especializado para llevar a cabo su investigación. Las similitudes generales en la metodología permiten que el conocimiento pueda ser compartido a través de muchas disciplinas.