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Esperimento

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Esperimento della doppia fenditura, uno degli esperimenti notevoli propri della fisica moderna sperimentale

Un esperimento (dal latino experimentum, composto da ex, "da", e periri, "tentare", "passare attraverso") è la realizzazione di un'operazione o sequenza di operazioni, atta a confermare ipotesi o trovare leggi, riproducendo o simulando un fenomeno osservabile in qualunque area scientifica (fisica, chimica, biologia, geologia, psicologia, economia ecc.)[1][2]. Può essere motivato semplicemente dall'interesse a osservare gli accadimenti in maniera approfondita per migliorare la conoscenza del fenomeno, oppure dall'intenzione di studiare, validare o confutare una ipotesi[3][4] nell'ambito di una teoria (o di un modello) nella quale il fenomeno può trovare spiegazione, oppure dalla opportunità di migliorare su base empirica una soluzione tecnica di un problema pratico.

Esperimento e scienza

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Scattering Rutherford
Esperimento di Michelson-Morley
Esperimento di Young

L'esperimento è alla base del metodo sperimentale introdotto da Galileo Galilei[5][6][7].

Il metodo sperimentale si basa sui seguenti passaggi:

  1. Raccolta delle informazioni;
  2. Osservazione del fenomeno;
  3. Scelta (in una certa misura arbitraria) di parametri quantitativi (tipicamente grandezze fisiche) o di caratteristiche strutturali (di un modello fisico) che si vogliono misurare attraverso uno strumento di misura (osservabile fisico);
  4. Formulazione di ipotesi, sopra i parametri o le caratteristiche, atte a spiegare o interpretare il fenomeno;
  5. Revisione o formulazione di una teoria o di un modello che spieghi il fenomeno, sulla base delle ipotesi, in maniera più precisa e/o più ampia;
  6. Realizzazione di esperimenti che verifichino, validino o confutino la teoria o il modello proposto.

Nell'ambito di una disciplina consolidata, un solo esperimento che sia discordante con la teoria viene considerato in grado di invalidarla.

Ad esempio, l'esperimento di Michelson-Morley per la misurazione della velocità della luce in due diversi sistemi di riferimento ha portato alla confutazione della teoria meccanica classica e ha aperto la strada alla teoria della relatività. Questo esperimento ha dimostrato che la velocità della luce è sempre uguale a circa 300.000 km/s, quale che sia il sistema di riferimento in cui la si misura.

Pianificazione

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La pianificazione di un esperimento si preoccupa di fissare le modalità affinché l'esperimento generi dati che permettano di arrivare a conclusioni attendibili[8]. La pianificazione coinvolge diversi aspetti[9][10]:

  1. Innanzitutto è necessario aver chiaro l'obiettivo da perseguire. Tale obiettivo si raggiunge specificando l'ipotesi che si intende verificare.
  2. In seconda fase è necessario individuare le conseguenze dell'ipotesi in ambito osservazionale. In questa fase si devono scegliere le variabili da misurare.
  3. Il passo successivo è quello di stabilire le modalità con cui si raccolgono i dati[11][12]: quante misurazioni effettuare, quanti soggetti (unità statistiche) coinvolgere nello studio (ad es. negli studi clinici), come assegnare i trattamenti ai soggetti (ad esempio casualizzando), quante dosi di un composto utilizzare, ecc.

Quest'ultimo passaggio coinvolge in modo diretto la statistica, in quanto le scelte da effettuare sono volte a contenere l'effetto della variabilità sperimentale e quindi a ridurre le probabilità di prendere decisioni errate[13]. Nell'esempio sottostante vengono delineati i ragionamenti e le considerazioni che stanno alla base della scelta della numerosità del campione.

Gruppi di controllo e gruppi sperimentali

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I gruppi di controllo rappresentano il gruppo di elementi che, all'interno di un esperimento, non subiscono esposizioni a condizioni sperimentali. I gruppi sperimentali sono campioni di prova che ricevono una procedura sperimentale[14][15][16][17][18].

Ad esempio per determinare con un esperimento se un alimento contiene sostanze nocive è necessario confrontare l'alimento in questione con altri elementi, ad esempio l'acqua del rubinetto, altri alimenti, l'acqua distillata o l'acqua piovana (che in questo caso rappresentano i gruppi di controllo).

Esempio

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Esperimento del principio di Archimede
Esperimento ATLAS

Per portare un esempio, si supponga di dover stabilire se una moneta è ben equilibrata. L'esperimento consiste nel lanciare la moneta un certo numero di volte e controllare le uscite della faccia contrassegnata con testa. La questione che si pone è quella del numero dei lanci da effettuare per verificare il bilanciamento della moneta. Si tratta quindi di pianificare l'esperimento, ovvero decidere con quali modalità dovrà essere eseguito. Il numero dei lanci sarà scelto in modo che le conclusioni tratte siano attendibili. Per definire in modo più specifico la questione, si può esprimere il bilanciamento tramite un'ipotesi (detta ipotesi nulla), ovvero:

Ho : p=0.5 dove p è la probabilità di ottenere testa in un lancio.

A questo punto è chiaro che si dovrà anche stabilire quale differenza rispetto a p=0.5 si è interessati a evidenziare. Un conto è stabilire la numerosità campionaria per evidenziare una differenza tra p=0.5 e p=0.51, un altro per stabilire la numerosità per evidenziare una differenza tra p=0.5 e p=0.8. Tale decisione rientra nelle aspettative del ricercatore. Si supponga che, a suo giudizio, un eventuale sbilanciamento della moneta sia a favore di testa, quindi p>0.5. Se per un qualunque valore di p compreso tra 0.50 e 0.55 la moneta può essere considerata praticamente bilanciata, la differenza da evidenziare è tra 0.50 e 0.55. Si perviene al seguente sistema di ipotesi:

Ho : p=0.50
H1 : p=0.55

Come noto, nel verificare tale sistema si incorrono in due tipi di errore: errore di tipo 1 (detto pure errore di prima specie, che crea falsi positivi), ovvero dichiarare sbilanciata una moneta che non lo è; errore di tipo 2 (detto pure errore di seconda specie, che crea falsi negativi), dichiarare bilanciata una moneta che non lo è. Le probabilità di commettere tali errori sono in relazione con la numerosità del campione. Supponendo che il numero delle teste segua una variabile X binomiale, si può determinare la probabilità dell'errore di tipo 1 α e quella di tipo 2 β in funzione di n. Supponendo di voler fissare una probabilità α sotto 0.10 si può dimostrare che con 500 lanci si ottiene α =0.09 e β=0.17, accettando Ho se X ≤ 264. Pianificando un numero di 500 lanci si hanno quindi buone probabilità di arrivare a conclusioni corrette. Nel caso in cui si fosse stati più tolleranti in fatto di bilanciamento, ovvero se si fosse accettata per bilanciata una moneta con p compreso tra 0.5 e 0.8, già con 20 lanci si sarebbe ottenuto α =0.06 e β=0.09.

Esperimenti notevoli

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Le singole voci sono elencate nella Categoria:Esperimenti scientifici.

Note

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  1. ^ esperiménto, in Treccani.it – Vocabolario Treccani on line, Roma, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
  2. ^ Esperimento: Definizione e significato di esperimento - Dizionario italiano, su dizionari.corriere.it. URL consultato il 21 agosto 2022.
  3. ^ Che cos’è un’ipotesi scientifica? La definizione di ipotesi, su medium.com, 6 agosto 2017. URL consultato il 21 agosto 2022.
  4. ^ Il metodo scientifico: dall’osservazione alla teoria, su ebook.scuola.zanichelli.it.
  5. ^ sperimentale, metodo, in Dizionario di filosofia, Roma, Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 2009.
  6. ^ Rocco Lombardo, Il metodo scientifico o sperimentale, su scienzeascuola.it. URL consultato il 21 agosto 2022.
  7. ^ Cos'è il metodo scientifico di Galileo Galilei?, su lemiescienze.net. URL consultato il 21 agosto 2022.
  8. ^ Come eseguire un esperimento, su esperimentanda.com. URL consultato il 21 agosto 2022.
  9. ^ Andrea Onofri e Dario Sacco, Capitolo 2 Progettare un esperimento | Metodologia sperimentale per le scienze agrarie. URL consultato il 21 agosto 2022.
  10. ^ Il metodo sperimentale - StudiaFacile, su sapere.it. URL consultato il 21 agosto 2022.
  11. ^ Il metodo sperimentale, su Sapere. URL consultato l'8 febbraio 2023.
  12. ^ Raccolta di dati sperimentali, su digilander.libero.it. URL consultato il 21 agosto 2022.
  13. ^ Fondamenti di statistica (PDF), su genopomii.unina.it. URL consultato il 21 agosto 2022 (archiviato dall'url originale il 21 agosto 2022).
  14. ^ Paola Pozzolo, Gruppo di controllo: a cosa serve?, su paolapozzolo.it, 5 giugno 2021. URL consultato il 21 agosto 2022.
  15. ^ Redazione2, Ricerca sperimentale: l'importanza del gruppo di controllo, su psicologi-italiani.it. URL consultato il 21 agosto 2022 (archiviato dall'url originale il 21 agosto 2022).
  16. ^ Gruppo di controllo e gruppo sperimentale: in che cosa differiscono?, su greelane.com, 13 gennaio 2020. URL consultato il 21 agosto 2022.
  17. ^ Sylvia S. Mader, I gruppi di controllo permettono di confrontare i risultati degli esperimenti, su ebook.scuola.zanichelli.it. URL consultato il 21 agosto 2022.
  18. ^ Differenza tra gruppo di controllo e gruppo sperimentale / Formazione scolastica, su it.sawakinome.com. URL consultato il 21 agosto 2022.

Voci correlate

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Altri progetti

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Collegamenti esterni

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