Demarcatie in de wetenschappen

DEMARCATIE IN DE NATUURWETENSCHAPPEN
Toetsbaarheid in principe en in de praktijk
David Atkinson
1. OPTICA: licht als deeltjes of golven?
2. ASTROLOGIE: Poppers falsificatie-criterium.
3. QUANTUMMECHANICA: deeltjes en golven!
4. SNAARTHEORIE: fysica of wiskunde?
1. OPTICA
Stel dat we twee concurrerende wetenschappelijke theorieën van de wereld hebben. Hoe
spelen we scheidsrechter, en wat is het kenmerk van juist een natuurwetenschappelijke
theorie? Bekijk nu de volgende voorbeelden:
•
•
Licht bestaat uit deeltjes (Newton)
Licht bestaat uit golven (Huygens)
Beide beweringen zijn natuurwetenschappelijke theorieën, die door de empirie getoetst
kunnen en moeten worden. Daarin ligt de sterkte van een natuurwetenschappelijke
theorie: die kan door experiment of waarneming geconfirmeerd of eventueel gefalsifieerd
worden. De interferentie-experimenten van Young --- ook wel Youngs spleten genoemd -- kunnen verklaard worden door Huygens theorie, maar zij moeten onbegrijpelijk blijven
voor Newtons theorie.
We zeggen daarom dat Huygens theorie geverifieerd of geconfirmeerd wordt door
Youngs waarnemingen, terwijl Newtons theorie is gefalsifieerd, d.w.z. niet is
gecorroboreerd. Een natuurwetenschappelijke theorie moet gecorroboreerd of
gefalsifieerd kunnen worden. Scherper geformuleerd, zoals Popper dat heeft gedaan: als
je kunt aangeven welke resultaten van waarnemingen zouden betekenen dat de theorie
gefalsifieerd is, dan mag de theorie met recht een natuurwetenschappelijke theorie
genoemd worden. Als je dat niet kan doen, dan hebben wij met een pseudotheorie te
doen.
2. ASTROLOGIE
Laten we nu eens de astrologie bekijken, en in het bijzonder de bewering dat er een
correlatie is tussen enerzijds de karaktereigenschappen van een individu en anderzijds de
stand van de sterren bij zijn geboorte. Volgens mijn bron zijn degenen die in het teken
van Aquarius zijn geboren, watermannen dus, van middelmatig grote gestalte, de meest
rossig of ook wel donker uiterlijk, en met een oogopslag afwisselend schertsend en
ernstig.
Bovendien worden watermannen aangetrokken door de studie van de wetten van de
natuur, en vreemde talen worden door hen vlug en gemakkelijk geleerd. Kan mijn bron
aangeven hoe groot het percentage watermannen moet zijn die de bovengenoemde
eigenschappen niet hebben, om de astrologie te falsifiëren? Als men deze, en soortgelijke
vragen, niet kan beantwoorden, behoort de astrologie niet tot de natuurwetenschappen.
We hebben hier te maken met demarcatie: Newtons en Huygens theorieën zijn
natuurwetenschappelijk, de eerste fout en de tweede waar, of tenmiste meer waar en
minder fout (maar we komen hier op terug), en astrologie is niet natuurwetenschappelijk.
3. QUANTUMMECHANICA
Terug naar Newton en Huygens, maar nu ook met Einstein en Bohr daarbij.
Electronen zijn deeltjes van de electriciteit. De stroming van deze deeltjes in een
geleidende draad is de electrische stroom. Een bundel electronen, stromend nu in vacuo
zoals in een televisie buis, vertoont ook een interferentie-patroon als men een aangepast
Youngs spleten-experiment uitvoert.
Interferentie banden in een Youngs spleten-experiment met electronen.
Maar was deze interferentie-proef niet het experimentum crucis, dat de nekslag gaf aan
Newtons deeltjes theorie van het licht? Moeten we dan niet ook concluderen dat een
bundel electronen uit golven bestaat? Neen. Electronen zijn noch deeltjes noch golven,
althans niet in de zin van Newton en Huygens. Electronen, en andere subatomaire
verschijnselen, inclusief het licht, zijn niet adekwaat door de klassieke optica beschreven;
men heeft daarvoor de quantummechanica nodig. Dit heeft als gevolg dat onder sommige
omstandigheden electronen lijken op deeltjes, en onder andere omstandigheden ze lijken
op golven; maar er is geen tegenspraak, want er bestaat een consistente wiskundige
beschrijving, die voorschrijft wanneer de deeltjes-natuur en wanneer de golf-natuur de
opperhand krijgt, als het ware. Andere omstandigheden zijn er tussenin, waar noch het
deeltje beeld, noch het golf beeld van toepassing is; dit zijn echter niet aanschouwelijke
situaties waar wij ons tevreden moeten stellen met een mathematische apprehensie van
wat er gaande is, aangezien dat een intuïtieve comprehensie niet tot de mogelijkheden
behoort. Het bovenvermelde is van toepassing zowel op licht als op electronen. Er zijn
omstandigheden waarin de deeltjes-natuur van het licht de opperhand krijgt, en dan
praten we over fotonen; en dan natuurlijk zijn er omstandigheden waar de golf-natuur
belangrijk is --- bijvoorbeeld de proeven die Young heeft uitgevoerd.
Wat blijft dan over van de bewering, dat Newtons theorie gefalsifieerd werd en die van
Huygens geverifieerd? Mogen we ook nog steeds beweren dat die theorieën falsifieerbaar
zijn en dus dat ze in werkelijkheid tot de natuurwetenschappen behoren? Het antwoord is
natuurlijk bevestigend. De theorieën van Newton en Huygens zijn
natuurwetenschappelijke theorieën omdat ze deel uitmaken van een rijkere theorie die
zelf toetsbaar is, namelijk de quantummechanica, waarin de deeltje/golf opties niet meer
contradictoir maar complementair zijn.
De uitbreiding van de quantummechanica naar de quantumelectrodynamica en dan naar
de quantumchromodynamica en uiteindelijk naar het Standaard Model van de hogeenergie fysica is een indrukwekkend succes verhaal van de tweede helft van de twintigste
eeuw. Herhaaldelijk zijn nieuwe voorspellingen gemaakt, en herhaaldelijk zijn ze
experimenteel bevestigd. Zo was het nodig voor de consistentie van het Standaard Model
dat er een zesde quark zou zijn. Nadat men een grote versneller speciaal daarvoor in
Illinois had gebouwd, heeft men uiteindelijk in 1994 deze top quark gevonden. Er is maar
één belangrijk onderdeel van het Standaard Model dat heden ten dage nog niet is
waargenomen, namelijk het Higgs-deeltje, genoemd naar een gelijknamige Schot. Een
nieuwe versneller in aanbouw in Genève, de Large Hadron Collider (LHC), komt on-line
in 2004 en moet voldoende energie hebben om het Higgs te maken. Als het er niet is, is
het Standaard Model gefalsifieerd. Weinig mensen geloven dat het Standaard Model deze
laatste toetsing niet zal doorstaan, gegeven zijn vele successen. Maar de mogelijkheid is
er, een daardoor is het Standaard Model een natuurwetenschappelijke theorie bij uitstek.
4. SNAARTHEORIE
Volgens de snaartheorie zijn de bekende deeltjes niets meer of minder dan verschillende
frequenties van trillingen van de gepostuleerde oersnaren. Met andere woorden, de
bouwstenen van onze wereld zijn noten op een kosmische snaar. De theorie, die door Ed
Witten in Princeton en anderen werd ontwikkeld, beoogt een allesomvattende unificatie
te geven van alle krachten, inclusief gravitatie. Kan men de snaartheorie toetsen, dus
verifiëren c.q. falsifiëren? Volgens de snaartheorie zou de gravitationele
aantrekkingskracht tussen twee deeltjes moeten toenemen, naarmate de deeltjes elkaar
benaderen, totdat zij evenzo sterk is als de overige krachten (bijvoorbeeld de
electrostatische kracht), die niet zo snel toenemen. Om de snaartheorie empirisch te
kunnen toetsen, moeten wij tot de onvoorstelbaar kleine afstanden doordringen waarop
gravitatie en electrostatica van dezelfde sterkte zijn. En dat betekent dat wij deeltjes tot
ongehoord hoge energieën moeten versnellen. Maar dit is in de praktijk onbegonnen
werk. Om een vaag idee te geven van hoe hopeloos de taak is, kan ik een schatting geven
van hoe krachtig een deeltjes-versneller zou moeten zijn om deze taak uit te kunnen
voeren. De hypothetische machine moet een energie bereiken die ongeveer tien duizend
biljoen keer hoger is dan de energie die LHC op CERN in 2004 zal bereiken! Dus staat
het buiten kijf dat de snaartheorie nooit getoetst zal worden. Ik heb aangegeven wat men
in principe zou moeten doen om de theorie te falsifiëren, maar in de praktijk zal men
nooit in staat zijn de benodigde proeven uit te voeren. Is de snaartheorie een volwaardige
natuurwetenschappelijke theorie? Het antwoord is: ja, inzoverre de snaartheorie in
principe toetsbaar is. Daarin verschilt ze van de astrologie. Maar de snaartheorie is niet in
de praktijk toetsbaar. Daarin verschilt ze van het Standaard Model. Is de snaartheorie
slechts een stuk wiskunde, dus wel een wetenschap maar niet een deel van de
natuurwetenschappen? Een tussenweg kunnen we proberen te bewandelen. Stel dat de
snaartheorie op een consistente manier voltooid kan worden, en ook dat zij het Standaard
Model als een --- voor haar begrippen --- zeer lage energie benadering in zich herbergt.
Deze toekomstige theorie van alles zou eigenschappen van de zwaartekracht postuleren
op zeer hoge energie, daar waar die eigenschappen de facto nooit getoetst kunnen
worden. Misschien kunnen we praten over een nieuw soort metafysica: de toetsbare
natuurkunde is volgens deze visie onderbouwd door een mathematische theorie wier
hoeksteen altijd voor ons verborgen blijft. Het nieuwe element in deze 21ste. eeuwse
metafysica, dat ik jullie bij dezen voorschotel, is dat het eeuwig verborgene niet in
principe, maar slechts door de grote afstand voor ons onzichtbaar is. Er is een brug, maar
wij kunnen haar nooit oversteken: voor ons is zij te lang. Hebben wij hiermee het
demarcatie-criterium vervaagd? Of moeten wij zeggen dat, wanneer iets de facto nooit
getoetst kan worden, dit betekent dat het in principe ontoetsbaar is? Of moeten wij
concluderen dat het onderscheid in principe versus in de praktijk relatief is tot onze
instrumenten en ons huidig wereldbeeld?