De Gids. Jaargang 170

[p. 549]

Vincent Icke
Over voorspellingen

Natuurwetenschappers werken niet volgens een methode, zelfs - of zeker - niet La méthode pour bien conduire sa raison. Maar achteraf kan men wel een soort werkwijze zien, een method in their madness. Die lijkt een beetje op de méthode van Descartes, ook wel wat op die volgens Popper, maar is toch geen van beide. Natuurwetenschappers zijn het in de praktijk eigenlijk al eeuwen eens over de manier waarop zij hun werk aanpakken, hoewel zij er nauwelijks over theoretiseren, en op een codificatie ervan door buitenstaanders zitten zij al helemaal niet te wachten. De gang van zaken is vergelijkbaar met het mechanisme van de evolutie: het werkt verbluffend goed, hoewel geen dinosaurus ooit heeft gedacht: kom, laat ik eens in een vogel evolueren.

In deze werkwijze, die ik hierna de ‘kritische spiraal’ zal noemen, spelen in volgorde van opkomst de waarneming, opmerking, veronderstelling en voorspelling de hoofdrollen. Door de invoering van het waarnemen als uitgangspunt splitste het vak zich af van de filosofische speculatie; wat wij nu natuurkunde noemen werd daarom ooit ‘experimentele filosofie’ genoemd. Tot dan toe heerste het vooroordeel dat de mens in staat moest worden geacht om alles wat van belang is in het Heelal eigener beweging, door de inzet van ruim twee pond vettige klieder tussen de oren, zonder verdere inbreng van buitenaf te begrijpen, te beschrijven en in kaart te brengen.

Natuurlijk wisten de timmerman en de smid allang dat dat niet gaat, maar zij waren in de Oudheid helemaal slaven, in de Middeleeuwen bijna, en nu vmbo-slachtoffers. Zij telden dus niet mee in het beschaafd discours. Maar naar de maatstaven van vandaag wisten de Atheense handwerkslieden meer van natuurkunde dan alle peripatetici samen. Dat komt doordat bouwers het zich niet kunnen veroorloven om te veel fouten te maken of te behoedzaam te zijn. Een te krap bemeten pilaar breekt, een overdreven dikke is te duur, en de ervaring - dus de waarneming - leert waar ongeveer het optimum ligt.

Ervaring kristalliseert tot kennis en begrip door de werking van een

[p. 550]

voortgaande cyclus, een kritische spiraal, langs vier punten: waarneming, opmerking, veronderstelling en voorspelling. Het begrip ‘waarneming’ moet zeer ruim worden opgevat: een wisselwerking met de omgeving die al dan niet doelgericht is, via de zintuigen of met instrumenten, stelselmatig of voor de vuist weg, bewust of onbewust. Een gistcel die een suikeroplossing in zweeft neemt die evenzeer waar als een fysicus die het spoor van een muon in een bellenvat meet.

Als voorbeeld van een waarneming geef ik hier: het omhoogkijken naar de hemel tijdens een heldere, donkere nacht, zonder stoornis van maan- of kunstlicht. Het menselijk oog ziet onder die gunstige omstandigheden ruim duizend sterren. De helderste daarvan, Sirius, is zoveel zwakker dan de Zon overdag dat ons oog van die ster 14 miljard maal minder energie ontvangt dan van de Zon.

Wie een waarneming of een complex van waarnemingen heeft gedaan, beschikt slechts over een berg gegevens. Hoewel filosofen zoals Mach beweerden dat dat voor de natuurkunde afdoende is, staat vast dat zonder classificatie, samenvatting en abstractie - de door Mach zo gesmade ‘theorie’ - begrijpen een illusie is. Natuurkunde zonder theoretici is zoals voetballen zonder doelman: het gaat misschien een tijdje goed, maar op den duur is het een recept voor smadelijk verlies. De tweede stap langs de kringloop die leidt tot meer begrip is niet, zoals vaak wordt gedacht, een kwestie van nieuwsgierigheid. Lezers en lezeressen van bling-bling weekbladen zijn vaak extreem nieuwsgierig, maar van hen die zwelgen in de scabreuze details uit het leven van publieke personen kunnen wij nauwelijks een gequantiseerde versie van de Algemene Relativiteitstheorie verwachten. Nee, de belangrijkste eigenschap van een goede wetenschapper is opmerkzaamheid. Vandaar de stap die volgt op de waarneming: de opmerking. Het gaat mij er overigens niet om de natuurweten schappen een bijzondere rol of betekenis toe te kennen: een onderzoekend jurist, bijvoorbeeld, kan in een arrest dingen opmerken die een ander niet opvallen.

Als voorbeeld van een opmerking geef ik hier, de gedane waarnemingen van die sterrennacht volgend: 's nachts is het donker. Dat zal menigeen beschouwen als een van de top-tien open deuren: allicht is het 's nachts donker, want dan schijnt de Zon niet! Het is niet helemaal een pedanterie om dit te verbeteren tot: dan gaat de Zon schuil achter de horizon. Want hoewel de zichtlijn naar onze ster door de massa van de Aarde wordt onderschept, geldt dat niet voor de andere richtingen van onze blik naar de hemel. En als een zichtlijn voldoende lang is, treft die altijd ergens een ster, mits het Heelal voldoende groot is en gevuld met sterren.

De donkerte van de nacht heeft dus wel degelijk een verklaring no-

[p. 551]

dig, en daarmee komen wij aan het derde punt van de kritische spiraal: de veronderstelling. Het bedenken daarvan is een creatieve stap in het proces. Die stap is dus niet te codificeren, niet te besturen, niet te beheersen of te ‘managen’. Ware dat wel zo, dan verwerkte ik die code tot een computerprogramma en liet dat draaien totdat de Nobelprijzen kwamen binnenrollen. Intussen ging ik dan iets doen wat ik wél spannend vind.

Als voorbeeld van een veronderstelling geef ik hier: het is 's nachts donker omdat het Heelal een eindige leeftijd heeft en er in het begin van het Heelal nog geen sterren waren. Immers, uitkijken in de ruimte is - wegens de eindigheid van de lichtsnelheid - terugkijken in de tijd, en als we maar ver genoeg weg kijken, passeert onze zichtlijn vanzelf het punt waar voorbij geen sterren waren.

Dit blijkt inderdaad het voornaamste stuk van de oplossing te zijn. Althans, zo lijkt het. Want hoe plausibel het ook klinkt, het houdt geen steek. Waarom is het 's nachts donker? Waarom lijkt Sirius 14 miljard maal zwakker dan de Zon?

Door de ‘schijnbare lichtkracht’ van sterren aan de hemel te meten, en hun afstanden te bepalen, kunnen astronomen berekenen hoeveel energie die sterren per seconde uitstralen; dit is de ‘absolute lichtkracht’. Hoe fel of hoe zwak een ster lijkt, gezien vanaf de Aarde, hangt af van die absolute lichtkracht en van de afstand van de ster. Hoewel Sirius 26 maal zoveel vermogen levert als de Zon, is zijn schijnsel aan de hemel 14 miljard maal minder dan de Zon, omdat Sirius 8,6 lichtjaar ver weg is en de Zon slechts 8,3 lichtminuten. Maar moet dat zo zijn? Als Sirius 200 triljoen maal meer energie zou uitstralen dan hij nu doet, zou deze ster de Zon aan de hemel evenaren. Maar dat nemen wij niet waar.

Dus is er een andere veronderstelling nodig, en wel deze: sterren kunnen niet meer energie uitstralen dan een bepaald maximum. Hoe groot dat maximum is, staat te bezien, maar als die bovengrens er niet was, zou een buitensporig lichtsterke ster de Aarde kunnen verzengen, al stond die ster nog zo ver weg. Zetten wij de Zon duizendmaal verder weg, en geven wij hem een miljoenmaal grotere lichtkracht, dan zouden wij op Aarde evenveel energie ontvangen als nu. Als sterren willekeurig lichtkrachtig konden zijn, dan konden ze nog zo ver weg staan, maar dan zou je toch 's nachts gebakken worden, en zou je overdag misschien denken: lekker koel hier - tenzij er ook aan de daghemel zo'n verre maar superkrachtige ster zou staan.

Op basis van die veronderstelling moet je dan een voorspelling doen. Dat betekent niet dat de veronderstelling de gemaakte opmerking over de waarnemingen verklaart. Natuurlijk moet dat wel, an-

[p. 552]

ders zat de verklaring er meteen al naast, maar verklaren wat je al weet is niet zo'n kunst. Een voorspelling moet meer zijn: een zo scherp en kwantitatief mogelijke uitspraak over een mogelijke waarneming die nog niet is gedaan.

Daarmee sluit zich een omloop van de kritische spiraal. Kritisch, want nu begint de volgende omloop met een toets: een nieuwe waarneming, naar aanleiding van de vorige vier stappen in de eerste omloop. De uitkomst daarvan kan overeenstemmen met de voorspelling, maar dat hoeft niet. Door tussenkomst van de voorspelling wordt waarnemen systematisch waarnemen, en wordt de waarneming een toets. Zodoende ontstaat de kritische cyclus, die de basis vormt van het evolutieproces dat de wetenschap voortstuwt, zoals Darwins ‘natuurlijke selectie’ dat doet met het leven.

Een nieuwe waarneming dus, niet meer van hetzelfde: nog eens een nachtje buiten staan om opnieuw vast te stellen dat het dan donker is, op een paar duizend speldeprikjes van sterren na, is onvoldoende kritisch. Komt de voorspelling uit, dan mag die veronderstelling, die theorie, die verklaring, nog even blijven. Maar eeuwig blijven zal die niet, want we hebben niet te maken met een kritische cyclus naar met een spiraal. Iedere nieuwe waarneming geeft weer aanleiding tot verdere opmerkingen, die veronderstellingen en voorspellingen oproepen. De natuurweten schap is dus cumulatief: de gemiddelde promovendus van nu weet veel meer dan de scherpste geleerde uit de zeventiende eeuw. Dat is niet zozeer een verdienste van die promovendi als wel een verdienste van de wetenschap als geheel. Echt onderzoek is geen sisyfusarbeid. Als een waarneming niet klopt met de voorafgaande voorspelling, rollen we een stukje van de berg af, maar nooit helemaal naar beneden.

Op dit punt aangekomen zien wij ook het verschil met de beschrijvingen die Descartes en Popper gaven. Eerstgenoemde meende dat het nodig was om ‘alles’ van het eerste begin af aan als onbekend te veronderstellen, om vervolgens te gaan zien wat waar is en wat niet. In een tijd waarin vrijwel alle geschriften, en in het bijzonder de heilige, louter larie bevatten, was dat misschien een verdedigbaar standpunt. Maar het is volkomen uitgesloten, en bijna helemaal overbodig, om vierhonderd jaar wetenschap eens dunnetjes over te doen. Popper heeft het vooral over ‘falsificeren’, maar het is echt niet nodig dat de nieuwe waarneming strijdig is met de voorspelling: elke waarneming draagt kennis bij en doet de schroef van de kritische spiraal weer wat verder doordringen in terra incognita.

Hoewel veel onderzoekers het spannender vinden wanneer een voorspelling juist niet uitkomt, moeten we toch vaststellen dat zeer

[p. 553]

veel wetenschappers rustige verzamelaars zijn, die menen door meten vanzelf tot weten te kunnen komen. Zo kan de kritische spiraal een aantal omwentelingen maken zonder dat er aan de hoofdzaken van de verworven kennis veel verandert. Zodra zich een aantal tegenspraken heeft voorgedaan, komt er uiteindelijk een moment waarop een combinatie van opmerkingen en veronderstellingen leidt tot een oplossing. Kuhn noemde dat een ‘paradigmaverschuiving’.

In elk van deze gevallen speelt de voorspelling een sleutelrol. De waarneming is de meest technische van de vier punten, gevolgd door het doen van een voorspelling. Waarnemen is tegenwoordig meestal een kwestie van bouw en bedrijf van grote instrumenten; aan voorspellingen komt vaak een grote hoeveelheid intensief en vindingrijk rekenen te pas.

Als voorbeeld van een voorspelling geef ik hier: sterren kunnen niet zwaarder zijn dan een bepaalde massa. Dit is de vierde stap van de cyclus. De eerste drie waren: de waarneming door omhoog te kijken naar de hemel tijdens een heldere, donkere nacht; de opmerking dat het 's nachts donker is; de veronderstelling dat dat komt doordat sterren niet helderder kunnen zijn dan een bepaalde absolute lichtkracht.

Die voorspelling over de massa berust op de volgende redenering. Een ster is in evenwicht tussen zijn eigen zwaartekracht, die de ster doet samentrekken, en de druk van het gas van de ster, die hem wil opblazen. Hoe meer massa een ster bevat, hoe sterker de zwaarte-kracht, en dus moet de inwendige druk overeenkomstig groter zijn. Hoe groter de druk, hoe hoger de temperatuur (in de kern van de Zon is die al 14 miljoen graden). Hoe hoger de temperatuur, hoe meer licht er uit de ster komt. Die toename is zo sterk, dat in zeer zware sterren de straling zelf aan de inwendige druk gaat bijdragen. Deze stralingsdruk werkt tegen de zwaartekracht in, evenals de gasdruk, maar waar de gasdruk recht evenredig is met de temperatuur - tweemaal meer druk bij dubbele temperatuur - neemt de uitgezonden straling toe met de vierde macht van de temperatuur, zodat een tweemaal zo hoge temperatuur 16 maal meer licht oplevert. Zodoende is er een massa boven welke de ster wordt opgeblazen door zijn eigen straling. Dus is er een bovengrens aan de absolute lichtkracht en aan de massa van een ster. Dat noemen wij de Eddington-limiet: vier miljoen maal de lichtkracht, en ongeveer 120 maal de massa van de Zon.

Het is erg moeilijk om de massa van sterren te bepalen, maar de waarnemingen die astronomen hebben gedaan zijn voldoende gebleken om deze voorspelling te bevestigen. En zo draait de kritische spiraal andermaal een slag rond. Maar niet alle voorspellingen komen zo mooi uit. Wie in de natuurwetenschap niet tegen kritiek kan, moet

[p. 554]

een ander vak zoeken. Kritiek geleverd door collega's, en vooral door de natuur zelf, is niet alleen een vast onderdeel, maar ook een welkom en zelfs gekoesterd aspect van de wetenschap. Kritiek is normaal, gezond, heeft ons gebracht waar we nu zijn, en zal ons nog verder brengen. Voorspellen is je nek uitsteken, en wie niet durft te voorspellen, heeft in het onderzoek niets te zoeken.