Esperimento

Un esperimento (dal latino ex, "da", e perire, "tentare", "passare attraverso") è la realizzazione di un'operazione empirica atta ad individuare, accertare o precisare qualche aspetto specifico di un fenomeno osservabile che potrebbe riguardare una qualunque area di conoscenza (fisica, chimica, materiali, geologia, biologia, psicologia, economia, archeologia ecc).

Un esperimento può essere motivato semplicemente dall'interesse ad osservare gli accadimenti in maniera approfondita per migliorare la conoscenza del fenomeno, oppure dall'intenzione di studiare, validare o confutare una ipotesi 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

L'esperimento è alla base del metodo scientifico introdotto da Galileo Galilei, che per questo motivo viene anche chiamato metodo sperimentale.

Il metodo scientifico 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) che si vogliono precisare;
4. Formulazione di ipotesi sopra i parametri o le caratteristiche atte a spiegare 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 validino o confutino la teoria o il modello.

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 e Morley per la misurazione della velocità della luce in due diversi sistemi di riferimento ha portato alla confutazione della teoria meccanica classica ed 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 di un esperimento

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

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: 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. Nell'esempio sottostante vengono delineati i ragionamenti e le considerazioni che stanno alla base della scelta della numerosità del campione.

Un esempio

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:

H_o : 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 in quelle che sono le 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:

H_o : 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 H_o 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.

Voci correlate

• Ronald Fisher, che descrisse in modo sistematico la pianificazione degli esperimenti (The Design of Experiments, 1935)
• Causalità
• Esperimento mentale
• Experimentum crucis
• Falsificabilità
• Probabilità
• Ipotesi nulla
• Test di verifica d'ipotesi
• Studio di caso
• Variabile casuale

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Collegamenti esterni

• Fun Science Gallery - Raccolta di esperimenti scientifici facili da realizzare