Experimente de fizică

De Nicolae Sfetcu

O trecere în revistă a experimentelor din domeniul fizicii care au marcat evoluția și progresul omenirii, și cunoașterea despre lume și universul în care trăim. În final, o serie de experimente foarte interesante și bune documentate recomandate de NASA pentru elevi.
După o prezentare generală a noțiunii de experiment, fizica experimentală și metode experimentale de cercetare, sunt documentate cele mai faimoase experimente de fizică din întreaga istorie a omenirii, de la măsurarea razei Pământului de către Eratostene la Gravity Probe A și B. O secțiune aparte este dedicată actualelor mari experimente în derulare, inclusiv cele de la CERN pentru particule, și LIGO pentru undele gravitaționale. În final, experimentele propuse de NASA vin cu documentația completă pentru reproducerea lor, în multe cazuri fiind aplicații la scară redusă a unor proiecte deosebit de complexe derulate de agenția americană National Aeronautics and Space Administration.

Experimente
Experimente faimoase
Mari experimente în derulare
Experimente recomandate de NASA pentru elevi

• Limbă: Română
• Editor: Nicolae Sfetcu
• Data lansării: 21 ian. 2021
• ISBN: 9786060334279

Nicolae Sfetcu

Owner and manager with MultiMedia SRL and MultiMedia Publishing House. Project Coordinator for European Teleworking Development Romania (ETD) Member of Rotary Club Bucuresti Atheneum Cofounder and ex-president of the Mehedinti Branch of Romanian Association for Electronic Industry and Software Initiator, cofounder and president of Romanian Association for Telework and Teleactivities Member of Internet Society Initiator, cofounder and ex-president of Romanian Teleworking Society Cofounder and ex-president of the Mehedinti Branch of the General Association of Engineers in Romania Physicist engineer - Bachelor of Science (Physics, Major Nuclear Physics). Master of Philosophy.

Previzualizare carte

Experimente de fizică

Nicolae Sfetcu

Publicat de MultiMedia Publishing

Copyright 2021 Nicolae Sfetcu

Publicat de MultiMedia Publishing, www.telework.ro/ro/editura

ISBN: 978-606-033-426-2

Primele trei secțiuni includ texte din Telework având ca sutsă din Wikipedia sub licență Creative Commons cu Atribuire - Partajare în Condiții Identice 3.0, traduse și adaptate de Nicolae Sfetcu, și alte surse. Aceste texte sunt sub licență Creative Commons cu Atribuire - Partajare în Condiții Identice 3.0. Secțiunea Experimente recomandate de NASA include articole publicate de NASA, traduse și adaptate de Nicolae Sfetcu.

DECLINARE DE RESPONSABILITATE

Având în vedere posibilitatea existenței erorii umane sau modificării conceptelor științifice, nici autorul, nici editorul și nicio altă parte implicată în pregătirea sau publicarea lucrării curente nu pot garanta în totalitate că toate aspectele sunt corecte, complete sau actuale, și își declină orice responsabilitate pentru orice eroare ori omisiune sau pentru rezultatele obținute din folosirea informațiilor conținute de această lucrare.

Cu excepția cazurilor specificate în această carte, nici autorul sau editorul, nici alți autori, contribuabili sau alți reprezentanți nu vor fi răspunzători pentru daunele rezultate din sau în legătură cu utilizarea acestei cărți. Aceasta este o declinare cuprinzătoare a răspunderii care se aplică tuturor daunelor de orice fel, incluzând (fără limitare) compensatorii; daune directe, indirecte sau consecvente, inclusiv pentru terțe părți.

Înțelegeți că această carte nu intenționează să înlocuiască consultarea cu un profesionist educațional, juridic sau financiar licențiat. Înainte de a o utiliza în orice mod, vă recomandăm să consultați un profesionist licențiat pentru a vă asigura că faceți ceea ce este mai bine pentru dvs.

Această carte oferă conținut referitor la subiecte educaționale. Utilizarea ei implică acceptarea acestei declinări de responsabilitate.

Unui student la fizică de la Universitatea din Copenhaga, profesorul i-a adresat următoarea întrebare la un examen:

„Descrie cum determini înălțimea unui zgârie-nori folosind un barometru".

Studentul a răspuns: „Iau o sfoara lungă pe care o leg de barometru, și o cobor de pe acoperișul clădirii la sol. Lungimea sforii plus lungimea barometrului va da înălțimea clădirii."

Acest răspuns, așa cum ne putem imagina, a deranjat pe profesor care l-a picat pe student la examen. Nemulțumit de decizia profesorului, studentul a făcut apel și universitatea a numit o comisie independentă pentru a decide. Comisia a considerat că răspunsul a fost într-adevăr corect, dar că nu a dat dovadă de nicio cunoaștere notabilă a fizicii. Pentru a rezolva problema, s-a hotărât să fie lăsat studentul să răspundă oral timp de 6 minute. Timp de câteva minute studentul a rămas tăcut, gândind cu fruntea încrețita. Când comisia i-a atras atenția că timpul se scurge, studentul a spus că are câteva răspunsuri extrem de relevante, dar nu s-a putut decide pe care să îl prezinte.

„În primul rând, aș putea să urc barometrul până pe acoperișul clădirii, să îl arunc și să măsor timpul necesar pentru a ajunge la sol, dar ar fi păcat de barometru. Dacă este o zi însorită, aș putea măsura înălțimea barometrului, apoi l-aș pune vertical pe pământ și aș măsura lungimea umbrei lui. Apoi măsor lungimea umbrei clădirii, și după aceea este o chestiune simplă de proporționalitate aritmetică. Dacă ar fi să lucrez foarte științific, aș putea lega o bucată scurtă de sfoară de barometru și l-aș legăna ca un pendul, mai întâi la nivelul solului, apoi pe acoperișul cladirii. Înălțimea clădirii poate fi calculată din diferența dintre perioadele pendulului. În cazul în care clădirea are o scară de urgență exterioară, ar fi ușor de urcat pe ea și să marchez înălțimea în funcție de câte ori încape în ea lungimea barometrului. Dacă doriți să fiu plictisitor și ortodox, bineînțeles că aș putea folosi barometrul pentru a măsura presiunea aerului pe acoperișul clădirii și la sol și să convertesc diferența într-o înălțime."

Studentul a continuat să spună că, daca i s-ar cere să caute noi căi de rezolvare a problemei, probabil că cea mai buna soluție ar fi să bată la ușa portarului și să îi spună: „Dacă ați vrea un barometru frumos și nou, vi-l voi da pe acesta dacă îmi spuneți înălțimea acestei clădiri".

Studentul era Niels Bohr, viitorul părinte al teoriei atomului.

Experimente

Un experiment este o procedură efectuată pentru a susține, infirma sau valida o ipoteză. Experimentele oferă o perspectivă asupra cauzei și efectului, demonstrând ce rezultat apare atunci când un anumit factor este manipulat. Experimentele variază foarte mult în ceea ce privește obiectivul și scala, dar întotdeauna se bazează pe procedura repetabilă și analiza logică a rezultatelor. Există, de asemenea, studii experimentale naturale.

Un copil poate efectua experimente de bază pentru a înțelege gravitația, în timp ce echipele de oameni de știință pot avea nevoie de ani de investigație sistematică pentru a avansa în înțelegerea unui fenomen. Experimentele și alte tipuri de activități practice sunt foarte importante pentru învățarea elevilor în sala de științe. Experimentele pot crește rezultatele testelor și pot ajuta un elev să devină mai implicat și mai interesat de materialul pe care îl învață, mai ales atunci când este folosit în timp. Experimentele pot varia de la comparații naturale personale și informale (de exemplu, gustând o gamă de bomboane de ciocolată pentru a găsi una favorită), până la controlat (de exemplu, teste care necesită aparate complexe supravegheate de mulți oameni de știință care speră să descopere informații despre particulele subatomice). Utilizările experimentelor variază considerabil între științele naturale și umane.

Experimentele includ de obicei controale, care sunt concepute pentru a minimiza efectele altor variabile decât variabila independentă unică. Aceasta crește fiabilitatea rezultatelor, adesea printr-o comparație între măsurătorile de control și celelalte măsurători. Controalele științifice fac parte din metoda științifică. În mod ideal, toate variabilele dintr-un experiment sunt controlate (contabilizate de măsurătorile de control) și niciuna nu rămâne necontrolată. Într-un astfel de experiment, dacă toate controalele funcționează conform așteptărilor, este posibil să se concluzioneze că experimentul funcționează conform intenției și că rezultatele se datorează efectului variabilelor testate.

În metoda științifică, un experiment este o procedură empirică pentru a selecta între modele sau ipoteze concurente. Cercetătorii folosesc, de asemenea, experimentarea pentru a testa teoriile existente sau noile ipoteze, pentru a le susține sau respinge.

Un experiment testează de obicei o ipoteză, care este o așteptare cu privire la modul în care funcționează un anumit proces sau fenomen. Cu toate acestea, un experiment poate avea ca scop, de asemenea, să răspundă la o întrebare „ce-ar fi dacă, fără o așteptare specifică despre ceea ce dezvăluie experimentul sau să confirme rezultatele anterioare. Dacă un experiment este realizat cu atenție, rezultatele de obicei susțin sau infirmă ipoteza. Potrivit unor filozofii ale științei, un experiment nu poate „dovedi niciodată o ipoteză, ci poate adăuga doar suport. Pe de altă parte, un experiment care oferă un contraexemplu poate respinge o teorie sau o ipoteză, dar o teorie poate fi întotdeauna salvată prin modificări ad hoc adecvate în detrimentul simplității. Un experiment trebuie, de asemenea, să controleze posibilii factori de confuzie - orice factori care ar afecta precizia sau repetabilitatea experimentului sau capacitatea de a interpreta rezultatele. Confuzia este de obicei eliminată prin controale științifice și / sau, în experimente randomizate, prin atribuire aleatorie.

În inginerie și științele fizice, experimentele sunt o componentă primară a metodei științifice. Acestea sunt folosite pentru a testa teorii și ipoteze despre modul în care procesele fizice funcționează în anumite condiții (de exemplu, dacă un anumit proces de inginerie poate produce un compus chimic dorit). De obicei, experimentele din aceste domenii se concentrează pe replicarea procedurilor identice în speranța de a produce rezultate identice în fiecare replicare. Alocarea aleatorie este neobișnuită.

În medicină și științele sociale, prevalența cercetării experimentale variază foarte mult între discipline. Cu toate acestea, atunci când sunt utilizate, experimentele urmează de obicei forma studiului clinic, în care unitățile experimentale (de obicei ființe umane individuale) sunt alocate aleatoriu unei condiții de tratament sau de control în care sunt evaluate unul sau mai multe rezultate. Spre deosebire de normele din științele fizice, accentul se pune de obicei pe efectul mediu al tratamentului (diferența de rezultate între grupurile de tratament și control) sau pe o altă statistică de test produsă de experiment. Un singur studiu de obicei nu implică replici ale experimentului, dar studii separate pot fi agregate prin revizuire sistematică și meta-analiză.

Există diferite diferențe în practica experimentală în fiecare dintre ramurile științei. De exemplu, cercetarea agricolă folosește frecvent experimente randomizate (de exemplu, pentru a testa eficacitatea comparativă a diferitelor îngrășăminte), în timp ce economia experimentală implică adesea teste experimentale ale comportamentelor umane teoretizate fără a se baza pe atribuirea aleatorie a indivizilor la condițiile de tratament și control.

Istorie

Una dintre primele abordări metodice ale experimentelor în sens modern este vizibilă în lucrările matematicianului și cărturarului arab Ibn al-Haytham. El și-a condus experimentele în domeniul opticii - întorcându-se la problemele optice și matematice din lucrările lui Ptolemeu - controlându-și experimentele datorită unor factori precum autocriticitatea, dependența de rezultatele vizibile ale experimentelor, precum și o criticitate în termeni a rezultatelor anterioare. A fost unul dintre primii savanți care a folosit o metodă inductiv-experimentală pentru obținerea rezultatelor. În Cartea opticii, el descrie abordarea fundamental nouă a cunoașterii și cercetării într-un sens experimental:

„Ar trebui, adică, să reluăm ancheta asupra principiilor și premiselor sale, începând investigația noastră cu o inspecție a lucrurilor care există și o cercetare a condițiilor obiectelor vizibile. Ar trebui să distingem proprietățile particularităților și să obținem prin inducție ce se referă la ochi atunci când viziunea are loc și ce se găsește în modul de senzație ca fiind uniform, neschimbat, manifest și care nu este supus îndoielii. După care ar trebui să urcăm în cercetarea și raționamentele noastre, treptat și ordonat, criticând premisele și exercitând prudență în ceea ce privește concluziile - scopul nostru în tot ceea ce facem trebuie supus inspecției și revizuirii, este acela de a folosi corectitudinea, de a nu folosi prejudecățile, și de a avea grijă în tot ceea ce judecăm și criticăm căutând adevărul și să nu fim lăsați influențați de opinie. În acest fel, putem ajunge în cele din urmă la adevărul care gratifică inima și să ajungem treptat și cu grijă la sfârșitul în care apare certitudinea; în timp ce prin critici și prudență putem alege adevărul care elimină dezacordul și rezolvă problemele îndoielnice. Cu toate acestea, nu suntem liberi de acea tulburare umană care este în natura omului; dar trebuie să facem tot posibilul prin puterile umane. De la Dumnezeu obținem sprijin în toate lucrurile".

Conform explicației sale, este necesară o testare strict controlată, cu sensibilitate la subiectivitatea și susceptibilitatea rezultatelor datorate naturii omului. În plus, este necesară o viziune critică asupra rezultatelor și datelor cercetătorilor anterioare:

„Este astfel datoria omului care studiază scrierile oamenilor de știință, dacă învățarea adevărului este scopul său, de a se face dușman a tot ceea ce citește și, aplicându-și mintea la miezul și marginile conținutului, să-l atace din toate părțile. De asemenea, el ar trebui să se suspecteze pe sine în timp ce efectuează examinarea critică a acestuia, astfel încât să poată evita să cadă fie în prejudecăți, fie în clemență."

Astfel, o comparație a rezultatelor anterioare cu rezultatele experimentale este necesară pentru un experiment obiectiv - rezultatele vizibile fiind mai importante. În cele din urmă, acest lucru poate însemna că un cercetător experimental trebuie să găsească suficient curaj pentru a elimina opiniile sau rezultatele tradiționale, mai ales dacă aceste rezultate nu sunt experimentale, ci rezultate dintr-o derivare logică / mentală. În acest proces de considerație critică, omul însuși nu trebuie să uite că tinde spre opinii subiective - prin „prejudecăți și „clemență - și, prin urmare, trebuie să fie critic cu privire la propriul său mod de a construi ipoteze.

Francis Bacon (1561–1626), un filosof și om de știință englez activ în secolul al XVII-lea, a devenit un influent susținător al științei experimentale în renașterea engleză. El nu a fost de acord cu metoda de a răspunde la întrebări științifice prin deducție - similară cu a lui Ibn al-Haytham - și a descris-o astfel: „După ce a stabilit mai întâi întrebarea în conformitate cu voința sa, omul recurge apoi la experiență și o realizează în conformitate cu intențiile sale, o conduce ca un captiv într-o procesiune." Bacon propunea o metodă care să se bazeze pe observații sau experimente repetabile. În special, a ordonat în primul rând metoda științifică așa cum o înțelegem noi astăzi.

Rămâne o experiență simplă; care, dacă este luată așa cum vine, se numește accident, dacă este căutată, experiment. Adevărata metodă de experiență aprinde mai întâi lumânarea [ipoteza] și apoi prin intermediul lumânării arată calea [aranjează și delimitează experimentul]; începând așa cum se întâmplă cu experiența ordonată și digerată în mod corespunzător, nu încurcată sau neregulată, și din aceasta deducând axiome [teorii] și din axiome stabilite din nou experimente noi.

În secolele care au urmat, oamenii care au aplicat metoda științifică în diferite domenii au făcut progrese și descoperiri importante. De exemplu, Galileo Galilei (1564–1642) a măsurat cu precizie timpul și a experimentat pentru a face măsurători și concluzii precise despre viteza unui corp care cade. Antoine Lavoisier (1743–1794), chimist francez, a folosit experimentul pentru a descrie noi domenii, cum ar fi combustia și biochimia și pentru a dezvolta teoria conservării masei (materiei). Louis Pasteur (1822–1895) a folosit metoda științifică pentru a respinge teoria predominantă a generației spontane și pentru a dezvolta teoria germenilor bolii. Datorită importanței controlului variabilelor potențial confuze, utilizarea experimentelor de laborator bine concepute este preferată atunci când este posibil.

Un progres considerabil în proiectarea și analiza experimentelor a avut loc la începutul secolului al XX-lea, cu contribuții ale statisticienilor precum Ronald Fisher (1890–1962), Jerzy Neyman (1894–1981), Oscar Kempthorne (1919–2000), Gertrude Mary Cox (1900–1978) și William Gemmell Cochran (1909–1980), printre alții.

Tipuri de experimente

Experimentele pot fi clasificate în funcție de o serie de caracteristici, în funcție de normele și standardele profesionale din diferite domenii de studiu. În unele discipline (de exemplu, psihologia sau știința politică), un „experiment adevărat" este o metodă de cercetare socială în care există două tipuri de variabile. Variabila independentă este manipulată de experimentator, iar variabila dependentă este măsurată. Caracteristica semnificativă a unui experiment adevărat este că alocă în mod aleatoriu subiecții pentru neutralizarea prejudecății experimentatorului și asigură, pe un număr mare de iterații ale experimentului, că acesta controlează toți factorii de confuzie.

Experimente controlate

Un experiment controlat compară adesea rezultatele obținute din probele experimentale cu probele martor, care sunt practic identice cu probele experimentale, cu excepția aspectului al cărui efect este testat (variabila independentă). Un bun exemplu ar fi un studiu cu droguri. Eșantionul sau grupul care primește medicamentul ar fi grupul experimental (grupul de tratament); iar cel care a primit placebo sau tratament regulat ar fi cel de control. În multe experimente de laborator, este o bună practică să existe mai multe probe replicate pentru testul efectuat și să aibă atât un control pozitiv, cât și un control negativ. Rezultatele din eșantioane replicate pot fi adesea mediate sau dacă una dintre replicate este evident incompatibilă cu rezultatele celorlalte eșantioane, poate fi aruncată ca fiind rezultatul unei erori experimentale (este posibil ca o etapă a procedurii de testare să fi fost greșit omisă pentru proba respectivă). Cel mai adesea, testele se fac în duplicat sau triplicat. Un control pozitiv este o procedură similară cu testul experimental real, dar se știe din experiența anterioară că dă un rezultat pozitiv. Se știe că un control negativ dă un rezultat negativ. Controlul pozitiv confirmă faptul că condițiile de bază ale experimentului au reușit să producă un rezultat pozitiv, chiar dacă niciunul dintre eșantioanele experimentale efective nu produce un rezultat pozitiv. Controlul negativ demonstrează rezultatul liniei de bază obținut atunci când un test nu produce un rezultat pozitiv măsurabil. Cel mai adesea valoarea controlului negativ este tratată ca o valoare „de fundal" pentru a scădea din rezultatele probei de testare. Uneori, controlul pozitiv ia forma unei curbe standard.

Un exemplu care este adesea utilizat în laboratoarele didactice este testul proteic controlat. Studenții ar putea primi o probă de lichid care conține o cantitate necunoscută (pentru student) de proteine. Sarcina lor este de a efectua corect un experiment controlat în care determină concentrația de proteine din proba lichidă (denumită de obicei „proba necunoscută"). Laboratorul didactic ar fi echipat cu o soluție standard de proteină cu o concentrație cunoscută de proteine. Studenții ar putea face mai multe probe de control pozitiv care conțin diverse diluții ale standardului proteic. Probele de control negative ar conține toți reactivii pentru analiza proteinelor, dar nu și proteine. În acest exemplu, toate eșantioanele sunt efectuate în duplicat. Testul este un test colorimetric în care un spectrofotometru poate măsura cantitatea de proteine din probe prin detectarea unui complex colorat format din interacțiunea moleculelor de proteine și a moleculelor unui colorant adăugat. Rezultatele probelor de test diluate pot fi comparate cu rezultatele curbei standard pentru a estima cantitatea de proteine din eșantionul necunoscut.

Experimentele controlate pot fi efectuate atunci când este dificil să se controleze exact toate condițiile dintr-un experiment. În acest caz, experimentul începe prin crearea a două sau mai multe grupe de eșantioane care sunt probabilistic echivalente, ceea ce înseamnă că măsurătorile caracteristicilor ar trebui să fie similare între grupuri și că grupurile ar trebui să răspundă în același mod dacă li se administrează același tratament. Această echivalență este determinată de metode statistice care iau în considerare cantitatea de variație dintre indivizi și numărul de indivizi din fiecare grup. În domenii precum microbiologia și chimia, unde există foarte puține variații între indivizi și dimensiunea grupului ajunge ușor la milioane, aceste metode statistice sunt adesea ocolite și simpla împărțire a unei soluții în părți egale se presupune că produce grupuri de eșantioane identice.

Odată ce s-au format grupuri echivalente, experimentatorul încearcă să le trateze identic, cu excepția variabilei pe care dorește să o izoleze. Experimentarea umană necesită garanții speciale împotriva variabilelor externe, cum ar fi efectul placebo. Astfel de experimente sunt, în general, dublu orb, ceea ce înseamnă că nici voluntarul, nici cercetătorul nu știu care sunt persoanele din grupul de control sau grupul experimental decât după ce toate datele au fost colectate. Acest lucru asigură că orice efect asupra voluntarului se datorează tratamentului în sine și nu reprezintă un răspuns la cunoașterea faptului că este tratat.

În experimentele umane, cercetătorii pot oferi unui subiect (persoană) un stimul la care subiectul răspunde. Scopul experimentului este de a măsura răspunsul la stimul printr-o metodă de testare.

În proiectarea experimentelor, se aplică două sau mai multe „tratamente pentru a estima diferența dintre răspunsurile medii pentru tratamente. De exemplu, un experiment privind coacerea pâinii ar putea estima diferența în răspunsurile asociate cu variabilele cantitative, cum ar fi raportul dintre apă și făină și cu variabile calitative, cum ar fi drojdia. Experimentarea este pasul metodei științifice care îi ajută pe oameni să decidă între două sau mai multe explicații sau ipoteze concurente. Aceste ipoteze sugerează motive pentru a explica un fenomen sau pentru a prezice rezultatele unei acțiuni. Un exemplu ar putea fi ipoteza că „dacă eliberez această bilă, aceasta va cădea pe podea: această sugestie poate fi apoi testată prin efectuarea experimentului de eliberare a bilei și prin observarea rezultatelor. În mod formal, o ipoteză este comparată cu ipoteza sa opusă sau nulă („dacă eliberez această bilă, ea nu va cădea pe podea"). Ipoteza nulă este că nu există nicio explicație sau putere predictivă a fenomenului prin raționamentul care este investigat. Odată definite ipotezele, poate fi efectuat un experiment și rezultatele analizate pentru a confirma, infirma sau defini acuratețea ipotezelor.

Experimentele pot fi, de asemenea, concepute pentru a estima efectele de dispersie asupra unităților din apropiere netratate.

Experimente naturale

Termenul „experiment" implică de obicei un experiment controlat, dar uneori experimentele controlate sunt prohibitive sau dificile. În acest caz, cercetătorii recurg la experimente naturale sau cvasi-experimente. Experimentele naturale se bazează exclusiv pe observațiile variabilelor sistemului studiat, mai degrabă decât pe manipularea doar a uneia sau a câtorva variabile, așa cum se întâmplă în experimentele controlate. În măsura în care este posibil, prin ele se încearcă să colecteze date pentru sistem în așa fel încât să poată fi determinată contribuția tuturor variabilelor și unde efectele variației în anumite variabile rămân aproximativ constante, astfel încât să se poată discerne efectele altor variabile. Gradul în care acest lucru este posibil depinde de corelația observată între variabilele explicative din datele observate. Atunci când aceste variabile nu sunt bine corelate, experimentele naturale pot aborda puterea experimentelor controlate. De obicei, însă, există o oarecare corelație între aceste variabile, ceea ce reduce fiabilitatea experimentelor naturale în raport cu ceea ce s-ar putea concluziona dacă s-ar efectua un experiment controlat. De asemenea, deoarece experimentele naturale au loc de obicei în medii necontrolate, variabilele din surse nedetectate nu sunt nici măsurate, nici menținute constante, iar acestea pot produce corelații iluzorii în variabilele studiate.

Unul dintre cele mai cunoscute experimente naturale timpurii a fost focarul de holeră din 1854 din Broad Street din Londra, Anglia. La 31 august 1854, un focar major de holeră a lovit Soho. În următoarele trei zile, 127 de persoane în apropiere de Broad Street au murit. Până la sfârșitul focarului au murit 616 persoane. Medicul John Snow a identificat sursa focarului ca fiind cea mai apropiată pompă de apă publică, folosind o hartă a deceselor și a bolilor care a dezvăluit un grup de cazuri în jurul pompei. În acest exemplu, Snow a descoperit o asociere puternică între utilizarea apei din pompă și decesele și bolile cauzate de holeră. Snow a descoperit că Southwark și Vauxhall Waterworks Company, care furnizau apă districtelor cu rate ridicate de infecție, obțineau apa din Tamisa în aval de unde canalizarea de apă brută era deversată în râu. În schimb, districtele cărora le-a fost furnizată apă de către Lambeth Waterworks Company, care a obținut apă în amonte de punctele de evacuare a apelor uzate, au avut rate de infecție scăzute. Având în vedere distribuția aproape aleatorie a apei la Londra de la mijlocul secolului al XIX-lea, Snow a privit evoluțiile ca „un experiment ... la cea mai mare scară". Desigur, expunerea la apa poluată nu a fost sub controlul niciunui om de știință. Prin urmare, această expunere a fost recunoscută ca fiind un experiment natural.

(Harta originală de John Snow care arată grupurile de cazuri de holeră în epidemia de la Londra din 1854)

Multe cercetări în mai multe discipline științifice, inclusiv economie, geografie umană, arheologie, sociologie, antropologie culturală, geologie, paleontologie, ecologie, meteorologie și astronomie, se bazează pe cvasi-experimente. De exemplu, în astronomie este în mod clar imposibil, când se testează ipoteza „Stelele sunt nori colapsați de hidrogen", să se înceapă cu un nor uriaș de hidrogen și apoi să se efectueze experimentul de așteptare de câteva miliarde de ani pentru a forma o stea . Cu toate acestea, observând diferiți nori de hidrogen în diferite stări de colapsare și alte implicații ale ipotezei (de exemplu, prezența diverselor emisii spectrale de la lumina stelelor), putem colecta datele de care avem nevoie pentru a susține ipoteza. Un exemplu timpuriu al acestui tip de experiment a fost prima verificare din secolul al XVII-lea că lumina nu călătorește dintr-un loc în altul instantaneu, ci are o viteză măsurabilă. Observarea apariției lunilor lui Jupiter a fost ușor întârziată când Jupiter era mai departe de Pământ, spre deosebire de când Jupiter era mai aproape de Pământ; iar acest fenomen a fost folosit pentru a demonstra că diferența în momentul apariției lunilor a fost în concordanță cu o viteză măsurabilă.

Experimente pe teren

Experimentele de teren sunt denumite astfel pentru a le distinge de experimentele de laborator, care impun controlul științific testând o ipoteză în cadrul artificial și foarte controlat al unui laborator. Adesea utilizate în științele sociale și în special în analizele economice ale intervențiilor educaționale și de sănătate, experimentele de teren au avantajul că rezultatele sunt observate într-un cadru natural, mai degrabă decât într-un mediu de laborator inventat. Din acest motiv, experimentele pe teren sunt uneori văzute ca având o valabilitate externă mai mare decât experimentele de laborator. Cu toate acestea, la fel ca experimentele naturale, experimentele de teren suferă de posibilitatea contaminării: condițiile experimentale pot fi controlate cu mai multă precizie și certitudine în laborator. Cu toate acestea, unele fenomene (de exemplu, participarea la alegeri) nu pot fi studiate cu ușurință într-un laborator.

Contrast cu studiul observațional

(Modelul de cutie neagră pentru observare (intrarea și ieșirea sunt observabile). Când există un feedback cu un control al observatorului, așa cum este ilustrat, observarea este, de asemenea, un experiment. Sursa: Krauss, https://en.wikipedia.org/wiki/File:Blackbox3D-obs.png, CC Attribution-Share Alike 4.0 International license)

Un studiu observațional este utilizat atunci când este impracticabil, lipsit de etică, prohibitiv pentru cost (sau altfel ineficient) să se încadreze un sistem fizic sau social într-un cadru de laborator, să se controleze complet factorii de confuzie sau să se aplice alocarea aleatorie. Poate fi folosit și atunci când factorii de confuzie sunt fie limitați, fie cunoscuți suficient de bine pentru a analiza datele în lumina lor (deși acest lucru poate fi rar atunci când fenomenele sociale sunt examinate). Pentru ca o știință a observației să fie valabilă, experimentatorul trebuie să cunoască și să ia în considerare factorii de confuzie. În aceste situații, studiile observaționale au valoare deoarece sugerează adesea ipoteze care pot fi testate cu experimente randomizate sau prin colectarea de date noi.

Cu toate acestea, fundamental, studiile observaționale nu sunt experimente. Prin definiție, studiile observaționale nu permit manipularea necesară pentru experimentele baconiene. În plus, studiile observaționale (de exemplu, în sistemele biologice sau sociale) implică adesea variabile dificil de cuantificat sau controlat. Studiile observaționale sunt limitate, deoarece le lipsesc proprietățile statistice ale experimentelor randomizate. Într-un experiment randomizat, metoda de randomizare specificată în protocolul experimental ghidează analiza statistică, care este de obicei specificată și de protocolul experimental. Fără un model statistic care să reflecte o randomizare obiectivă, analiza statistică se bazează pe un model subiectiv. Inferențele de la modelele subiective nu sunt fiabile în teorie și practică. De fapt, există mai multe cazuri în care studiile observaționale efectuate cu atenție dau în mod consecvent rezultate greșite, adică rezultatele studiilor observaționale sunt inconsistente și diferă, de asemenea, de rezultatele altor experimente. De exemplu, studiile epidemiologice ale cancerului de colon arată în mod constant corelații benefice cu consumul de broccoli, în timp ce experimentele nu găsesc niciun beneficiu.

O problemă deosebită cu studiile observaționale care implică subiecți umani este marea dificultate de a realiza comparații corecte între tratamente (sau expuneri), deoarece astfel de studii sunt predispuse la o prejudecată de selecție, iar grupurile care primesc diferite tratamente (expuneri) pot diferi foarte mult în funcție de covariabile: înălțime, greutate, medicamente, exerciții fizice, stare nutrițională, etnie, istoric medical de familie etc.). În schimb, randomizarea implică faptul că pentru